หุ่นยนต์หลีกเลี่ยงอุตตราโซนิกโดยใช้ Arduino: 7 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

ในบทช่วยสอนนี้ ฉันจะแสดงวิธีสร้างหุ่นยนต์หลบสิ่งกีดขวางของคุณเอง! เราจะใช้บอร์ด Arduino UNO และเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก หากหุ่นยนต์ตรวจพบวัตถุที่อยู่ด้านหน้า โดยใช้เซอร์โวมอเตอร์ขนาดเล็ก หุ่นยนต์จะสแกนพื้นที่ด้านซ้ายและขวาเพื่อหาวิธีที่ดีที่สุดในการเลี้ยว นอกจากนี้ยังมีไฟ LED แจ้งเตือน ออดเพื่อเล่นเสียงเมื่อตรวจพบวัตถุ และปุ่มสำหรับเปลี่ยนการทำงานของหุ่นยนต์ (หยุด/เคลื่อนที่ไปข้างหน้า)

มันง่ายมากที่จะทำ!

ขั้นตอนที่ 1: สิ่งที่ต้องทำ

สำหรับโครงการนี้ คุณจะต้อง:

1. Arduino UNO (ซื้อจาก gearbest.com)
2. เขียงหั่นขนมขนาดเล็ก (ซื้อจาก gearbest.com)
3. โมดูลไดรเวอร์มอเตอร์ L298 (ซื้อจาก gearbest.com)
4. มอเตอร์ dc 2x พร้อมล้อ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก HC-SR04 (ซื้อจาก gearbest.com)
5. ไมโครเซอร์โวมอเตอร์ (ซื้อจาก gearbest.com)
6. ปุ่ม LED สีแดง 220 โอห์ม ตัวต้านทาน 9V ที่ใส่แบตเตอรี่ (มีหรือไม่มีแจ็คไฟ)
7. 8 สเปเซอร์ (ชาย-หญิง)
8. น็อต 8 ตัวและสกรู 8 ตัว คุณจะต้องใช้ขนาดใหญ่ (โลหะ) หนึ่งตัว

คลิปหนีบกระดาษและลูกปัดทำล้อรองรับหลัง

สำหรับฐานหุ่นยนต์ ฉันใช้ Acryllic Chasis จาก Aliexpress คุณยังสามารถใช้ชิ้นไม้หรือโลหะ (หรือแผ่นไฟฟ้าสองแผ่น)

ค่าใช้จ่ายของโครงการทั้งหมดอยู่ที่ประมาณ 20 เหรียญ

เครื่องมือ: เครื่องเจาะ กาวซุปเปอร์กาวลูกเรือ ปืนร้อน กาว (อุปกรณ์เสริม) กำลังไฟ:

เราจะใช้แบตเตอรี่ 9V เพื่อจ่ายไฟให้กับหุ่นยนต์ของเราเพราะมันมีขนาดเล็กและราคาถูก แต่ก็ไม่ได้ทรงพลังมากนักและจะว่างเปล่าหลังจากผ่านไปประมาณหนึ่งชั่วโมง พิจารณาว่าคุณต้องการใช้ก้อนแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ (ขั้นต่ำ 6V, สูงสุด 7V) ที่จะมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่จะมีราคาแพงกว่าและใหญ่กว่าแบตเตอรี่ 9V หรือไม่ สมัครสมาชิกช่อง YouTube ของเรา คลิกที่นี่

ขั้นตอนที่ 2: ทำความเข้าใจแนวคิด

เป้าหมายคือการทำให้หุ่นยนต์ตระหนักถึงสิ่งกีดขวางที่อยู่ข้างหน้าเขา เพื่อที่เขาจะได้เปลี่ยนทิศทางและหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง ในบทความที่แล้ว เราทำให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่ – ตอนนี้เราจะให้อิสระกับเขาบ้าง

