Robot de seguimiento de pared de bricolaje: 9 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

En este Instructable, explicaremos cómo diseñar un sistema de detección y evitación de obstáculos utilizando un GreenPAK ™ junto con algunos sensores externos ultrasónicos e infrarrojos (IR). Este diseño presentará algunos temas que son necesarios para los sistemas robóticos autónomos y artificialmente inteligentes.

A continuación, describimos los pasos necesarios para comprender cómo se ha programado la solución para crear un robot de seguimiento de pared. Sin embargo, si solo desea obtener el resultado de la programación, descargue el software GreenPAK para ver el archivo de diseño GreenPAK ya completado. Conecte el kit de desarrollo GreenPAK a su computadora y presione el programa para crear el robot que sigue la pared.

Paso 1: Declaración del problema

Recientemente se ha renovado el interés por la inteligencia artificial, y gran parte de ese interés se dirige hacia máquinas inteligentes y totalmente autónomas. Dichos robots pueden minimizar la responsabilidad humana y extender la automatización a campos como los servicios civiles y la defensa. Los investigadores de IA están intentando automatizar servicios como extinción de incendios, atención médica, gestión de desastres y tareas de salvamento a través de vehículos robóticos autónomos. Un desafío que deben superar estos vehículos es cómo detectar y evitar con éxito obstáculos como escombros, incendios, escollos, etc.

Paso 2: Detalles de implementación

En este Instructable, utilizaremos un sensor ultrasónico, un par de sensores de detección de obstáculos IR, un circuito de controlador de motor (L298N), cuatro motores de CC, ruedas, un esqueleto de automóvil con tracción en las 4 ruedas y un chip GreenPAK SLG46620V.

Se usa un pin de salida digital del controlador GreenPAK para activar el sensor ultrasónico (también conocido como sonar), y un pin de entrada digital se usa para recolectar el eco resultante de los obstáculos que se encuentran delante para su análisis. También se observa la salida del sensor de detección de obstáculos por infrarrojos. Después de aplicar una serie de condiciones, si un obstáculo está demasiado cerca, los motores (conectados a cada una de las 4 ruedas) se ajustan para evitar la colisión.

Paso 3: Explicación

El robot autónomo para evitar obstáculos debe ser capaz tanto de detectar obstáculos como de evitar colisiones. El diseño de un robot de este tipo requiere la integración de diferentes sensores, como sensores de golpes, sensores infrarrojos, sensores ultrasónicos, etc. Al montar estos sensores en el robot, puede obtener información sobre el área circundante. Un sensor ultrasónico es adecuado para la detección de obstáculos para un robot autónomo de movimiento lento, ya que tiene un costo bajo y un alcance relativamente alto.

Un sensor ultrasónico detecta objetos emitiendo una breve ráfaga ultrasónica y luego escuchando el eco. Bajo el control de un microcontrolador anfitrión, el sensor emite un pulso corto de 40 kHz. Este pulso viaja a través del aire hasta que golpea un objeto y luego se refleja de regreso al sensor. El sensor proporciona una señal de salida al host que termina cuando se detecta el eco. De esta manera, el ancho del pulso devuelto se usa para calcular la distancia al objeto.

Este vehículo robótico para evitar obstáculos utiliza un sensor ultrasónico para detectar objetos en su camino. Los motores están conectados a través de un controlador de motor IC al GreenPAK. El sensor ultrasónico está conectado a la parte delantera del robot y los dos sensores de detección de obstáculos por infrarrojos están conectados a los lados izquierdo y derecho del robot para detectar obstáculos laterales.

A medida que el robot se mueve en la ruta deseada, el sensor ultrasónico transmite continuamente ondas ultrasónicas. Siempre que hay un obstáculo frente al robot, las ondas ultrasónicas se reflejan en el obstáculo y esa información se transmite al GreenPAK. Simultáneamente, los sensores de infrarrojos emiten y reciben ondas de infrarrojos. Después de interpretar las entradas de los sensores infrarrojos y ultrasónicos, el GreenPAK controla los motores de cada una de las cuatro ruedas.

