Robot suiveur de mur de bricolage : 9 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Dans ce Instructable, nous expliquerons comment concevoir un système de détection et d'évitement d'obstacles à l'aide d'un GreenPAK ™ avec quelques capteurs externes à ultrasons et infrarouges (IR). Cette conception introduira certains sujets nécessaires aux systèmes robotiques autonomes et artificiellement intelligents.

Ci-dessous, nous avons décrit les étapes nécessaires pour comprendre comment la solution a été programmée pour créer un robot suiveur de mur. Cependant, si vous souhaitez simplement obtenir le résultat de la programmation, téléchargez le logiciel GreenPAK pour afficher le fichier de conception GreenPAK déjà complété. Branchez le kit de développement GreenPAK à votre ordinateur et appuyez sur programme pour créer le robot suivant le mur.

Étape 1: Énoncé du problème

Il y a eu récemment un regain d'intérêt pour l'intelligence artificielle, et une grande partie de cet intérêt est dirigée vers des machines entièrement autonomes et intelligentes. De tels robots peuvent minimiser la responsabilité humaine et étendre l'automatisation à des domaines tels que les services publics et la défense. Les chercheurs en IA tentent d'automatiser des services tels que la lutte contre les incendies, les soins médicaux, la gestion des catastrophes et les tâches de sauvetage grâce à des véhicules robotiques autonomes. Un défi que ces véhicules doivent surmonter est de savoir comment détecter et éviter avec succès les obstacles tels que les décombres, le feu, les pièges, etc.

Étape 2: Détails de la mise en œuvre

Dans ce Instructable, nous utiliserons un capteur à ultrasons, une paire de capteurs de détection d'obstacles IR, un circuit de commande de moteur (L298N), quatre moteurs à courant continu, des roues, un squelette de voiture à 4 roues motrices et une puce GreenPAK SLG46620V.

Une broche de sortie numérique du contrôleur GreenPAK est utilisée pour déclencher le capteur à ultrasons (aka sonar), et une broche d'entrée numérique est utilisée pour collecter l'écho résultant des obstacles devant pour analyse. La sortie du capteur de détection d'obstacle IR est également observée. Après application d'un ensemble de conditions, si un obstacle est trop proche, les moteurs (connectés à chacune des 4 roues) sont réglés pour éviter la collision.

Étape 3: Explication

Le robot autonome d'évitement d'obstacles doit être capable à la fois de détecter les obstacles et d'éviter les collisions. La conception d'un tel robot nécessite l'intégration de différents capteurs, tels que des capteurs de choc, des capteurs infrarouges, des capteurs à ultrasons, etc. En montant ces capteurs sur le robot, il peut obtenir des informations sur la zone environnante. Un capteur à ultrasons convient à la détection d'obstacles pour un robot autonome se déplaçant lentement, car il a un faible coût et une portée relativement élevée.

Un capteur à ultrasons détecte les objets en émettant une courte rafale d'ultrasons, puis en écoutant l'écho. Sous le contrôle d'un microcontrôleur hôte, le capteur émet une courte impulsion de 40 kHz. Cette impulsion voyage dans l'air jusqu'à ce qu'elle frappe un objet, puis est réfléchie vers le capteur. Le capteur fournit un signal de sortie à l'hôte qui se termine lorsque l'écho est détecté. De cette façon, la largeur de l'impulsion renvoyée est utilisée pour calculer la distance à l'objet.

Ce véhicule robotique d'évitement d'obstacles utilise un capteur à ultrasons pour détecter les objets sur son chemin. Les moteurs sont connectés via un circuit intégré de commande de moteur au GreenPAK. Le capteur à ultrasons est fixé à l'avant du robot et les deux capteurs de détection d'obstacles IR sont fixés sur les côtés gauche et droit du robot pour détecter les obstacles latéraux.

Lorsque le robot se déplace sur la trajectoire souhaitée, le capteur à ultrasons transmet en continu des ondes ultrasonores. Chaque fois qu'un obstacle se trouve devant le robot, les ondes ultrasonores sont réfléchies par l'obstacle et cette information est transmise au GreenPAK. Simultanément, les capteurs IR émettent et reçoivent des ondes IR. Après avoir interprété les entrées des capteurs à ultrasons et IR, le GreenPAK contrôle les moteurs de chacune des quatre roues.

