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.

IO_expansion_bridge.

Modul sledovania čiary je umiestnený na prvej akrylovej časti autíčka a upevnený skrutkami. Napája sa rovno do rozširovacej dosky, ktorá je umiestnená úplne hore na autíčku.

IR senzor.

Spôsob napájania autíčka sme si zvolili cez spôsob power banky. Má na seba vybudované on/off tlačidlo a nabíja sa cez Micro USB. Tým pádom sme ušetrili na nabíjačke pre batérie.

Powerbanka.

Arduino_uno.

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>

// Line Tracking IO define
#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 80
#define ROTATION_SPEED 180
#define STOP_DURATION 1000
#define LINE_DETECTED_THRESHOLD 700

volatile unsigned long millis_count = 0;
volatile unsigned long lastLineTime = 0; // Deklarácia premennej lastLineTime

// Function prototypes
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);  // Left wheels forward
    PORTB |= (1 << IN4);  // Right wheels forward
    PORTB &= ~(1 << IN2);
    PORTB &= ~(1 << IN3);
}

void Mleft() {
    OCR0A = ROTATION_SPEED;
    OCR0B = ROTATION_SPEED;
    PORTB |= (1 << IN2);  // Left wheels backward
    PORTB |= (1 << IN4);  // Right wheels forward
    PORTD &= ~(1 << IN1);
    PORTB &= ~(1 << IN3);
}

void Mright() {
    OCR0A = ROTATION_SPEED;
    OCR0B = ROTATION_SPEED;
    PORTD |= (1 << IN1);  // Left wheels forward
    PORTB |= (1 << IN3);  // Right wheels backward
    PORTB &= ~(1 << IN2);
    PORTB &= ~(1 << IN4);
}

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

void setup() {
    // Set input/output pins direction
    DDRD &= ~((1 << PD2) | (1 << PD4)); // Set PD2, PD4 as inputs
    DDRB &= ~(1 << PB2); // Set PB2 as input
    DDRD |= ((1 << ENA) | (1 << ENB) | (1 << IN1)); // Set PD5-PD7 as outputs
    DDRB |= ((1 << IN2) | (1 << IN3) | (1 << IN4)); // Set PB0-PB1 as outputs

    // Initialize timer for millis()
    TCCR0A |= (1 << WGM01);    // CTC mode
    OCR0A = 249;                // 1ms at 16MHz
    TIMSK0 |= (1 << OCIE0A);    // Enable compare match interrupt
    sei();                      // Enable global interrupts
    TCCR0B |= (1 << CS01) | (1 << CS00); // Start Timer0 with prescaler 64

    // PWM setup for ENA and ENB pins (OC0A and OC0B)
    TCCR0A |= (1 << COM0A1) | (1 << COM0B1); // Non-inverting mode for OC0A and OC0B
    TCCR0A |= (1 << WGM00) | (1 << WGM01);   // Fast PWM mode
    TCCR0B |= (1 << CS01);                   // Set prescaler to 8 for PWM frequency around 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 stav "bez čiary" trvá viac ako 700ms
        if(millis_count - lastLineTime > 700) { // Opravené: millis() -> millis_count
            stop(); // Zmena smeru na left
            _delay_ms(1000); // Čakanie na zmenu smeru
            if(LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak je zaznamenaná čiara, ukonči tento manéver
            Mleft(); // Ak nie, pokračuj s manévrom Mleft
            _delay_ms(120); // Čakanie na dokončenie manévru Mleft
            if(LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak je zaznamenaná čiara, ukonči tento manéver
            Mleft(); // Ak nie, pokračuj s manévrom Mleft
            _delay_ms(100); // Čakanie na dokončenie manévru Mleft
            if(LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak je zaznamenaná čiara, ukonči tento manéver
            Mleft(); // Ak nie, pokračuj s manévrom Mleft
            _delay_ms(100);// Čakanie na dokončenie manévru Mleft
            if(LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak je zaznamenaná čiara, ukonči tento manéver
            Mright(); // Ak nie, pokračuj s manévrom Mright
            _delay_ms(400);
            stop();
            _delay_ms(1000); // Čakanie na dokončenie manévru Mright
            if(LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak je zaznamenaná čiara, ukonči tento manéver
            Mright(); // Ak nie, pokračuj s manévrom Mright
            _delay_ms(100); // Čakanie na dokončenie manévru Mright
            if(LT_L || LT_M || LT_R) return; // Ak je zaznamenaná čiara, ukonči tento manéver
            Mright(); // Ak nie, pokračuj s manévrom Mright
            _delay_ms(100); // Čakanie na dokončenie manévru Mright
        }
    } 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.