تنقل الروبوت مع مستشعرات الأحذية ، بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، بدون خريطة: 13 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

بواسطة obluoblu اتبع حول: oblu هو مستشعر ملاحة داخلي المزيد عن oblu »

يتحرك الروبوت في مسار مبرمج مسبقًا وينقل (عبر البلوتوث) معلومات حركته الفعلية إلى الهاتف للتتبع في الوقت الفعلي. Arduino مبرمج مسبقًا بالمسار ويستخدم oblu لاستشعار حركة الروبوت. ينقل oblu معلومات الحركة إلى Arduino على فترات منتظمة. بناءً على ذلك ، يتحكم Arduino في حركات العجلات للسماح للروبوت باتباع المسار المحدد مسبقًا.

الخطوة 1: مقدمة قصيرة

يدور المشروع حول جعل الروبوت يتحرك في مسار محدد مسبقًا بدقة ، دون استخدام GPS أو WiFi أو Bluetooth لتحديد المواقع ، ولا حتى الخريطة أو خطة تخطيط المبنى. وارسم مساره الفعلي (إلى المقياس) ، في الوقت الفعلي. يمكن استخدام البلوتوث كبديل للسلك ، لنقل معلومات الموقع في الوقت الفعلي.

الخطوة الثانية: قصة خلفية مثيرة للاهتمام

يتمثل جدول أعمال فريقنا الأساسي في تطوير أجهزة استشعار ملاحة للمشاة مُثبَّتة بالأحذية. ومع ذلك ، تم الاتصال بنا من قبل مجموعة بحث أكاديمية مع متطلبات التنقل داخل الروبوت ومراقبة موقعه في الوقت الفعلي في وقت واحد. لقد أرادوا استخدام مثل هذا النظام لرسم خرائط الإشعاع في غرفة مغلقة أو اكتشاف تسرب للغاز في منشأة صناعية. مثل هذه الأماكن خطرة على البشر. تبحث عن حل قوي للملاحة الداخلية لروبوتنا القائم على Arduino.

كان اختيارنا الواضح لأي وحدة مستشعر حركة (IMU) هو "oblu" (المرجع أعلاه). لكن الجزء الصعب هنا هو أن البرامج الثابتة الحالية لـ oblu كانت مناسبة للحساب الداخلي المشاة (PDR) أو نظام الملاحة المشاة ، بكلمات بسيطة. إن أداء oblu's PDR في الأماكن المغلقة مثل IMU المثبت على القدم مثير للإعجاب للغاية. يضيف توفر تطبيق Android (Xoblu) للتتبع في الوقت الحقيقي لـ oblu مثل مستشعر الأحذية ، ميزة إضافية. ومع ذلك ، كان التحدي يتمثل في الاستفادة من الخوارزمية الحالية التي تعتمد على نموذج المشي البشري ، لتصفح الروبوت ومراقبته.

الخطوة 3: مقدمة موجزة لـ "oblu"

"oblu" عبارة عن منصة تطوير مصغرة ومنخفضة التكلفة ومفتوحة المصدر تستهدف تطبيقات استشعار الحركة القابلة للارتداء. إنها بطارية ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن قابلة للتشغيل وتسمح بشحن بطارية USB على متن الطائرة. يحتوي على وحدة Bluetooth (BLE 4.1) على متن الطائرة للاتصال اللاسلكي. يستضيف "oblu" متحكمًا دقيقًا بنقطة عائمة 32 بت (Atmel's AT32UC3C) والذي يسمح بحل معادلات التنقل المعقدة على متن الطائرة. لذلك يقوم المرء بتنفيذ كل معالجة الحركة على oblu نفسه وينقل النتيجة النهائية فقط. هذا يجعل تكامل oblu مع النظام المنتسب بسيطًا للغاية. تستضيف "oblu" أيضًا مصفوفة متعددة IMU (MIMU) تسمح بدمج المستشعرات وتعزز أداء استشعار الحركة. يضيف نهج MIMU إلى تفرد "oblu".

تستند حسابات oblu الداخلية على المشي البشري. يعطي oblu الإزاحة بين خطوتين متتاليتين والتغيير في العنوان. كيف - عندما تلامس القدم الأرض ، تكون سرعة النعل صفراً ، أي أن النعل متوقف. بهذه الطريقة يكتشف oblu "الخطوات" ويصحح بعض الأخطاء الداخلية. وهذا التصحيح المتكرر للأخطاء ينتج عنه أداء تعقب رائع. لذا هنا تكمن المشكلة. ماذا لو كان الروبوت الخاص بنا يسير بنفس الطريقة - تحرك ، توقف ، تحرك ، توقف.. غير صحيح ، يمكن استخدام oblu لأي جسم يكون لحركته صفر ولحظات غير صفرية. وهكذا تقدمنا مع oblu ولم نتمكن في أي وقت من تجميع الروبوت ونظام التتبع الخاص بنا.

