روبوت التجنب الآلي باستخدام Arduino: 7 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

في هذا البرنامج التعليمي ، سأوضح لك كيفية صنع عقبة خاصة بك في تجنب الروبوت! سنستخدم لوحة Arduino UNO وجهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية. إذا اكتشف الروبوت شيئًا أمامه ، بمساعدة محرك سيرفو صغير ، فإنه يمسح المنطقة اليمنى واليسرى لإيجاد أفضل طريقة للالتفاف. يحتوي أيضًا على مؤشر LED للإخطار وجرس لتشغيل نغمة عند اكتشاف كائن وزر لتغيير وظيفة الروبوت (متوقف / يتحرك للأمام).

من السهل جدًا القيام بذلك!

الخطوة 1: الأشياء المضمنة في صنعها

لهذا المشروع سوف تحتاج:

1. Arduino UNO (اشتريه من gearbest.com)
2. لوح توصيل صغير (اشتريه من gearbest.com)
3. وحدة تشغيل المحرك L298 (اشتريه من gearbest.com)
4. 2x dc موتورز مع عجلات HC-SR04 الاستشعار بالموجات فوق الصوتية (شرائه من gearbest.com)
5. محرك سيرفو صغير (اشتريه من gearbest.com)
6. زر أحمر LED220 أوم المقاوم حامل بطارية 9V (مع أو بدون مقبس الطاقة)
7. 8 فواصل (ذكور - إناث) ،
8. 8 صواميل و 8 براغي ستحتاج أيضًا إلى واحد كبير (معدني)

مشبك ورق وحبة لصنع عجلة دعم الظهر.

بالنسبة لقاعدة الروبوت ، استخدمت Acryllic Chasis من Aliexpress. يمكنك أيضًا استخدام قطعة من الخشب أو المعدن (أو لوحين كهربائيين).

تكلفة المشروع بالكامل حوالي 20 دولار

الأدوات: آلة حفر فائقة الغراء لسائق طاقم العمل بالغراء الساخن (اختياري)

سنستخدم بطارية 9 فولت لتشغيل الروبوت لأنه صغير ورخيص الثمن ، ولكنه ليس قويًا للغاية وسيصبح فارغًا بعد حوالي ساعة واحدة. ضع في اعتبارك ما إذا كنت ترغب في استخدام حزمة بطارية قابلة لإعادة الشحن (بحد أدنى 6 فولت ، و 7 فولت كحد أقصى) والتي ستكون أكثر قوة ولكنها ستكون أيضًا أغلى وأكبر من بطارية 9 فولت.

الخطوة الثانية: فهم المفاهيم

الهدف هو جعل الروبوت على دراية بالعقبات التي تواجهه ، حتى يتمكن من تغيير الاتجاه وتجنبها. في المقالة السابقة ، اتخذنا خطوة الروبوت - والآن سنمنحه بعض الاستقلالية.

أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية

HC-SR04 عبارة عن دائرة كهربائية قادرة على قياس مسافة للأشياء تصل إلى 4 أمتار باستخدام الموجات فوق الصوتية. تقوم بإرسال ping (مثل الغواصة) وتقيس الوقت (بالميكروثانية) بين إرسال واستلام أي شيء مرة أخرى. ثم يتم تقسيم هذا الوقت على 2 حيث تنتقل الموجة ذهابًا وإيابًا. ثم اقسم على 29 للحصول على مسافة بالسنتيمتر (أو 74 للبوصة) ، لأن الصوت ينتقل 29.4µs لكل سنتيمتر (340 m / s). المستشعر دقيق للغاية مع تفاوت قدره 3 مم وسهل الاندماج مع Arduino.