Paso 4: Descripción del algoritmo

Al inicio, los cuatro motores se encienden simultáneamente, lo que hace que el robot avance. A continuación, el sensor ultrasónico envía pulsos desde la parte delantera del robot a intervalos regulares. Si hay un obstáculo, los pulsos de sonido se reflejan y son detectados por el sensor. La reflexión de los pulsos depende del estado físico del obstáculo: si tiene una forma irregular, los pulsos reflejados serán menores; si es uniforme, la mayoría de los pulsos transmitidos se reflejarán. El reflejo también depende de la dirección del obstáculo. Si se inclina ligeramente o se coloca en paralelo con el sensor, la mayoría de las ondas sonoras pasarán sin reflejarse.

Cuando se detecta un obstáculo frente al robot, se observan las salidas laterales de los sensores de infrarrojos. Si se detecta un obstáculo en el lado derecho, los neumáticos del lado izquierdo del robot se desactivan, lo que hace que gire hacia la izquierda y viceversa. Si no se detecta un obstáculo, se repite el algoritmo. El diagrama de flujo se muestra en la Figura 2.

Paso 5: Sensor ultrasónico HC-SR04

Un sensor ultrasónico es un dispositivo que puede medir la distancia a un objeto usando ondas sonoras. Mide la distancia enviando una onda de sonido a una frecuencia específica y escuchando que esa onda de sonido rebote. Al registrar el tiempo transcurrido entre la generación de la onda de sonido y el rebote de la onda de sonido, es posible calcular la distancia entre el sensor de sonar y el objeto. El sonido viaja a través del aire a aproximadamente 344 m / s (1129 pies / s), por lo que puede calcular la distancia al objeto usando la Fórmula 1.

El sensor ultrasónico HC-SR04 consta de cuatro pines: Vdd, GND, Trigger y Echo. Siempre que se aplica un pulso del controlador al pin Trigger, el sensor emite una onda de ultrasonido desde un "altavoz". Las ondas reflejadas son detectadas por el "receptor" y se transmiten al controlador a través del pin Echo. Cuanto mayor sea la distancia entre el sensor y un obstáculo, más largo será el pulso en el pin Echo. El pulso permanece encendido durante el tiempo que tarda el pulso de la sonda en viajar desde el sensor y regresar, dividido por dos. Cuando se activa la sonda, se inicia un temporizador interno y continúa hasta que se detecta la onda reflejada. Luego, este tiempo se divide por dos porque el tiempo real que tardó la onda de sonido en alcanzar el obstáculo fue la mitad del tiempo que el temporizador estaba encendido.

El funcionamiento del sensor ultrasónico se ilustra en la Figura 4.

Para generar el pulso ultrasónico, debe configurar el disparador en un estado ALTO durante 10 μs. Eso enviará una ráfaga sónica de 8 ciclos, que se reflejará en cualquier obstáculo frente al dispositivo y será recibida por el sensor. El pin Echo generará el tiempo (en microsegundos) que viajó la onda de sonido.

Paso 6: Módulo sensor de detección de obstáculos por infrarrojos

Al igual que el sensor de ultrasonido, el concepto básico de detección de obstáculos por infrarrojos (IR) es transmitir una señal de infrarrojos (en forma de radiación) y observar su reflejo. El módulo del sensor de infrarrojos se muestra en la Figura 6.

Características

• Hay una luz indicadora de obstáculos en la placa de circuito.
• Señal de salida digital
• Distancia de detección: 2 ~ 30 cm
• Ángulo de detección: 35 °
• Chip comparador: LM393
• Rango de distancia de detección ajustable mediante potenciómetro:

○ En el sentido de las agujas del reloj: aumenta la distancia de detección

○ En sentido antihorario: reducir la distancia de detección

Especificaciones

• Voltaje de funcionamiento: 3-5 V CC
• Tipo de salida: salida de conmutación digital (0 y 1)
• Orificios para tornillos de 3 mm para un montaje sencillo
• Tamaño del tablero: 3,2 x 1,4 cm

Descripción del indicador de control descrita en la Tabla 1.