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก

HC-SR04 เป็นวงจรที่สามารถวัดระยะห่างจากวัตถุได้ไกลถึง 4 เมตร โดยใช้คลื่นอัลตราโซนิก มันส่ง ping (เช่นเรือดำน้ำ) และวัดเวลา (เป็นไมโครวินาที) ระหว่างการส่งและรับสิ่งใด ๆ กลับ เวลานี้หารด้วย 2 เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปมา แล้วหารด้วย 29 เพื่อให้ได้ระยะทางเป็นเซนติเมตร (หรือ 74 สำหรับนิ้ว) เพราะเสียงเดินทาง 29.4µs ต่อเซนติเมตร (340 m/s) เซ็นเซอร์มีความแม่นยำมาก โดยมีความคลาดเคลื่อนประมาณ 3 มม. และรวมเข้ากับ Arduino ได้ง่าย

การเชื่อมต่อ Ultrasonic Sensor กับไมโครคอนโทรลเลอร์ AVR

หุ่นยนต์ที่เป็นอิสระควรมีการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางและติดเซ็นเซอร์วัดระยะทาง คู่ตัวรับส่งสัญญาณ IR หรือเซ็นเซอร์ระดับสีเทาสามารถทำงานได้อย่างง่ายดายเพื่อตรวจจับสิ่งกีดขวางในช่วง 1 ซม. - 10 ซม. เครื่องวัดระยะอินฟราเรด (เช่น ระยะที่แหลม) สามารถวัดระยะทางไปยังสิ่งกีดขวางที่ใกล้ที่สุดได้ด้วยระยะสูงสุด 100 ซม. อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์อินฟราเรดได้รับผลกระทบจากแสงแดดและแหล่งกำเนิดแสงอื่นๆ IR rangefinders มีระยะน้อยกว่าและมีราคาแพงสำหรับสิ่งที่ทำ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก (หรือที่เรียกว่าเซ็นเซอร์ความใกล้ชิดแบบอัลตราโซนิกหรือโซนาร์สำหรับคนเก่ง) ทำงานทั้งสองนี้ด้วยต้นทุนที่เหมาะสมและความแม่นยำเป็นพิเศษ ช่วงอยู่ระหว่าง 3 ซม. ถึง 350 ซม. โดยมีความแม่นยำประมาณ 3 มม. ด้วยการผูกเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกตัวใดตัวหนึ่งเข้ากับหุ่นยนต์ของเรา มันสามารถทำหน้าที่เป็นทั้งตัวหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางและเซ็นเซอร์วัดระยะทาง

เสียง “อัลตราโซนิก” หมายถึงสิ่งที่อยู่เหนือความถี่ของเสียงที่ได้ยิน และในนามรวมทุกอย่างที่เกิน 20, 000 Hz หรือ 20kHz! เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกราคาไม่แพงที่ใช้สำหรับหุ่นยนต์มักทำงานในช่วง 40 kHz ถึง 250 kHz ในขณะที่เซ็นเซอร์ที่ใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์สูงถึง 10Mhz

ขั้นตอนที่ 3: เครื่องมือที่จำเป็น

1. มัลติมิเตอร์
2. เขียงหั่นขนม
3. คีมจมูกเข็ม
4. เครื่องปอกสายไฟ
5. เครื่องตัดลวด
6. ปืนกาว

มัลติมิเตอร์ อันที่จริงมัลติมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ง่ายๆ ที่ใช้วัดแรงดันและความต้านทานเป็นหลัก และเพื่อตรวจสอบว่าวงจรปิดอยู่หรือไม่ คล้ายกับการดีบักรหัสคอมพิวเตอร์ มัลติมิเตอร์ช่วยคุณ "ดีบัก" วงจรอิเล็กทรอนิกส์ของคุณ

วัสดุก่อสร้าง

การจัดหาไม้บางและ/หรือลูกแก้วที่มีจำหน่ายพร้อมสำหรับทำโครงเครื่องนั้นมีประโยชน์มาก โลหะเช่นอลูมิเนียมและเหล็กมักถูกจำกัดไว้เฉพาะผู้ที่สามารถเข้าถึงร้านขายเครื่องจักรได้ แม้ว่าอลูมิเนียมบาง ๆ สามารถตัดด้วยกรรไกรและงอด้วยมือได้ โครงแบบกลไกสามารถสร้างขึ้นจากของใช้ในครัวเรือน เช่น ภาชนะพลาสติก

