روبوت لتتبع حائط DIY: 9 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

في Instructable ، سنشرح كيفية تصميم نظام اكتشاف العوائق وتجنبها باستخدام GreenPAK ™ جنبًا إلى جنب مع عدد قليل من أجهزة الاستشعار الخارجية بالموجات فوق الصوتية والأشعة تحت الحمراء (IR). سيقدم هذا التصميم بعض الموضوعات المطلوبة للأنظمة الروبوتية المستقلة والذكاء الاصطناعي.

فيما يلي وصفنا الخطوات اللازمة لفهم كيفية برمجة الحل لإنشاء جدار يتبع الروبوت. ومع ذلك ، إذا كنت ترغب فقط في الحصول على نتيجة البرمجة ، فقم بتنزيل برنامج GreenPAK لعرض ملف تصميم GreenPAK المكتمل بالفعل. قم بتوصيل GreenPAK Development Kit بجهاز الكمبيوتر الخاص بك واضغط على البرنامج لإنشاء الجدار التالي للروبوت.

الخطوة 1: بيان المشكلة

كان هناك اهتمام متجدد مؤخرًا بالذكاء الاصطناعي ، ويتم توجيه الكثير من هذا الاهتمام نحو آلات ذكية ومستقلة تمامًا. يمكن لمثل هذه الروبوتات تقليل المسؤولية البشرية وتوسيع الأتمتة إلى مجالات مثل الخدمات المدنية والدفاع. يحاول باحثو الذكاء الاصطناعي أتمتة الخدمات مثل مكافحة الحرائق والرعاية الطبية وإدارة الكوارث وواجبات إنقاذ الأرواح من خلال المركبات الآلية المستقلة. أحد التحديات التي يجب أن تتغلب عليها هذه المركبات هو كيفية اكتشاف العقبات وتجنبها بنجاح مثل الأنقاض والحرائق والمزالق وما إلى ذلك.

الخطوة الثانية: تفاصيل التنفيذ

في هذا Instructable ، سنستخدم مستشعرًا بالموجات فوق الصوتية ، وزوجًا من مستشعرات اكتشاف عوائق الأشعة تحت الحمراء ، ودائرة سائق المحرك (L298N) ، وأربعة محركات DC ، وعجلات ، وهيكل عظمي لسيارة الدفع الرباعي ، وشريحة GreenPAK SLG46620V.

يتم استخدام دبوس الإخراج الرقمي لوحدة التحكم GreenPAK لتشغيل مستشعر الموجات فوق الصوتية (المعروف أيضًا باسم السونار) ، ويتم استخدام دبوس الإدخال الرقمي لتجميع الصدى الناتج من العوائق التي أمامك للتحليل. ويلاحظ أيضًا إخراج مستشعر اكتشاف العوائق بالأشعة تحت الحمراء. بعد تطبيق مجموعة من الشروط ، إذا كان العائق قريبًا جدًا ، يتم ضبط المحركات (المتصلة بكل من العجلات الأربع) لتجنب الاصطدام.

الخطوة الثالثة: الشرح

يجب أن يكون روبوت تجنب العوائق المستقل قادرًا على اكتشاف العوائق وتجنب الاصطدامات. يتطلب تصميم مثل هذا الروبوت تكامل أجهزة استشعار مختلفة ، مثل مستشعرات الصدمات ، وأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء ، وأجهزة الاستشعار فوق الصوتية ، وما إلى ذلك. من خلال تركيب هذه المستشعرات على الروبوت ، يمكنه الحصول على معلومات حول المنطقة المحيطة. يعد المستشعر بالموجات فوق الصوتية مناسبًا لاكتشاف العوائق لروبوت ذاتي الحركة بطيء الحركة ، حيث يتميز بتكلفة منخفضة ونطاق مرتفع نسبيًا.