الخطوة 4: ما هي فائدة "oblu"؟

نقضي ما يقرب من 70٪ من وقتنا في الداخل. لذلك ، هناك العديد من التطبيقات التي تتطلب التنقل الداخلي للبشر والآلات. أكثر حلول تحديد المواقع شيوعًا هي نظام GPS / GNSS المعتمد على الأقمار الصناعية وهو أمر جيد للملاحة الخارجية. فشل في البيئة الداخلية أو في البيئة الحضرية التي لا يمكن الوصول إليها من السماء الصافية. مثل هذه التطبيقات هي المسح الجغرافي للأحياء الفقيرة أو المناطق الواقعة تحت مظلة الأشجار الثقيلة ، والملاحة الداخلية للروبوتات ، وتحديد مواقع وكلاء الإنقاذ لمكافحة الحرائق ، وحوادث التعدين ، وحرب المدن ، إلخ.

تم تقديم سلف oblu كجهاز استشعار للأحذية مضغوط للغاية (أو مستشعر PDR) لتحديد مواقع رجال الإطفاء ، والذي تمت ترقيته وتعديله لاحقًا كمنصة تطوير قابلة للتكوين بدرجة عالية للصانعين الذين يبحثون عن سهولة الدقة- حل استشعار بالقصور الذاتي ميسور التكلفة للملاحة الداخلية للبشر وكذلك الروبوتات. حتى الآن ، أظهر مستخدمو oblu تطبيقاته في تتبع المشاة ، والسلامة الصناعية وإدارة الموارد ، والشرطة التكتيكية ، والمسح الجغرافي لمنطقة خالية من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، وروبوت التنقل الذاتي ، والروبوتات المساعدة ، والألعاب ، و AR / VR ، وعلاج اضطرابات الحركة ، وفهم الفيزياء من الحركة وما إلى ذلك ، أوبلو مناسب للتطبيقات ذات المساحة المحدودة ، على سبيل المثال استشعار الحركة يمكن ارتداؤها. يمكن استخدامه أيضًا كوحدة IMU لاسلكية ، بفضل تقنية Bluetooth المدمجة. إن وجود قدرة معالجة النقطة العائمة على متن الطائرة ، جنبًا إلى جنب مع أربعة مصفوفات IMU ، يجعل اندماج المستشعر ومعالجة الحركة ممكنًا داخل الوحدة نفسها ، مما يؤدي بدوره إلى استشعار حركة دقيق للغاية.

الخطوة الخامسة: قصة المشروع

قصة هذا المشروع في الفيديو …

الخطوة 6: وصف النظام

يتحرك الروبوت في مسار مبرمج مسبقًا وينقل (عبر البلوتوث) معلومات حركته الفعلية إلى الهاتف للتتبع في الوقت الفعلي.

Arduino مبرمج مسبقًا بالمسار ويستخدم oblu لاستشعار حركة الروبوت. ينقل oblu معلومات الحركة إلى Arduino على فترات منتظمة. بناءً على ذلك ، يتحكم Arduino في حركات العجلات للسماح للروبوت باتباع المسار المحدد مسبقًا.

مسار الروبوت مبرمج كمجموعة من مقاطع الخط المستقيم. يتم تحديد كل جزء خط من خلال طوله واتجاهه فيما يتعلق بالجزء السابق. تظل حركة الروبوت سرية ، أي أنها تتحرك في خط مستقيم ، ولكن في أجزاء أصغر (دعنا نسمي "خطوات" من أجل البساطة). في نهاية كل خطوة ، ينقل oblu طول الخطوة ومدى الانحراف (التغيير في الاتجاه) من الخط المستقيم إلى Arduino. يقوم Arduino بتصحيح محاذاة الروبوت في كل خطوة عند تلقي مثل هذه المعلومات ، إذا وجد انحرافًا عن الخط المستقيم المحدد مسبقًا ، وفقًا لكل برنامج ، من المفترض دائمًا أن يتحرك الروبوت في خط مستقيم. ومع ذلك ، قد ينحرف عن الخط المستقيم وقد يمشي بزاوية معينة أو مسار منحرف بسبب عدم المثالية مثل السطح غير المستوي ، أو عدم توازن الكتلة في تجميع الروبوت ، أو عدم التوازن المعماري أو الكهربائي في محركات التيار المستمر أو الاتجاه العشوائي لعجلة التشغيل الأمامية الحرة. اتخذ خطوة واحدة.. صحح اتجاهك … تقدم للأمام. يتحرك الروبوت أيضًا للخلف إذا كان يسافر أكثر من الطول المبرمج لهذا المقطع الخطي المعين.. يعتمد طول الخطوة التالية على المسافة المتبقية التي يجب تغطيتها من مقطع الخط المستقيم المحدد. يأخذ الروبوت خطوات كبيرة عندما تكون المسافة التي يجب قطعها أكبر ويأخذ خطوات أصغر بالقرب من الوجهة (أي نهاية كل مقطع خط مستقيم). ينقل oblu البيانات إلى Arduino والهاتف (عبر البلوتوث) في وقت واحد. يقوم Xoblu (تطبيق Android) بإجراء بعض العمليات الحسابية البسيطة لإنشاء المسار بناءً على معلومات الحركة الواردة من الروبوت ، والتي تُستخدم للتتبع في الوقت الفعلي على الهاتف. (تم توضيح بناء المسار باستخدام Xoblu في الصورة الثانية).

