Automatické autíčko
Zo stránky SensorWiki
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.
Podvozok autíčka je z akrylu. Na upevnenie DC motorov sme použili pre každý motor 2 x M3 skrutky s vnútorným šesťhranovým závitom
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.
Sledovací modul čiary je umiestnený na prednej časti autíčka zo spodnej časti akrylu a je upevnený pomocou skrutiek.
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.
Zoznam komponentov:
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:
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.
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.
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).
Algoritmus a program
Zdrojový kód do autíčka v prostredí AVR
#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.
Video:
Kľúčové slová 'Category', ktoré sú na konci stránky nemeňte.