يكتشف مستشعر الموجات فوق الصوتية الأجسام عن طريق إصدار دفقة موجات فوق صوتية قصيرة ثم الاستماع إلى صدى الصوت. تحت تحكم متحكم مضيف ، يصدر المستشعر نبضة قصيرة 40 كيلو هرتز. تنتقل هذه النبضة عبر الهواء حتى تصطدم بجسم ما ثم تنعكس مرة أخرى إلى المستشعر. يوفر المستشعر إشارة خرج للمضيف تنتهي عند اكتشاف الصدى. بهذه الطريقة ، يتم استخدام عرض النبضة المرتجعة لحساب المسافة إلى الجسم.

تستخدم هذه السيارة الروبوتية لتفادي العوائق جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية لاكتشاف الأشياء الموجودة في مسارها. يتم توصيل المحركات من خلال محرك IC سائق إلى GreenPAK. يتم توصيل مستشعر الموجات فوق الصوتية بمقدمة الروبوت ، ويتم توصيل مستشعري اكتشاف عوائق الأشعة تحت الحمراء على الجانبين الأيسر والأيمن من الروبوت لاكتشاف العوائق الجانبية.

بينما يتحرك الروبوت على المسار المطلوب ، يقوم جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية بنقل الموجات فوق الصوتية باستمرار. عندما يكون هناك عائق أمام الروبوت ، تنعكس الموجات فوق الصوتية من العائق ، ويتم تمرير هذه المعلومات إلى GreenPAK. في نفس الوقت ، تقوم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء بإصدار واستقبال موجات الأشعة تحت الحمراء. بعد تفسير المدخلات من مستشعرات الموجات فوق الصوتية والأشعة تحت الحمراء ، يتحكم GreenPAK في المحركات لكل من العجلات الأربع.

الخطوة 4: وصف الخوارزمية

عند بدء التشغيل ، يتم تشغيل المحركات الأربعة في وقت واحد ، مما يتسبب في تحرك الروبوت للأمام. بعد ذلك ، يرسل جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية نبضات من مقدمة الروبوت على فترات منتظمة. في حالة وجود عائق ، تنعكس نبضات الصوت ويكتشفها المستشعر. يعتمد انعكاس النبضات على الحالة الفيزيائية للعائق: إذا كان شكله غير منتظم ، فإن النبضات المنعكسة ستكون أقل ؛ إذا كانت موحدة ، فسوف تنعكس معظم النبضات المرسلة. يعتمد الانعكاس أيضًا على اتجاه العقبة. إذا كانت مائلة قليلاً ، أو تم وضعها بالتوازي مع المستشعر ، فإن معظم الموجات الصوتية سوف تمر دون انعكاس.

عند اكتشاف عائق أمام الروبوت ، يتم ملاحظة المخرجات الجانبية من مستشعرات الأشعة تحت الحمراء. إذا تم اكتشاف عائق على الجانب الأيمن ، يتم تعطيل إطارات الجانب الأيسر للروبوت ، مما يؤدي إلى دورانه نحو اليسار ، والعكس صحيح. إذا لم يتم اكتشاف عقبة ، يتم تكرار الخوارزمية. يظهر مخطط التدفق في الشكل 2.

الخطوة 5: جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية HC-SR04

جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية هو جهاز يمكنه قياس المسافة إلى الجسم باستخدام الموجات الصوتية. يقيس المسافة عن طريق إرسال موجة صوتية بتردد معين والاستماع لتلك الموجة الصوتية للارتداد. من خلال تسجيل الوقت المنقضي بين الموجة الصوتية التي يتم توليدها وترتد الموجة الصوتية ، يمكن حساب المسافة بين مستشعر السونار والجسم. ينتقل الصوت عبر الهواء بسرعة 344 م / ث (1129 قدمًا / ث) ، لذا يمكنك حساب المسافة إلى الجسم باستخدام الصيغة 1.

