Rover Dikendalikan Gerakan Menggunakan Accelerometer dan Pasangan Pemancar-Penerima RF: 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:11

Hei, Pernah mahu membina rover yang boleh anda jalani dengan gerakan tangan yang sederhana tetapi tidak pernah dapat memperoleh keberanian untuk menceburkan diri dalam selok-belok pemprosesan gambar dan menghubungkan kamera web dengan mikrokontroler anda, belum lagi pertempuran yang sukar untuk mengatasi jarak dan garis yang buruk masalah penglihatan? Jangan takut … kerana ada jalan keluar yang mudah! Lihatlah, ketika saya mempersembahkan kepada anda ACCELEROMETER yang hebat! * ba dum tsss *

Accelerometer adalah alat yang sangat sejuk yang mengukur pecutan graviti di sepanjang paksi linear. Ini menunjukkan ini sebagai tahap voltan yang berubah-ubah antara tanah dan voltan bekalan, yang dibaca oleh mikrokontroler kita sebagai nilai analog. Sekiranya kita menggunakan otak kita sedikit (hanya sedikit matematik dan beberapa fizik Newton), bukan sahaja kita dapat menggunakannya untuk mengukur gerakan linier di sepanjang paksi, tetapi kita juga dapat menggunakannya untuk menentukan sudut kemiringan dan getaran akal. Jangan risau! Kami tidak memerlukan matematik atau fizik; kita hanya akan berurusan dengan nilai mentah yang dipercepat oleh pecutan. Sebenarnya, anda sebenarnya tidak perlu terlalu mementingkan teknikal pecutan untuk projek ini. Saya hanya akan menyentuh beberapa spesifik dan menghuraikan hanya sebanyak yang anda perlukan untuk memahami gambaran besarnya. Walaupun, jika anda berminat untuk mempelajari mekanik dalamannya, lihatlah di sini.

Anda hanya perlu mengingatnya buat masa ini: accelerometer adalah alat yang (sering digabungkan dengan giroskop) yang membuka pintu kepada semua permainan sensor gerakan yang kami mainkan di telefon pintar kami; permainan lumba kereta misalnya, di mana kita mengarahkan kenderaan hanya dengan memiringkan peranti kita ke kedua-dua arah. Dan, kita dapat meniru kesan ini dengan melekatkan pecutan (tentu saja dengan beberapa pembantu) ke sarung tangan. Kami hanya memakai sarung tangan sihir kami dan memiringkan tangan ke kiri atau kanan, ke depan atau ke belakang dan melihat penari kami menari mengikut rentak kami. Yang harus kita lakukan di sini adalah menerjemahkan bacaan akselerometer ke isyarat digital yang mana motor di rover dapat menafsirkan dan merancang mekanisme untuk menghantar isyarat ini ke rover. Untuk mencapainya, kami meminta ol 'Arduino dan pembantunya yang baik untuk percubaan hari ini, pasangan penerima-pemancar RF yang beroperasi pada 434MHz sehingga menghasilkan jarak sekitar 100-150m di ruang terbuka, yang juga menyelamatkan kita dari garis- masalah penglihatan.

Cukup hack, ya? Mari selami…

Langkah 1: Kumpulkan Bekalan Anda

• Arduino Nano	x1
• Accelerometer (ADXL335)	x1
• Motor + Roda 5V DC	x2 setiap satu
• Roda lembu *	x1
• Pemacu Motor L293D + soket IC 16 pin	x1 setiap satu
• Pemancar RF 434 MHz	x1
• Penerima RF 434 MHz	x1
• Soket IC HT-12E Encoder + 18 pin IC	x1 setiap satu
• Soket IC Decoder HT-12D + 18 pin IC	x1 setiap satu
• Pengatur Voltan LM7805	x1
• Suis tekan butang	x2
• Perintang LED merah + 330O	x2 setiap satu
• Perintang LED kuning + 330O	x1 setiap satu
• Perintang LED hijau + 330O (pilihan)	x4 setiap satu
• Perintang 51kO dan 1MO	x1 setiap satu
• Kapasitor Radial 10µF	x2
Bateri, Penyambung Baterai, Kabel USB, Kabel Jumper, Header Wanita, Terminal Skru 2-pin, PCB, Chasis dan Aksesori Pematerian biasa anda