واجهة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية مع متحكم AVR

يجب أن يكون لدى أي روبوت مستقل عائق لتجنب العوائق وملحق به مستشعر قياس المسافة. يمكن أن يعمل زوج جهاز الإرسال والاستقبال بالأشعة تحت الحمراء أو مستشعر التدرج الرمادي بسهولة لاكتشاف العوائق في نطاق 1 سم إلى 10 سم. يمكن أن تقيس أجهزة تحديد المدى للأشعة تحت الحمراء (على سبيل المثال تلك من الحادة) المسافة إلى أقرب عقبة بمدى يصل إلى 100 سم. ومع ذلك ، تتأثر مستشعرات الأشعة تحت الحمراء بأشعة الشمس ومصادر الضوء الأخرى. أجهزة تحديد المدى بالأشعة تحت الحمراء لها نطاق أقل ومكلفة أيضًا لما تفعله. تقوم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية (المعروفة أيضًا باسم مستشعرات القرب بالموجات فوق الصوتية أو السونار للمهوسين) بهاتين المهمتين بتكلفة معقولة ودقة استثنائية. يتراوح النطاق بين 3 سم إلى 350 سم بدقة 3 مم تقريبًا. من خلال ربط أحد أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية في روبوتنا ، يمكن أن يعمل كمتجنب للعقبات ومستشعر قياس المسافة.

يشير الصوت "فوق الصوتي" إلى أي شيء أعلى من ترددات الصوت المسموع ، ويتضمن اسميًا أي شيء يزيد عن 20 ألف هرتز أو 20 كيلو هرتز! تعمل أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية غير المكلفة المستخدمة في الروبوتات عمومًا في نطاق من 40 كيلو هرتز إلى 250 كيلو هرتز بينما تلك المستخدمة في المعدات الطبية تصل إلى 10 ميجا هرتز.

الخطوة 3: الأدوات المطلوبة

1. المقياس المتعدد
2. اللوح
3. كماشة الأنف إبرة
4. متجرد الأسلاك
5. قاطع الاسلاك
6. مسدس الغراء

المتر المتعدد هو في الواقع جهاز بسيط يستخدم بشكل أساسي لقياس الجهد والمقاومة ولتحديد ما إذا كانت الدائرة مغلقة. على غرار تصحيح أخطاء رمز الكمبيوتر ، يساعدك جهاز القياس المتعدد على "تصحيح" داراتك الإلكترونية.

مواد بناء

إن الإمداد المتاح بسهولة من الخشب الرقيق و / أو الزجاج الزجاجي لجعل الإطار الميكانيكي مفيد للغاية. غالبًا ما تقتصر المعادن مثل الألمنيوم والصلب على أولئك الذين لديهم إمكانية الوصول إلى ورشة الآلات على الرغم من إمكانية قطع الألومنيوم الرقيق بالمقص وثنيها يدويًا. يمكن أيضًا بناء الإطارات الميكانيكية من الأدوات المنزلية مثل الحاويات البلاستيكية.

على الرغم من إمكانية استخدام مواد أخرى مثل البلاستيك (بخلاف البلاستيك الزجاجي) ، أو المزيد من المواد الغريبة مثل الألياف الزجاجية وألياف الكربون ، فلن يتم أخذها في الاعتبار في هذا الدليل. لاحظ العديد من الشركات المصنعة أنه ليس من السهل على معظم الهواة إنتاج الأجزاء الميكانيكية الخاصة بهم وإنشاء أجزاء ميكانيكية معيارية. الرائد في هذا هو Lynxmotion الذي يقدم مجموعة واسعة من التصميمات الروبوتية بالإضافة إلى الأجزاء اللازمة لصنع الروبوتات المخصصة الخاصة بك.

أدوات يدوية

مفكات البراغي والكماشة من مختلف الأنواع والأحجام (بما في ذلك مجموعة أدوات الصائغ: مفكات البراغي الصغيرة المتوفرة بشكل شائع في المتاجر بالدولار). من المهم أيضًا الحفر (يفضل استخدام مكبس حفر للثقوب المستقيمة). يعتبر المنشار اليدوي لقطع مواد البناء (أو جهاز التوجيه) أحد الأصول المهمة أيضًا. إذا سمحت الميزانية ، فإن المنشار الشريطي الصغير (نطاق 200 دولار) هو بالتأكيد أداة يجب مراعاتها.

اللوح اللحيم

يسمح لك اللوح غير الملحوم بتحسين التخطيط وتوصيل المكونات بسهولة. إلى جانب اللوح غير الملحوم ، يجب عليك شراء مجموعة أسلاك توصيل مسبقة التشكيل والتي تتكون من أسلاك مثنية ومقطعة مسبقًا مخصصة للاستخدام مع لوح تجارب غير ملحوم. هذا يجعل الاتصالات سهلة للغاية.