يتكون مستشعر الموجات فوق الصوتية HC-SR04 من أربعة دبابيس: Vdd و GND و Trigger و Echo. عندما يتم تطبيق نبضة من وحدة التحكم على دبوس الزناد ، يصدر المستشعر موجة فوق صوتية من "مكبر صوت". يتم اكتشاف الموجات المنعكسة بواسطة "جهاز الاستقبال" ، ويتم إرسالها مرة أخرى إلى وحدة التحكم عبر دبوس Echo. كلما زادت المسافة بين المستشعر والعائق ، زادت مدة النبض في دبوس Echo. يظل النبض قيد التشغيل للوقت الذي تستغرقه نبضة السونار للانتقال من المستشعر والعودة مرة أخرى ، مقسومة على اثنين. عندما يتم تشغيل السونار ، يبدأ مؤقت داخلي ويستمر حتى يتم اكتشاف الموجة المنعكسة. ثم يتم تقسيم هذا الوقت على اثنين لأن الوقت الفعلي الذي استغرقته الموجة الصوتية للوصول إلى العائق كان نصف الوقت الذي كان يعمل فيه المؤقت.

يوضح الشكل 4 تشغيل جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية.

من أجل توليد النبض بالموجات فوق الصوتية ، تحتاج إلى ضبط الزناد على حالة عالية لمدة 10 ميكرو ثانية. سيؤدي ذلك إلى إرسال انفجار صوتي من 8 دورات ، والذي سينعكس عن أي عائق أمام الجهاز ويستقبله المستشعر. سيخرج دبوس Echo الوقت (بالميكروثانية) الذي قطعته الموجة الصوتية.

الخطوة 6: وحدة استشعار اكتشاف العوائق بالأشعة تحت الحمراء

مثل مستشعر الموجات فوق الصوتية ، فإن المفهوم الأساسي للكشف عن عقبة الأشعة تحت الحمراء (IR) هو إرسال إشارة الأشعة تحت الحمراء (في شكل إشعاع) ومراقبة انعكاسها. تظهر وحدة مستشعر الأشعة تحت الحمراء في الشكل 6.

سمات

• يوجد ضوء مؤشر عقبة على لوحة الدائرة
• إشارة الخرج الرقمية
• مسافة الكشف: 2 ~ 30 سم
• زاوية الكشف: 35 درجة
• رقاقة المقارنة: LM393
• نطاق مسافة الكشف القابل للتعديل عبر مقياس الجهد:

○ في اتجاه عقارب الساعة: زيادة مسافة الكشف

○ عكس اتجاه عقارب الساعة: تقليل مسافة الاكتشاف

تحديد

• جهد العمل: 3-5 فولت تيار مستمر
• نوع الإخراج: خرج التبديل الرقمي (0 و 1)
• فتحات لولبية 3 مم لسهولة التركيب
• حجم اللوح: 3.2 × 1.4 سم

وصف مؤشر التحكم الموضح في الجدول 1.

الخطوة 7: حلبة سائق المحرك L298N

تُستخدم دائرة محرك المحرك ، أو H-Bridge ، للتحكم في سرعة واتجاه محركات التيار المستمر. يحتوي على مدخلين يجب توصيلهما بمصدر طاقة منفصل للتيار المستمر (تسحب المحركات تيارًا ثقيلًا ، ولا يمكن توفيرها مباشرة من وحدة التحكم) ، مجموعتان من المخرجات لكل محرك (موجب وسالب) ، دبابيس تمكين لكل منهما مجموعة من المخرجات ومجموعتين من المسامير للتحكم في الاتجاه لكل مخرج محرك (دبابيس لكل محرك). إذا تم إعطاء الدبابيس الموجودة في أقصى اليسار مستويات منطقية عالية لدبوس واحد ومنخفض للآخر ، فسوف يدور المحرك المتصل بالمخرج الأيسر في اتجاه واحد ، وإذا تم عكس تسلسل المنطق (منخفض ومرتفع) ، فسوف تدور المحركات في الاتجاه المعاكس. الأمر نفسه ينطبق على المسامير الموجودة في أقصى اليمين ومحرك المخرج الأيمن. إذا تم إعطاء كلا الدبابيس في الزوج مستويات منطقية عالية أو منخفضة ، فستتوقف المحركات.