Paso 7: Circuito del controlador del motor L298N

El circuito del controlador del motor, o puente en H, se utiliza para controlar la velocidad y la dirección de los motores de CC. Tiene dos entradas que deben conectarse a una fuente de alimentación de CC separada (los motores consumen mucha corriente y no se pueden suministrar directamente desde el controlador), dos conjuntos de salidas para cada motor (positivo y negativo), dos pines de habilitación para cada juego de salidas y dos juegos de pines para el control de dirección de cada salida del motor (dos pines para cada motor). Si los dos pines más a la izquierda tienen niveles lógicos ALTO para un pin y BAJO para el otro, el motor conectado a la salida izquierda girará en una dirección, y si la secuencia de la lógica se invierte (BAJA y ALTA), los motores girarán en la dirección opuesta. Lo mismo se aplica a los pines más a la derecha y al motor de salida derecho. Si ambos pines del par tienen niveles lógicos ALTO o BAJO, los motores se detendrán.

Este controlador de motor dual bidireccional se basa en el popular controlador de motor de puente H dual L298 IC. Este módulo le permite controlar fácil e independientemente dos motores en ambas direcciones. Utiliza las señales lógicas estándar para el control y puede impulsar motores paso a paso de dos fases, motores paso a paso de cuatro fases y motores de CC de dos fases. Tiene un condensador de filtro y un diodo de rueda libre que protege los dispositivos en el circuito de ser dañados por la corriente inversa de una carga inductiva, mejorando la confiabilidad. El L298 tiene un voltaje de controlador de 5-35 V y un nivel lógico de 5 V.

La función del controlador del motor se describe en la Tabla 2.

El diagrama de bloques que muestra las conexiones entre el sensor ultrasónico, el controlador del motor y el chip GPAK se muestra en la Figura 8.

Paso 8: Diseño GreenPAK

En Matrix 0, la entrada de disparo para el sensor se generó usando CNT0 / DLY0, CNT5 / DLY5, INV0 y el oscilador. La entrada del pin Echo del sensor ultrasónico se lee usando Pin3. Se aplican tres entradas en LUT0 de 3 bits: una de Echo, otra de Trigger y una tercera que es la entrada de Trigger retrasada en 30 us. La salida de esta tabla de búsqueda se usa en la Matriz 1. La salida de los sensores de infrarrojos también se toma en la Matriz 0.

En Matrix 1, los puertos P1 y P6 están juntos y conectados al Pin17, que está conectado al Pin1 del controlador del motor. El pin 18 está siempre en una lógica BAJA y está conectado al pin 2 del controlador del motor. Del mismo modo, los puertos P2 y P7 están conectados en OR juntos y conectados al Pin20 de GreenPAK, que está conectado a P3 del circuito del controlador del motor. El pin 19 está conectado al pin 4 del controlador del motor y siempre está en lógica BAJA.

Cuando el pin Echo está ALTO, significa que un objeto está frente al robot. A continuación, el robot comprueba si hay obstáculos a la izquierda y a la derecha de los sensores de infrarrojos. Si también hay un obstáculo en el lado derecho del robot, gira a la izquierda, y si hay un obstáculo en el lado izquierdo, gira a la derecha. De esta forma, el robot evita obstáculos y se mueve sin colisión.

Conclusión

En este Instructable, creamos un vehículo de detección y evitación de obstáculos automático simple utilizando el GreenPAK SLG46620V como el elemento de control principal. Con algunos circuitos adicionales, este diseño podría mejorarse para realizar otras tareas, como encontrar un camino a un punto específico, un algoritmo de resolución de laberintos, un algoritmo de seguimiento de línea, etc.

Paso 9: Imágenes de hardware