Sekiranya anda tertanya-tanya mengapa kami menggunakan roda bovine, masalahnya adalah, modul pemancar dan penerima RF hanya mendapat 4 pin data, yang bermaksud bahawa kita hanya dapat menggerakkan 2 motor dan oleh itu penggunaan roda sapi untuk menyokong struktur. Walau bagaimanapun, jika anda merasakan bahawa rover anda akan kelihatan lebih sejuk dengan empat roda, jangan risau, ada jalan keluar! Dalam kes ini, gores roda sapi dari senarai dan tambahkan sepasang motor DC 5V lain, disertai dengan roda masing-masing, dan cari hack mudah yang dibincangkan menjelang akhir langkah 3.

Akhirnya, bagi yang berani, ada ruang untuk sedikit lagi pengubahsuaian dalam reka bentuk, yang agak melibatkan teknik Arduino anda sendiri. Pergi ke bahagian bonus pada langkah seterusnya dan lihat sendiri. Anda juga memerlukan beberapa bekalan tambahan: ATmega328P, soket IC 28pin, pengayun kristal 16Mhz, dua penutup seramik 22pF, pengatur voltan 7805 yang lain, dua lagi penutup radial 10μF dan perintang 10kΩ, 680Ω, 330Ω, dan ya, tolak orang Arduino!

Langkah 2: Wire Up Pemancar

Kami akan memecahkan projek kepada dua komponen: litar pemancar dan penerima. Pemancar terdiri dari akselerometer, Arduino dan modul pemancar RF yang digabungkan dengan IC pengekod HT-12E, semuanya dikabelkan berdasarkan skema yang dilampirkan.

Accelerometer, seperti yang diperkenalkan sebelumnya, berfungsi untuk mengenali gerak tangan kita. Kami akan menggunakan pecutan tiga paksi (pada dasarnya tiga akselerometer paksi tunggal dalam satu) untuk memenuhi keperluan kami. Ini dapat digunakan untuk mengukur percepatan dalam ketiga dimensi, dan seperti yang Anda duga, ia tidak menghasilkan satu, tetapi satu set tiga nilai analog relatif terhadap tiga paksi (x, y dan z). Sebenarnya, kita hanya memerlukan pecutan di sepanjang paksi x dan y kerana kita hanya dapat menggerakkan rover dalam empat arah: ke depan atau ke belakang (iaitu di sepanjang paksi y) dan kiri atau kanan (iaitu di sepanjang paksi x). Kami memerlukan paksi z jika kami membina drone, sehingga kami juga dapat mengawal kenaikan atau turunnya dengan gerakan. Walau bagaimanapun, nilai analog ini yang dihasilkan oleh akselerometer mesti ditukar menjadi isyarat digital agar dapat menggerakkan motor. Ini dijaga oleh Arduino yang juga mengirimkan isyarat ini, setelah ditukar, ke rover melalui modul pemancar RF.

Pemancar RF hanya mempunyai satu pekerjaan: untuk menghantar data "bersiri" yang tersedia pada pin 3 keluar antena pada pin 1. Ini menganjurkan penggunaan HT-12E, pengekod data selari-ke-siri 12 bit, yang mengumpulkan hingga 4 bit data selari dari Arduino pada garis AD8 hingga AD11, sehingga memungkinkan kita memberi ruang untuk 24 hingga 16 kombinasi I / O yang berbeza berbanding dengan pin data tunggal pada pemancar RF. Selebihnya 8 bit, diambil dari garis A0 hingga A7 pada pengekod, merupakan bait alamat, yang memudahkan memasangkan pemancar RF dengan penerima RF yang sesuai. 12 bit kemudian disatukan dan diselaraskan, dan diteruskan ke pin data pemancar RF, yang pada gilirannya, ASK memodulasi data ke gelombang pembawa 434MHz dan menembaknya melalui antena pada pin 1.