แม้ว่าวัสดุอื่นๆ เช่น พลาสติก (นอกเหนือจาก Plexiglas) หรือวัสดุที่แปลกใหม่ เช่น ไฟเบอร์กลาสและคาร์บอนไฟเบอร์ จะเป็นไปได้ แต่จะไม่นำมาพิจารณาในคู่มือนี้ ผู้ผลิตหลายรายตั้งข้อสังเกตว่าไม่ใช่เรื่องง่ายสำหรับมือสมัครเล่นส่วนใหญ่ในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรกลของตนเองและได้สร้างชิ้นส่วนเครื่องจักรกลแบบแยกส่วน ผู้นำในเรื่องนี้คือ Lynxmotion ซึ่งนำเสนอการออกแบบหุ่นยนต์ที่หลากหลาย รวมถึงชิ้นส่วนที่จำเป็นในการสร้างหุ่นยนต์ที่คุณกำหนดเอง

เครื่องมือช่าง

ไขควงและคีมชนิดและขนาดต่างๆ (รวมถึงชุดเครื่องมือของช่างอัญมณี: ไขควงขนาดเล็กที่หาซื้อได้ทั่วไปในร้านค้าดอลลาร์) เป็นสิ่งจำเป็น สว่าน (ควรกดสว่านสำหรับรูตรง) ก็มีความสำคัญเช่นกัน เลื่อยมือสำหรับตัดวัสดุก่อสร้าง (หรือเราเตอร์) ก็เป็นสินทรัพย์ที่สำคัญเช่นกัน หากงบประมาณเอื้ออำนวย เลื่อยวงเดือนขนาดเล็ก (ช่วง 200 ดอลลาร์) เป็นเครื่องมือที่ควรพิจารณาอย่างแน่นอน

เขียงหั่นขนม Solderless

เขียงหั่นขนมแบบไม่มีบัดกรีช่วยให้คุณปรับแต่งเลย์เอาต์และเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ ได้อย่างง่ายดาย นอกจากเขียงหั่นขนมแบบไม่มีบัดกรีแล้ว คุณควรซื้อชุดสายจัมเปอร์ที่ขึ้นรูปไว้ล่วงหน้า ซึ่งประกอบด้วยสายแบบตัดล่วงหน้าและแบบงอสำหรับใช้กับเขียงหั่นขนมแบบไม่มีบัดกรี ทำให้การเชื่อมต่อทำได้ง่ายมาก

ชุดไขควงเล็ก

ไขควงขนาดเล็กเหล่านี้จำเป็นเมื่อทำงานกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่อย่าบังคับพวกมันมากเกินไป ขนาดของมันจะทำให้พวกมันเปราะบางมากขึ้น

ชุดไขควงธรรมดา

การประชุมเชิงปฏิบัติการทั้งหมดต้องมีเครื่องมือหลายตัวหรือชุดเครื่องมือซึ่งรวมถึงหัวแบน / หัวแฉกและหัวไขควงอื่นๆ

คีมจมูกเข็ม

ชุดคีมจมูกเข็มมีประโยชน์อย่างเหลือเชื่อเมื่อทำงานกับส่วนประกอบและชิ้นส่วนขนาดเล็ก และเป็นอุปกรณ์เสริมที่มีราคาไม่แพงมากสำหรับกล่องเครื่องมือของคุณ ต่างจากคีมทั่วไปเพราะถึงจุดที่สามารถเข้าไปในพื้นที่ขนาดเล็กได้

คีมปอกสายไฟ

คุณกำลังวางแผนที่จะตัดสายไฟใดๆ ก็ตาม เครื่องปอกสายไฟจะช่วยคุณประหยัดเวลาและความพยายามอย่างมาก เมื่อใช้อย่างถูกต้อง เครื่องปอกสายไฟจะถอดฉนวนสายเคเบิลออกเท่านั้นและจะไม่ทำให้เกิดการหักงอหรือทำให้ตัวนำเสียหาย อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับเครื่องปอกสายไฟคือกรรไกรคู่หนึ่ง แม้ว่าผลลัพธ์ที่ได้อาจดูยุ่งเหยิงก็ตาม กรรไกร ไม้บรรทัด ปากกา ดินสอมาร์กเกอร์ มีด Exacto (หรือเครื่องมือตัดแบบใช้มือถืออื่นๆ) สิ่งเหล่านี้จำเป็นสำหรับสำนักงานทุกแห่ง

