Automatické autíčko

Záverečný projekt predmetu MIPS / LS2024 - Daniel Diossy a Peter Brosz

Automatické autíčko sledujúce čiernu čiaru

Sledovanie čiary je základnou technikou používanou v rôznych odvetviach robotiky, vrátane priemyselných robotov, autonómnych vozidiel, ale aj v domácich aplikáciách, ako sú napríklad čistiace roboty. Táto technika umožňuje vozidlám efektívne navigovať v prostredí, kde sú k dispozícii jednoduché vizuálne orientačné body, ako je napríklad čiara na zemi.

V tejto práci sa zameriame na implementáciu sledovania čiary v prostredí AVR, pričom sa budeme venovať nielen samotnému algoritmu sledovania čiary, ale aj analýze vplyvu rôznych parametrov a technických obmedzení na výkon a spoľahlivosť systému. Na základe tejto analýzy budeme schopní navrhnúť a implementovať optimalizovaný algoritmus sledovania čiary, ktorý bude schopný účinne navigovať v rôznych prostrediach a podmienkach.

Použité komponenty.

Podvozok autíčka je z akrylu. Na upevnenie DC motorov sme použili pre každý motor 2 x M3 skrutky s vnútorným šesťhranovým závitom

DC motor.

L298N je vysokovýkonný modul ovládača motora na pohon jednosmerných a krokových motorov. Tento modul sa skladá z IC ovládača motora L298 a regulátora 78M05 5V a môže ovládať až 4 jednosmerné motory. Modul L298N sa nachádza v strede na spodnej akrylovej časti autíčka a je spojený so všetkými štyrmi motormi.

L298N.

Rozširovacia doska.

Sledovací modul čiary je umiestnený na prednej časti autíčka zo spodnej časti akrylu a je upevnený pomocou skrutiek.

IR senzor.

Spôsob napájania autíčka sme si zvolili cez spôsob power banky. Má v sebe vybudovaný on/off switch a jeho spôsob nabíjania je realizovaný pomocov Micro USB portu.

Powerbanka.

Arduino_uno.

Zoznam komponentov

Link na kit

Smart Robot Car Kit V4.0.

Kit obsahuje

Prikladám aj odkaz na niektoré súčiastky, ktoré možno zakúpiť samostatne, čo môže viesť k úspore peňazí. Treba mať na pamäti, že nie všetky súčiastky z odkazu sa zhodujú so súčiastkami v balíčku. Celková suma pri nákupu jednotlivých súčiastok je 40 €.

1x Arduino uno ELEGOO UNO R3 Board

1x L298N motor bridge L298N Motor Driver Board Module

4x DC motorček + kolesá Gear Motor Wheel Kit

2x Konštrukcia robota Smart Robot Chassis (motorčeky neodporúčam používať :D)

1x Rozširovacia doska (nie je potrebná)

1x Ultrazvukový senzor HC­SR04 Ultrasonic Sensor

1x Servo Micro Servo Motor

1x Bluetooth modul HC-05 Bluetooth

1x IR ovladač IR remote control

1x Senzor čiernej čiary line tracing module 5

1x Powerbanka

Zadanie úlohy

Rozhodli sme sa vytvoriť autíčko, ktoré bude schopné sledovať čiernu čiaru na zemi. Toto autíčko musí úspešne absolvovať celú dráhu, ktorá je zložená z rôznych zatáčok a prerušení čiary. Autíčko musí byť schopné ísť rovno, otočiť doľava, otočiť doprava a zastaviť sa podľa toho, ako číta čiaru a interpretuje ju pomocou IR senzorov.