Secara konseptual, mana-mana penerima RF yang mendengar pada 434Mhz seharusnya dapat memintas, menyahkodkan dan menyahkod data ini. Walau bagaimanapun, garis alamat pada HT-12E, dan yang ada pada rakan sejawat HT-12D (penyahkod data bersiri hingga selari 12 bit), membolehkan kita menjadikan pasangan pemancar-penerima RF unik dengan menghantar data hanya ke penerima yang dimaksudkan sehingga menghadkan komunikasi dengan semua orang lain. Yang kita perlukan hanyalah mengkonfigurasi garis alamat secara sama di kedua-dua bahagian depan. Sebagai contoh, kerana kami telah membumikan semua baris alamat untuk HT-12E kami, kami mesti melakukan perkara yang sama untuk HT-12D di hujung penerimaan, jika tidak, rover tidak akan dapat menerima isyarat. Dengan cara ini, kita juga dapat mengawal beberapa rover dengan litar pemancar tunggal dengan mengkonfigurasi garis alamat pada HT-12D secara sama pada setiap penerima. Atau, kita boleh memakai dua sarung tangan, masing-masing dilekatkan dengan litar pemancar yang mengandungi konfigurasi garis alamat yang berbeza (katakanlah, satu dengan semua garis alamat dibumikan dan satu lagi dengan semua ditahan tinggi, atau satu dengan satu baris dibumikan sementara tujuh selebihnya ditahan tinggi dan yang lain dengan dua garisan dibumikan sementara enam selebihnya ditinggikan tinggi, atau kombinasi lain daripadanya) dan masing-masing mengemudi beberapa rover yang dikonfigurasi sama. Mainkan maestro di simfoni android!

Satu perkara penting yang perlu diberi perhatian semasa memasang litar adalah nilai Rosc. HT-12E mempunyai litar pengayun dalaman antara pin 15 dan 16, yang diaktifkan dengan menghubungkan perintang, yang disebut Rosc, di antara pin tersebut. Nilai yang dipilih untuk Rosc sebenarnya menentukan frekuensi pengayun, yang mungkin berbeza bergantung pada voltan bekalan. Memilih nilai yang sesuai untuk Rosc sangat penting untuk fungsi HT-12E! Sebaik-baiknya, frekuensi pengayun HT-12E mestilah 1/50 kali ganda daripada rakan sejawat HT-12D. Oleh itu, kerana kami beroperasi pada 5V, kami memilih perintang 1MΩ dan 51kΩ sebagai Rosc untuk litar HT-12E dan HT-12D. Sekiranya anda merancang untuk mengendalikan litar pada voltan bekalan yang berbeza, lihat grafik "Frekuensi Oscillator vs Voltan Bekalan" pada halaman 11 lembar data HT-12E yang dilampirkan untuk menentukan frekuensi dan perintang pengayun yang tepat yang akan digunakan.

Sebagai catatan, kami akan menggunakan header wanita di sini (melayani tujuan yang serupa dengan soket IC) untuk memasang akselerometer, pemancar RF dan Arduino di litar, bukan secara langsung menyoldernya ke PCB. Tujuannya adalah untuk menggunakan komponen yang boleh digunakan semula. Katakanlah, sudah lama anda membuat rover yang dikendalikan oleh isyarat anda dan hanya duduk di sana, separuh ditutup dengan debu, di atas rak piala anda dan anda tersandung pada petunjuk hebat lain yang memanfaatkan keberkesanan pecutan. Jadi apa yang anda lakukan? Anda hanya mengeluarkannya dari rover anda dan memasukkannya ke litar baru anda. Tidak perlu memanggil "Amazon" untuk mendapatkan yang baru:-p

Bonus: Hapuskan Arduino, tetapi Jangan

Sekiranya anda merasa sedikit lebih berani, dan terutamanya jika anda berfikir bahawa menghabiskan keajaiban yang dirancang dengan indah ini (tentu saja Arduino) untuk tugas remeh seperti tugas kita sedikit berlebihan, tahan dengan saya sedikit lebih lama; dan jika tidak, sila lompat ke langkah seterusnya.