Étape 4: Description de l'algorithme

Au démarrage, les quatre moteurs sont allumés simultanément, faisant avancer le robot. Ensuite, le capteur à ultrasons envoie des impulsions depuis l'avant du robot à intervalles réguliers. En cas d'obstacle, les impulsions sonores sont réfléchies et détectées par le capteur. La réflexion des impulsions dépend de l'état physique de l'obstacle: s'il est de forme irrégulière, alors les impulsions réfléchies seront moins nombreuses; si elle est uniforme, alors la plupart des impulsions transmises seront réfléchies. La réflexion dépend aussi de la direction de l'obstacle. S'il est légèrement incliné ou placé parallèlement au capteur, la plupart des ondes sonores passeront sans réflexion.

Lorsqu'un obstacle est détecté devant le robot, les sorties latérales des capteurs IR sont observées. Si un obstacle est détecté du côté droit, les pneus du côté gauche du robot sont désactivés, le faisant tourner vers la gauche, et vice versa. Si un obstacle n'est pas détecté, alors l'algorithme est répété. L'organigramme est présenté à la figure 2.

Étape 5: Capteur à ultrasons HC-SR04

Un capteur à ultrasons est un appareil qui peut mesurer la distance à un objet en utilisant des ondes sonores. Il mesure la distance en envoyant une onde sonore à une fréquence spécifique et en écoutant cette onde sonore rebondir. En enregistrant le temps écoulé entre l'onde sonore générée et le rebond de l'onde sonore, il est possible de calculer la distance entre le capteur sonar et l'objet. Le son voyage dans l'air à environ 344 m/s (1129 pi/s), vous pouvez donc calculer la distance jusqu'à l'objet à l'aide de la formule 1.

Le capteur à ultrasons HC-SR04 se compose de quatre broches: Vdd, GND, Trigger et Echo. Chaque fois qu'une impulsion du contrôleur est appliquée à la broche de déclenchement, le capteur émet une onde ultrasonore à partir d'un « haut-parleur ». Les ondes réfléchies sont détectées par le « récepteur » et sont retransmises au contrôleur via la broche Echo. Plus la distance entre le capteur et un obstacle est longue, plus l'impulsion au niveau de la broche Echo sera longue. L'impulsion reste allumée pendant le temps nécessaire à l'impulsion du sonar pour se déplacer du capteur et revenir en arrière, divisé par deux. Lorsque le sonar est déclenché, une minuterie interne démarre et continue jusqu'à ce que l'onde réfléchie soit détectée. Ce temps est ensuite divisé par deux car le temps réel qu'il a fallu à l'onde sonore pour atteindre l'obstacle était la moitié du temps que la minuterie était en marche.

Le fonctionnement du capteur à ultrasons est illustré à la figure 4.

Afin de générer l'impulsion ultrasonore, vous devez régler le déclencheur sur un état ÉLEVÉ pendant 10 s. Cela enverra une rafale sonique à 8 cycles, qui se reflétera sur tout obstacle devant l'appareil et sera reçue par le capteur. La broche Echo affichera le temps (en microsecondes) que l'onde sonore a parcouru.

Étape 6: Module de capteur de détection d'obstacles infrarouge

Comme le capteur à ultrasons, le concept de base de la détection d'obstacles infrarouge (IR) est de transmettre un signal IR (sous forme de rayonnement) et d'observer sa réflexion. Le module de capteur IR est illustré à la Figure 6.

Caractéristiques

• Il y a un voyant d'obstacle sur le circuit imprimé
• Signal de sortie numérique
• Distance de détection: 2 ~ 30 cm
• Angle de détection: 35°
• Puce de comparaison: LM393
• Plage de distance de détection réglable via potentiomètre:

Dans le sens des aiguilles d'une montre: augmentez la distance de détection

○ Dans le sens inverse des aiguilles d'une montre: réduire la distance de détection

Caractéristiques

• Tension de fonctionnement: 3 – 5 V CC
• Type de sortie: Sortie de commutation numérique (0 et 1)
• Trous de vis de 3 mm pour un montage facile
• Dimensions de la planche: 3,2 x 1,4 cm

Indicateur de contrôle Description décrite dans le tableau 1.