مجموعة مفكات صغيرة

هذه المفكات الصغيرة ضرورية عند العمل مع الإلكترونيات. لا تجبرهم كثيرًا على الرغم من ذلك - حجمهم يجعلهم أكثر هشاشة.

مجموعة مفك البراغي العادية

تحتاج جميع ورش العمل إلى أدوات متعددة أو مجموعة أدوات تشتمل على رؤوس مسطحة / فيليبس ومفكات براغي أخرى.

كماشة الأنف إبرة

مجموعة من كماشة أنف الإبرة مفيدة بشكل لا يصدق عند العمل مع مكونات وأجزاء صغيرة وهي إضافة غير مكلفة للغاية إلى صندوق الأدوات الخاص بك. هذه تختلف عن الزردية العادية لأنها تصل إلى نقطة يمكن أن تصل إلى مناطق صغيرة.

قواطع / قواطع الأسلاك

إذا كنت تخطط لقطع أي أسلاك ، فإن أداة تعرية الأسلاك ستوفر لك الكثير من الوقت والجهد. عند استخدامه بشكل صحيح ، لن يقوم متجرد الأسلاك إلا بإزالة عزل الكابل ولن ينتج عنه أي مكامن الخلل أو يتلف الموصلات. البديل الآخر لمزيل الأسلاك هو مقص ، على الرغم من أن النتيجة النهائية يمكن أن تكون فوضوية. المقص ، المسطرة ، القلم ، قلم التحديد ، سكين Exacto (أو أي أداة قطع محمولة أخرى) هذه عناصر أساسية في أي مكتب.

الخطوة 4: مفاهيم ترميز AVR

حساب سرعة الصوت بالنسبة لأجهزة الاستشعار فوق الصوتية

القليل من الرياضيات ، لكن لا تخف. إنه أبسط مما تعتقد.

سرعة الصوت في الهواء الجاف عند درجة حرارة الغرفة (~ 20 درجة مئوية) = 343 متر / ثانية

لكي تضرب الموجة الصوتية وتقوم برحلة ذهابًا وإيابًا إلى الكائن القريب = 343/2 = 171.5 م / نظرًا لأن الحد الأقصى لنطاق مستشعر الموجات فوق الصوتية الرخيص لا يزيد عن 5 أمتار (رحلة ذهابًا وإيابًا) ، سيكون من المنطقي أكثر قم بتغيير الوحدات إلى سنتيمترات وميكروثانية.

1 متر = 100 سم 1 ثانية = 10 ^ 6 ميكروثانية = (ق / 171.5) × (م / 100 سم) × ((1 × 10 ^ 6) / ث) = (1/171.5) × (1/100) × (1000000 / 1) = 58.30903790087464 us / cm = 58.31 us / cm (التقريب إلى رقمين لتسهيل الحسابات)لذلك ، فإن الوقت الذي تستغرقه النبضة للانتقال إلى جسم ما وترتد إلى الوراء بمقدار سنتيمتر واحد هو 58.31 ميكروثانية.

الخلفية الصغيرة على دورات ساعة AVR

يستغرق الأمر فصلًا مختلفًا تمامًا لفهم دورات ساعة AVR ، لكننا سنفهم بإيجاز كيف تعمل لجعل حساباتنا أسهل

على سبيل المثال ، سوف نستخدم لوحة AVR Draco التي تحتوي على متحكم دقيق AVR - Atmega328P 8 بت. لتبسيط الأمور ، لن نقوم بتعديل إعدادات متحكم دقيق. لم يتم لمس فتيل الصمامات ؛ لا يوجد بلورة خارجية متصلة ؛ لا صداع. في إعدادات المصنع ، يتم تشغيله على مذبذب داخلي 8 ميجا هرتز مع مقياس مسبق / 8 ؛ إذا كنت لا تفهم كل هذا ، فهذا يعني ببساطة أن المتحكم الدقيق يعمل بسرعة 1 ميجاهرتز RC Oscillator وأن كل دورة ساعة تستغرق 1 ميكروثانية.