Matlamat kami di sini adalah untuk menjadikan Arduino (otak Arduino, sebenarnya; ya, saya bercakap mengenai ATmega IC!) Anggota tetap pasukan. ATmega akan diprogram untuk menjalankan hanya satu sketsa berulang-ulang sehingga dapat berfungsi sebagai bahagian litar yang berterusan, seperti HT-12E-sebuah IC semata-mata, hanya duduk di sana, melakukan apa yang seharusnya. Bukankah ini bagaimana seharusnya sistem embedded sebenar?

Bagaimanapun, untuk meneruskan peningkatan ini, ubah suai litar seperti pada skema kedua yang dilampirkan. Di sini, kita ganti header wanita untuk Arduino dengan soket IC untuk ATmega, tambahkan resistor penarik 10K pada pin reset (pin 1) IC dan pam dengan jam luaran antara pin 9 dan 10 Sayangnya, jika kita menghilangkan Arduino, kita juga melepaskan pengatur voltan terbina dalam; ergo, kita mesti meniru litar LM7805 yang kita gunakan untuk penerima di sini juga. Selain itu, kami juga menggunakan pembahagi voltan untuk menarik 3.3V yang diperlukan untuk menghidupkan pecutan.

Kini, satu-satunya tangkapan lain di sini ialah memprogram ATmega untuk menjalankan tugasnya. Anda harus menunggunya sehingga langkah 4. Oleh itu, nantikan…

Langkah 3: Dan, Penerima

Penerima terdiri daripada modul penerima RF yang digabungkan dengan IC dekoder HT-12D dan sepasang motor DC yang dikendalikan dengan bantuan pemandu motor L293D, semuanya disambung mengikut skema yang dilampirkan.

Satu-satunya tugas penerima RF adalah mendemodulasi gelombang pembawa (diterima melalui antena pada pin 1) dan membuat data "bersiri" yang diambil pada pin 7 dari mana ia diambil oleh HT-12D untuk deserialisasi. Sekarang, dengan anggapan bahawa garis alamat (A0 hingga A7) pada HT-12D dikonfigurasi sama dengan rakan HT-12E, 4 bit selari data diekstrak dan diteruskan, melalui garis data (D8 hingga D11) pada HT-12D, kepada pemandu motor, yang seterusnya menafsirkan isyarat ini untuk menggerakkan motor.

Sekali lagi, perhatikan nilai Rosc. HT-12D juga mempunyai rangkaian pengayun dalaman antara pin 15 dan 16, yang diaktifkan dengan menghubungkan perintang, yang disebut Rosc, di antara pin tersebut. Nilai yang dipilih untuk Rosc sebenarnya menentukan frekuensi pengayun, yang mungkin berbeza bergantung pada voltan bekalan. Memilih nilai yang sesuai untuk Rosc sangat penting untuk fungsi HT-12D! Sebaik-baiknya frekuensi pengayun HT-12D mestilah 50 kali ganda daripada rakan sejawat HT-12E. Oleh itu, kerana kami beroperasi pada 5V, kami memilih perintang 1MΩ dan 51kΩ sebagai Rosc untuk litar HT-12E dan HT-12D. Sekiranya anda merancang untuk mengendalikan litar pada voltan bekalan yang berbeza, lihat grafik "Frekuensi Oscillator vs Voltan Bekalan" pada halaman 5 lembar data HT-12D yang dilampirkan untuk menentukan frekuensi dan perintang pengayun yang tepat yang akan digunakan.

Juga, jangan lupa header wanita untuk penerima RF.

Secara pilihan, LED boleh disambungkan melalui arus perintang 330Ω ke setiap 4 pin data HT-12D untuk membantu menentukan bit yang diterima pada pin itu. LED akan menyala jika bit yang diterima adalah TINGGI (1) dan akan redup jika bit yang diterima adalah RENDAH (0). Sebagai alternatif, satu LED boleh diikat pada pin VT HT-12D (sekali lagi, melalui perintang penghad arus 330Ω), yang akan menyala sekiranya penghantaran yang sah.