يعتمد محرك المحرك ثنائي الاتجاه هذا على محرك L298 Dual H-Bridge الشهير للغاية. تتيح لك هذه الوحدة التحكم بسهولة وبشكل مستقل في محركين في كلا الاتجاهين. إنها تستخدم الإشارات المنطقية القياسية للتحكم ، ويمكنها قيادة محركات السائر ثنائية الطور ، ومحركات السائر رباعية الطور ، ومحركات التيار المستمر ثنائية الطور. يحتوي على مكثف مرشح وصمام ثنائي حر يحمي الأجهزة في الدائرة من التلف بسبب التيار العكسي للحمل الاستقرائي ، مما يعزز الموثوقية. يتميز الموديل L298 بجهد محرك 5-35 فولت ومستوى منطقي يبلغ 5 فولت.

تم وصف وظيفة سائق المحرك في الجدول 2.

يوضح الشكل 8 مخطط الكتلة الذي يوضح التوصيلات بين المستشعر بالموجات فوق الصوتية وسائق المحرك وشريحة GPAK.

الخطوة 8: تصميم GreenPAK

في Matrix 0 ، تم إنشاء إدخال الزناد للمستشعر باستخدام CNT0 / DLY0 و CNT5 / DLY5 و INV0 والمذبذب. تتم قراءة الإدخال من دبوس Echo الخاص بجهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية باستخدام Pin3. يتم تطبيق ثلاثة مدخلات عند 3 بت LUT0: واحد من Echo ، والآخر من Trigger ، والثالث هو إدخال Trigger المتأخر بمقدار 30 دولارًا أمريكيًا. يتم استخدام الإخراج من جدول البحث هذا في المصفوفة 1. يتم أيضًا أخذ الإخراج من مستشعرات الأشعة تحت الحمراء في المصفوفة 0.

في المصفوفة 1 ، يكون المنفذان P1 و P6 متصلين أو متصلين بـ Pin17 ، وهو متصل بـ Pin1 الخاص بسائق المحرك. يكون Pin18 دائمًا في منطق منخفض ومتصل بـ Pin2 الخاص بسائق المحرك. وبالمثل ، فإن المنفذين P2 و P7 هما أو متصلين ببعضهما البعض ومتصلين بـ Pin20 الخاص بـ GreenPAK ، والذي يتم توصيله بـ P3 لدائرة سائق المحرك. يتم توصيل Pin19 بـ Pin4 الخاص بسائق المحرك ويكون دائمًا في المنطق المنخفض.

عندما يكون دبوس Echo مرتفعًا ، فهذا يعني أن هناك كائنًا أمام الروبوت. يقوم الروبوت بعد ذلك بفحص العوائق اليمنى واليسرى من مستشعرات الأشعة تحت الحمراء. إذا كان هناك عائق أيضًا على الجانب الأيمن من الروبوت ، فإنه يستدير إلى اليسار ، وإذا كان هناك عائق على الجانب الأيسر ، فإنه يستدير لليمين. وبهذه الطريقة يتجنب الروبوت العوائق ويتحرك دون اصطدام.

استنتاج

في Instructable ، أنشأنا مركبة بسيطة للكشف التلقائي عن العوائق وتجنبها باستخدام GreenPAK SLG46620V كعنصر تحكم رئيسي. مع بعض الدوائر الإضافية ، يمكن تحسين هذا التصميم لأداء مهام أخرى مثل إيجاد مسار إلى نقطة معينة ، أو خوارزمية حل المتاهة ، أو خوارزمية تتبع الخط ، إلخ.

الخطوة 9: صور الأجهزة