ขั้นตอนที่ 4: Cocepts สำหรับการเข้ารหัส AVR

การคำนวณความเร็วของเสียงที่สัมพันธ์กับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก

คณิตน้อย แต่ไม่ต้องกลัว มันง่ายกว่าที่คุณคิด

ความเร็วของเสียงในอากาศแห้งที่อุณหภูมิห้อง (~20°C) = 343 เมตร/วินาที

สำหรับคลื่นเสียงที่กระทบและเดินทางไปกลับวัตถุใกล้เคียงคือ = 343/2 = 171.5 ม./เนื่องจากระยะสูงสุดของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกราคาถูกไม่เกิน 5 เมตร (ไป-กลับ) จึงจะสมเหตุสมผลกว่า เปลี่ยนหน่วยเป็นเซนติเมตรและไมโครวินาที

1 เมตร = 100 เซนติเมตร1 วินาที = 10^6 ไมโครวินาที = (วินาที / 171.5) x (ม. / 100 ซม.) x ((1x10^6)/s) = (1/171.5) x (1/100) x (1000000/ 1) = 58.30903790087464 us/cm = 58.31 us/cm (ปัดเศษเป็นตัวเลขสองหลักเพื่อให้การคำนวณง่ายขึ้น)ดังนั้น เวลาที่ชีพจรเคลื่อนที่ไปยังวัตถุและกระเด้งกลับ 1 เซนติเมตร คือ 58.31 ไมโครวินาที

พื้นหลังเล็กๆ ของวงจรนาฬิกา AVR

ต้องใช้บทที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงในการทำความเข้าใจวงจรนาฬิกา AVR แต่เราจะเข้าใจคร่าวๆ ว่ามันทำงานอย่างไรเพื่อให้การคำนวณของเราง่ายขึ้น

ตัวอย่างเช่น เราจะใช้บอร์ด AVR Draco ซึ่งมีไมโครคอนโทรลเลอร์ AVR – Atmega328P 8 บิต เพื่อให้ง่ายขึ้น เราจะไม่ปรับแต่งการตั้งค่าของไมโครคอนโทรลเลอร์ ไม่มีการสัมผัสบิตฟิวส์ ไม่มีคริสตัลภายนอกติดอยู่ ไม่ปวดหัว. ที่การตั้งค่าจากโรงงาน มันทำงานบนออสซิลเลเตอร์ 8MHz ภายในพร้อมพรีสเกลเลอร์ /8; หากคุณไม่เข้าใจทั้งหมดนี้ ก็หมายความว่าไมโครคอนโทรลเลอร์กำลังทำงานที่ RC Oscillator ภายใน 1MHz และแต่ละรอบนาฬิกาจะใช้เวลา 1 ไมโครวินาที

1 2 1MHz = 1000000 รอบต่อวินาที ดังนั้น 1s/100000 = 1/1000000 = 1us

นาฬิกา AVR และการแปลงระยะทาง

เราเกือบจะอยู่ที่นั่นแล้ว! เมื่อเรารู้วิธีแปลงรอบนาฬิกา AVR เป็นระยะทางที่คลื่นเสียงเดินทางแล้ว การใช้ตรรกะในโปรแกรมก็เป็นเรื่องง่าย

เรารู้ว่าความเร็วของเสียงอัลตราโซนิกในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมคือ: 58.31 us/cm

เรารู้ว่าความละเอียดของไมโครคอนโทรลเลอร์ AVR คือ 1us/รอบนาฬิกา (CLK)

ดังนั้น ระยะทางที่เดินทางโดยเสียงต่อรอบนาฬิกา (CLK) คือ:

1 2 3 = (58.31 us/cm) x (1us/ clk) = 58.31 clock cycles / cm หรือ = 1/58.31 cm/ clk