Literatúra:

• Dokumentácia k autíčku
• Vyskúšajte si zmerať reakciu on-line

Popis autíčka

Analýza a opis riešenia

Autíčko je vybavené tromi infračervenými senzormi, ktoré sú umiestnené pod vozidlom a slúžia na sledovanie čiernej čiary na podložke. Tieto senzory fungujú na princípe odrazenia infračerveného signálu z IR LED diódy do fotodiódy. Keď je podklad pod autíčkom čierny, infračervený signál sa neodráža a fotodióda ho nezachytí, čo indikuje, že autíčko je na čiare. V prípade, že autíčko opustí svoju stanovenú dráhu (opustí čiernu čiaru), je programované tak, aby najprv zastavilo sekundu, aby sa uistilo o zmene dráhy. Po opustení čiernej čiary autíčko pokračuje rovno. Avšak ak sa autíčko nachádza mimo čiary viac ako 700 ms, začne vykonávať manéver na návrat na čiaru. Automaticky začne vykonávať jeden zo stanovených manévrov, ktoré ho navedú naspäť na sledovanú trasu. Tento algoritmus umožňuje autíčku efektívne sledovať čiaru a navigovať po stanovenej dráhe.

Prinip fungovania IR senzoru.

Postup ako sa robot vracia späť na dráhu je jednoduchý. V našom funguje aj tak že vedia obe ľavé kolesa sa otáčať jedným smerom a kolesa vpravo do protismeru takže je veľmi efektívny pri otáčaní a zatáčaní.

Prinip fungovania sledovania čiary.

Zapojenie je nasledovné:

Pin ENA (používaný na riadenie rýchlosti motorov) je pripojený k pinu 5 (PD5). Pin ENB (taktiež používaný na riadenie rýchlosti motorov) je pripojený k pinu 6 (PD6). Vstupné signály pre smer otáčania motorov IN1, IN2, IN3 a IN4 sú pripojené na nasledujúce piny: IN1 je pripojený k pinu 7 (PD7). IN2 je pripojený k pinu 8 (PB0). IN3 je pripojený k pinu 9 (PB1). IN4 je pripojený k pinu 11 (PB3). Senzor pre sledovanie čiary na strednej pozícii (LT_M) je pripojený k pinu 4 (PD4). Senzor pre sledovanie čiary na pravej pozícii (LT_R) je pripojený k pinu 2 (PD2). Senzor pre sledovanie čiary na ľavej pozícii (LT_L) je pripojený k pinu 10 (PB2).

Schéma zapojenia autíčka sledujúceho čiernu čiaru.

Algoritmus a program

Zdrojový kód do autíčka v prostredí AVR

AVR C-code

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/delay.h>

// Definícia vstupov pre sledovanie čiary
#define LT_R !(PIND & (1 << PD2))
#define LT_M !(PIND & (1 << PD4))
#define LT_L !(PINB & (1 << PB2))

#define ENA PD5
#define ENB PD6
#define IN1 PD7
#define IN2 PB0
#define IN3 PB1
#define IN4 PB3

#define CAR_SPEED 100
#define ROTATION_SPEED 180
#define STOP_DURATION 1000
#define LINE_DETECTED_THRESHOLD 700

volatile unsigned long millis_count = 0;
volatile unsigned long lastLineTime = 0; // Čas posledného zistenia čiary


void forward();
void Mleft();
void Mright();
void stop();
void setup();
void checkLineTracking();

ISR(TIMER0_COMPA_vect) {
    millis_count++;
}

void forward() {
    OCR0A = CAR_SPEED;
    OCR0B = CAR_SPEED;
    PORTD |= (1 << IN1);  
    PORTB |= (1 << IN4);
    PORTB &= ~(1 << IN2);
    PORTB &= ~(1 << IN3);
}

void Mleft() {
    OCR0A = ROTATION_SPEED;
    OCR0B = ROTATION_SPEED;
    PORTB |= (1 << IN2);  
    PORTB |= (1 << IN4);
    PORTD &= ~(1 << IN1);
    PORTB &= ~(1 << IN3);
}

void Mright() {
    OCR0A = ROTATION_SPEED;
    OCR0B = ROTATION_SPEED;
    PORTD |= (1 << IN1);  
    PORTB |= (1 << IN3);  
    PORTB &= ~(1 << IN2);
    PORTB &= ~(1 << IN4);
}

void stop() {
    OCR0A = 0;
    OCR0B = 0;
}

void setup() {
    // Nastavenie smeru vstupov/výstupov
    DDRD &= ~((1 << PD2) | (1 << PD4)); // PD2, PD4 sú vstupy
    DDRB &= ~(1 << PB2); // PB2 je vstup
    DDRD |= ((1 << ENA) | (1 << ENB) | (1 << IN1)); // PD5-PD7 sú výstupy
    DDRB |= ((1 << IN2) | (1 << IN3) | (1 << IN4)); // PB0-PB1 sú výstupy