باختصار ، يستشعر oblu الحركة وينقل معلومات الحركة إلى Arduino والهاتف على فترات منتظمة. استنادًا إلى المسار المبرمج ومعلومات الحركة (المرسلة بواسطة oblu) ، يتحكم Arduino في حركات العجلات. لا يتم التحكم في حركة الروبوت عن بعد باستثناء أوامر البدء / الإيقاف.

للحصول على البرامج الثابتة لـ oblu قم بزيارة

للحصول على كود Aurduino للروبوت ، تفضل بزيارة

الخطوة 7: نمذجة المسار

يمكن التحكم في الروبوت بشكل أفضل إذا كان يسير في مقاطع خط مستقيم فقط. لذلك ، يجب أولاً نمذجة المسار كمجموعة من مقاطع الخطوط المستقيمة. تحتوي الصور على مثالين للمسارات وتمثيلاتها من حيث الإزاحة والاتجاه. هذه هي الطريقة التي تتم بها برمجة المسار في Arduino.

وبالمثل ، يمكن تعريف أي مسار يتكون من مجموعة من مقاطع الخط المستقيم وبرمجته في Arduino.

الخطوة 8: تجميع الدائرة

مخطط تكامل نظام المستوى الأعلى. Arduino و oblu جزء من تجميع الأجهزة. يستخدم UART للتواصل بين Arduino و oblu. (يرجى ملاحظة اتصال Rx / Tx.) اتجاه تدفق البيانات هو للإشارة فقط. تتصل مجموعة الأجهزة بالكامل بالهاتف الذكي (Xoblu) باستخدام البلوتوث.

الخطوة 9: مخطط الدائرة

التوصيلات الكهربائية المفصلة بين Arduino و oblu وسائق المحرك وحزمة البطارية.

الخطوة 10: بروتوكول الاتصال:

فيما يلي كيفية إجراء اتصال البيانات بين مستشعر oblu المثبت على الروبوت والهاتف الذكي ، أي Xoblu:

الخطوة 1: يرسل Xoblu أمر START إلى الخطوة 2: يقر oblu باستلام الأمر عن طريق إرسال ACK المناسب إلى Xoblu الخطوة 3: يرسل oblu حزمة بيانات تحتوي على معلومات الإزاحة والتوجيه لكل خطوة ، في كل خطوة ، إلى Xoblu. (الخطوة = عند اكتشاف عدم وجود حركة أو اكتشاف حالة توقف تام). الخطوة 4: يقر Xoblu باستلام آخر حزمة بيانات عن طريق إرسال ACK المناسب إلى oblu. (تتكرر دورة الخطوتين 3 و 4 حتى يرسل Xoblu STOP. عند تلقي أمر STOP ، ينفذ oblu الخطوة 5) الخطوة 5: توقف - (1) إيقاف المعالجة في oblu (2) أوقف جميع المخرجات في oblu ، يرجى الرجوع إلى مذكرة التطبيق الخاصة بـ oblu للحصول على تفاصيل START و ACK و DATA و STOP

الخطوة 11: كيف يعمل "oblu" IMU (اختياري):

تقديم بعض المراجع حول نظرة عامة على oblu والمبدأ الأساسي لتشغيل مستشعرات PDR المثبتة على القدم:

يتم توجيه شفرة المصدر المتاحة لـ oblu نحو التنقل المثبت على الأقدام. ومن الأفضل تحسينه لهذا الغرض. يغطي الفيديو أدناه مبدأ التشغيل الأساسي:

فيما يلي مقالتان بسيطتان حول أجهزة استشعار PDR المثبتة على الأقدام: 1. تتبع خطواتي

2. استمر في تتبع خطواتي

يمكنك الرجوع إلى هذا المستند للحصول على تفاصيل حول حساب موت المشاة باستخدام مستشعرات القدم.

الخطوة 12: قم بزيارة "oblu.io" (اختياري)

شاهد الفيديو عن التطبيقات الممكنة لـ "oblu":

---------------- يرجى مشاركة ملاحظاتك واقتراحاتك وترك التعليقات. أطيب التمنيات!

الخطوة 13: المكونات

1 oblu (منصة تطوير IMU مفتوحة المصدر)

1 مجموعة هيكل صندوق بطارية السيارة الذكية ذات المحرك الذكي لتقوم بها بنفسك جهاز تشفير السرعة لاردوينو

1 لوح توصيل غير ملحوم بنصف حجم

1 ذكر / أنثى الأسلاك الطائر

2 مكثف 1000 درجة فهرنهايت

1 برامج تشغيل محركات تكساس إنسترومنتس Dual H-Bridge L293D

1 Arduino Mega 2560 & Genuino Mega 2560

4 Amazon Web Services AA 2800 Ni-MH قابلة لإعادة الشحن