หากทราบจำนวนรอบนาฬิกาที่เสียงเดินทางและสะท้อนกลับ เราสามารถคำนวณระยะทางได้อย่างง่ายดาย ตัวอย่างเช่น หากเซ็นเซอร์ใช้เวลา 1,000 รอบนาฬิกาในการเดินทางและสะท้อนกลับ ระยะทางจากเซ็นเซอร์ไปยังวัตถุที่ใกล้ที่สุดคือ = 1000/58.31 = 17.15 ซม. (โดยประมาณ)

ตอนนี้ทุกอย่างสมเหตุสมผลหรือไม่? เลขที่? อ่านอีกที

หากคุณเข้าใจตรรกะทั้งหมดที่กล่าวไว้ข้างต้นชัดเจน เราจะนำไปใช้ในสถานการณ์จริงโดยเชื่อมต่อเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก HC-SR04 ราคาไม่แพงกับบอร์ด AVR Arduino ของเรา

ขั้นตอนที่ 5: การเชื่อมต่อฮาร์ดแวร์:

Arduino Board ทำให้ง่ายต่อการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ภายนอกและดูผลลัพธ์บน LCD สำหรับการตรวจจับช่วงอัลตราโซนิก เราใช้โมดูล HC-SR04 ราคาไม่แพง โมดูลมี 4 พินที่สามารถเชื่อมต่อกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์: VCC, TRIG, ECHO และ GND

เชื่อมต่อพิน VCC กับ 5V และพิน GND กับกราวด์บนบอร์ด Arduino

หมุด TRIG และพิน ECHO สามารถเชื่อมต่อกับพินที่มีอยู่บนบอร์ดได้ การส่งสัญญาณ 'สูง' ขั้นต่ำ 10us เพื่อทริกเกอร์พินจะส่งคลื่นเสียง 40 kHz แปดคลื่นและดึงพินสะท้อนสูง หากเสียงกระเด็นออกจากวัตถุใกล้เคียงและกลับมา เสียงนั้นจะถูกจับโดยรับทรานสดิวเซอร์และหมุดสะท้อนจะถูกดึง "ต่ำ"

โมดูลเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกรุ่นอื่น ๆ มีให้เลือกเพียง 3 ขา หลักการทำงานยังคงเหมือนเดิม แต่การทำงานของทริกเกอร์และหมุดสะท้อนกลับรวมกันเป็นขาเดียว

เมื่อเชื่อมต่อแล้ว สามารถกำหนดค่าทริกเกอร์และ Echo Pins ผ่านซอฟต์แวร์ได้ เพื่อให้ตัวอย่างนี้เรียบง่าย เราจะไม่ใช้พินอินเทอร์รัปต์ (หรือ Input Capture Pin) ในตัวอย่างนี้ การไม่ใช้หมุดขัดจังหวะที่กำหนดทำให้เรามีอิสระในการเชื่อมต่อโมดูลกับพินที่มีอยู่บนบอร์ด

ขั้นตอนที่ 6: รหัส

รหัสโค้ดด้านล่างมีเพียงส่วนขยาย "อัลตราโซนิก" สำหรับการควบคุมมอเตอร์ DC โดยใช้ H-Bridge จากบทความก่อนหน้านี้ เมื่อหุ่นยนต์ตรวจพบสิ่งกีดขวางข้างหน้า เขาจะหันหลังกลับ (สุ่มระดับ) และเดินหน้าต่อไป ฟังก์ชันนี้สามารถขยายออกได้อย่างง่ายดายเพื่อให้เลี้ยวและตรวจจับสิ่งกีดขวางได้พร้อมๆ กัน ดังนั้นหุ่นยนต์จะไม่หมุนแบบสุ่ม แต่จะเริ่มเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเมื่อตรวจไม่พบวัตถุเท่านั้น

สำหรับคำอธิบายรหัสอ้างอิงวิดีโอ Youtube ที่ระบุไว้ในช่อง

ขั้นตอนที่ 7: วิดีโอ

ดูวิดีโอสำหรับกระบวนการทั้งหมด