    // Inicializácia časovača pre millis()
    TCCR0A |= (1 << WGM01);    // Režim CTC
    OCR0A = 249;                // 1 ms pri 16 MHz
    TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);    // Povolenie prerušenia pri porovnávaní
    sei();                      // Povolenie globálnych prerušení
    TCCR0B |= (1 << CS01) | (1 << CS00); // Spustenie časovača s predděličkou 64

    // Nastavenie PWM pre piny ENA a ENB (OC0A a OC0B)
    TCCR0A |= (1 << COM0A1) | (1 << COM0B1); // Nehlukový režim pre OC0A a OC0B
    TCCR0A |= (1 << WGM00) | (1 << WGM01);   // Režim rýchleho PWM
    TCCR0B |= (1 << CS01);                   // Nastavenie predděličky na 8 pre PWM frekvenciu približne 7,8 kHz
}

void checkLineTracking() {
    if (LT_M) {
        forward();
        millis_count = 0;
    } else if (LT_R) {
        Mleft();
        while (LT_R);
    } else if (LT_L) {
        Mright();
        while (LT_L);
    } else if (!LT_L && !LT_M && !LT_R) { 
        // Ak nedetekuje čiaru viac ako 700 ms
        if (millis_count - lastLineTime > 700) {
            stop(); // Zastaviť a otáčať doľava
            _delay_ms(1000); // Čakanie na otáčanie
            if (LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak sa zistí čiara, ukončiť manéver
            Mleft(); // Pokračovať s otáčaním doľava
            _delay_ms(120); // Čakanie na dokončenie otáčania
            if (LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak sa zistí čiara, ukončiť manéver
            Mleft(); // Pokračovať s otáčaním doľava
            _delay_ms(100); // Čakanie na dokončenie otáčania
            if (LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak sa zistí čiara, ukončiť manéver
            Mleft(); // Pokračovať s otáčaním doľava
            _delay_ms(100); // Čakanie na dokončenie otáčania
            if (LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak sa zistí čiara, ukončiť manéver
            Mright(); // Pokračovať s otáčaním doprava
            _delay_ms(400);
            stop();
            _delay_ms(1000); // Čakanie na dokončenie otáčania
            if (LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak sa zistí čiara, ukončiť manéver
            Mright(); // Pokračovať s otáčaním doprava
            _delay_ms(100); // Čakanie na dokončenie otáčania
            if (LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak sa zistí čiara, ukončiť manéver
            Mright(); // Pokračovať s otáčaním doprava
            _delay_ms(100); // Čakanie na dokončenie otáčania
        }
    } else {
        forward();
        millis_count = 0;
    }
}

int main() {
    setup();

    for (;;) {
        checkLineTracking();
    }

    return 0;
}

Zdrojový kód: Autonomne_auticko.zip

Overenie

Autonómne riadené autíčko vyžaduje iba manuálnu aktiváciu napájania, pričom všetky ďalšie operácie sa vykonávajú automatizovane. Ovládanie auta nevyžaduje žiadne interakcie s užívateľom, keďže jeho činnosť je plne automatizovaná. Po aktivácii napájania autíčko automaticky spúšťa sledovanie a reakciu na čiernu čiaru na podložke podľa integrovaného algoritmu riadenia. Priemerný čas prejdenia trasy autíčka je 45 sekúnd.

Autíčko.

Autíčko

Autíčko

Video:

Kľúčové slová 'Category', ktoré sú na konci stránky nemeňte.