Étape 7: Circuit de commande de moteur L298N

Le circuit de commande de moteur, ou pont en H, est utilisé pour contrôler la vitesse et la direction des moteurs à courant continu. Il a deux entrées qui doivent être connectées à une source d'alimentation CC séparée (les moteurs consomment un courant élevé et ne peuvent pas être alimentés directement par le contrôleur), deux ensembles de sorties pour chaque moteur (positif et négatif), deux broches d'activation pour chacun ensemble de sorties, et deux ensembles de broches pour le contrôle de direction de chaque sortie de moteur (deux broches pour chaque moteur). Si les deux broches les plus à gauche reçoivent des niveaux logiques HAUT pour une broche et BAS pour l'autre, le moteur connecté à la sortie gauche tournera dans un sens, et si la séquence logique est inversée (BAS et HAUT), les moteurs tourneront dans la direction opposée. La même chose s'applique aux broches les plus à droite et au moteur de sortie droit. Si les deux broches de la paire reçoivent des niveaux logiques HAUT ou BAS, les moteurs s'arrêteront.

Ce double pilote de moteur bidirectionnel est basé sur le très populaire CI de pilote de moteur à double pont en H L298. Ce module permet de contrôler facilement et indépendamment deux moteurs dans les deux sens. Il utilise les signaux logiques standard pour le contrôle et peut piloter des moteurs pas à pas biphasés, des moteurs pas à pas quadriphasés et des moteurs à courant continu biphasés. Il est doté d'un condensateur de filtrage et d'une diode de roue libre qui protège les appareils du circuit contre les dommages causés par le courant inverse d'une charge inductive, améliorant ainsi la fiabilité. Le L298 a une tension de pilotage de 5-35 V et un niveau logique de 5 V.

La fonction du pilote de moteur est décrite dans le tableau 2.

Le schéma fonctionnel montrant les connexions entre le capteur à ultrasons, le pilote de moteur et la puce GPAK est illustré à la figure 8.

Étape 8: Conception GreenPAK

Dans Matrix 0, l'entrée de déclenchement du capteur a été générée à l'aide de CNT0/DLY0, CNT5/DLY5, INV0 et de l'oscillateur. L'entrée de la broche Echo du capteur à ultrasons est lue à l'aide de Pin3. Trois entrées sont appliquées à 3 bits LUT0: une de l'Echo, une autre du Trigger et une troisième c'est l'entrée du Trigger retardée de 30 us. La sortie de cette table de correspondance est utilisée dans la matrice 1. La sortie des capteurs IR est également prise dans la matrice 0.

Dans Matrix 1, les ports P1 et P6 sont reliés entre eux et connectés à la broche 17, qui est connectée à la broche 1 du pilote de moteur. La broche 18 est toujours à un niveau logique BAS et est connectée à la broche 2 du pilote de moteur. De même, les ports P2 et P7 sont connectés ensemble et connectés à la broche 20 du GreenPAK, qui est connectée à P3 du circuit de commande du moteur. La broche 19 est connectée à la broche 4 du pilote de moteur et est toujours au niveau logique BAS.

Lorsque la broche Echo est HAUTE, cela signifie qu'un objet est devant le robot. Le robot vérifie ensuite les obstacles gauche et droit à partir des capteurs IR. Si un obstacle est également présent sur le côté droit du robot, alors il tourne à gauche, et si un obstacle est présent sur le côté gauche, alors il tourne à droite. De cette façon, le robot évite les obstacles et se déplace sans collision.

Conclusion

Dans ce Instructable, nous avons créé un simple véhicule automatique de détection et d'évitement d'obstacles en utilisant le GreenPAK SLG46620V comme élément de contrôle principal. Avec quelques circuits supplémentaires, cette conception pourrait être améliorée pour effectuer d'autres tâches telles que trouver un chemin vers un point spécifique, un algorithme de résolution de labyrinthe, un algorithme de suivi de ligne, etc.

Étape 9: Images du matériel