1 2 1 ميجا هرتز = 1000000 دورة في الثانية لذلك ، 1s / 1000000 = 1/1000000 = 1us

ساعات AVR وتحويل المسافة

نحن على وشك الانتهاء! بمجرد أن نعرف كيفية تحويل دورات ساعة AVR إلى مسافة تقطعها الموجات الصوتية ، يصبح تنفيذ المنطق في برنامج أمرًا سهلاً.

نعلم أن سرعة الصوت فوق الصوتي في البيئة المثالية هي: 58.31 دولار أمريكي / سم

نحن نعلم أن دقة متحكم AVR هي دورة 1us / على مدار الساعة (CLK)

لذلك ، فإن المسافة التي يقطعها الصوت لكل دورة ساعة (CLK) هي:

1 2 3 = (58.31 us / cm) x (1us / clk) = 58.31 دورات ساعة / سم أو = 1 / 58.31 سم / clk

إذا كان عدد دورات الساعة التي يستغرقها الصوت للانتقال والارتداد معروفًا ، فيمكننا بسهولة حساب المسافة. على سبيل المثال ، إذا كان المستشعر يأخذ 1000 دورة على مدار الساعة للانتقال والارتداد ، فإن المسافة من المستشعر إلى أقرب كائن هي = 1000 / 58.31 = 17.15 سم (تقريبًا)

هل كل شيء له معنى الآن؟ لا؟ أعد قرائتها

إذا كنت واضحًا مع كل المنطق المذكور أعلاه ، فسنقوم بتنفيذه في سيناريو العالم الحقيقي من خلال توصيل مستشعر الموجات فوق الصوتية HC-SR04 غير المكلف بلوحة AVR Arduino.

الخطوة 5: توصيلات الأجهزة:

تجعل لوحة Arduino من السهل توصيل أي مستشعرات خارجية وكذلك عرض النتائج على شاشة LCD. لاستشعار المدى بالموجات فوق الصوتية ، نستخدم وحدة HC-SR04 غير مكلفة. تحتوي الوحدة على 4 دبابيس يمكن توصيلها بلوحة وحدة التحكم الدقيقة: VCC و TRIG و ECHO و GND.

قم بتوصيل دبوس VCC بـ 5V ودبوس GND بالأرض على لوحة Arduino.

يمكن توصيل دبوس TRIG ودبوس ECHO بأي دبابيس متوفرة على اللوحة. يرسل إرسال إشارة "عالية" لا تقل عن 10 نقاط لتوجيه دبوس الزناد ثماني موجات صوتية بتردد 40 كيلوهرتز ويسحب دبوس الصدى عاليًا. إذا ارتد الصوت عن جسم قريب وعاد ، يتم التقاطه عن طريق استقبال محول الطاقة ويتم سحب دبوس الصدى "منخفضًا".

تتوفر أيضًا أنواع أخرى من وحدات الاستشعار بالموجات فوق الصوتية بثلاثة دبابيس فقط. لا يزال مبدأ العمل كما هو ، ولكن يتم دمج وظائف دبابيس المشغل والصدى في دبوس واحد.

بمجرد الاتصال ، يمكن تكوين Trigger و Echo Pins عبر البرنامج. للحفاظ على هذا المثال بسيطًا ، لن نستخدم أي دبابيس للمقاطعة (أو دبوس التقاط الإدخال) في هذا المثال. يمنحنا عدم استخدام دبابيس المقاطعة المعينة أيضًا حرية توصيل الوحدة بأي دبابيس متوفرة على اللوحة.

الخطوة 6: الكود

الكود يحتوي الكود أدناه على امتداد "فوق صوتي" فقط للتحكم في محرك التيار المستمر باستخدام جسر H من المقالة السابقة. عندما يكتشف الروبوت عقبة أمامه ، يستدير (درجة عشوائية) ويستمر في التحرك للأمام. يمكن توسيع هذه الوظيفة بسهولة لمواصلة الدوران واكتشاف العوائق في نفس الوقت - لذلك لن يدور الروبوت بشكل عشوائي ، ولكنه يبدأ في التحرك للأمام فقط عندما لا يتم اكتشاف أي كائن.

لشرح الكود ارجع إلى فيديو يوتيوب المدرج على القناة.

الخطوة 7: الفيديو

شاهد الفيديو للعملية بأكملها.