Sekarang, jika anda mencari hack dengan motor yang saya bicarakan pada langkah pertama, sangat mudah! Kabelkan dua motor di setiap set secara selari seperti yang ditunjukkan dalam skema kedua. Ini berfungsi sebagaimana mestinya kerana motor di setiap set (motor depan dan belakang di kiri dan motor depan dan belakang di sebelah kanan) tidak pernah didorong ke arah yang bertentangan. Maksudnya, untuk memutar rover ke kanan, motor depan dan belakang di sebelah kiri mesti digerakkan ke depan dan motor depan dan belakang di sebelah kanan keduanya mesti digerakkan ke belakang. Begitu juga, untuk mempunyai rover membelok ke kiri, motor depan dan belakang di sebelah kiri mesti didorong ke belakang dan motor depan dan belakang di sebelah kanan mesti keduanya didorong ke depan. Oleh itu, adalah selamat untuk memasukkan pasangan voltan yang sama ke kedua-dua motor dalam satu set. Dan cara untuk menyelesaikannya adalah dengan menghubungkan motor mereka secara selari.

Langkah 4: Teruskan ke Kod

Tinggal satu perkara lagi yang perlu dilakukan untuk melancarkan perjalanan. Ya, anda berjaya meneka! (Saya harap anda melakukannya) Kami masih perlu menerjemahkan bacaan pecutan menjadi bentuk yang dapat ditafsirkan oleh pemandu motor untuk dapat menggerakkan motor. Sekiranya anda berfikir bahawa kerana pembacaan akselerometer adalah analog dan pemandu motor mengharapkan isyarat digital, kita harus menerapkan semacam ADC, baik, bukan secara teknikal, tetapi itulah yang perlu kita lakukan. Dan cukup mudah.

Kita tahu bahawa akselerometer mengukur pecutan graviti sepanjang paksi linier dan bahawa pecutan ini ditunjukkan sebagai tahap voltan yang berubah-ubah antara tanah dan voltan bekalan, yang dibaca oleh mikrokontroler kita sebagai nilai analog yang bervariasi antara 0 dan 1023. Tetapi, kerana kita Mengendalikan akselerometer pada 3.3V, disarankan agar kami menetapkan rujukan analog untuk ADC 10-bit (yang disatukan dalam ATmeaga di atas Arduino) hingga 3.3V. Itu akan menjadikan perkara lebih mudah difahami; walaupun, tidak banyak masalah untuk percubaan kecil kami walaupun tidak (kami hanya perlu mengubah kodnya sedikit). Namun, untuk melakukannya, kami hanya memasang pin AREF pada Arduino (pin 21 pada ATmega) ke 3.3V dan menandakan perubahan kod ini dengan memanggil analogReference (LUARAN).

Sekarang, ketika kita meletakkan pecutan rata dan analogBaca pecutan di sepanjang paksi x dan y (ingat? Kita hanya memerlukan dua paksi ini), kita mendapat nilai sekitar 511 (iaitu separuh jalan antara 0 dan 1023), yang hanya cara mengatakan bahawa terdapat 0 pecutan di sepanjang paksi ini. Daripada menggali butiran fakta, bayangkan ini sebagai paksi x dan y pada graf, dengan nilai 511 menunjukkan asal dan 0 dan 1023 titik akhir seperti yang digambarkan dalam gambar; arahkan pecutan sedemikian rupa sehingga pinnya menunjuk ke bawah dan dipegang lebih dekat dengan anda atau anda mungkin akan membalikkan / menukar paksi. Ini bermaksud, jika kita memiringkan akselerometer ke kanan, kita harus membaca nilai lebih besar dari 511 di sepanjang paksi-x, dan jika kita memiringkan akselerometer ke kiri, kita harus mendapat nilai lebih rendah dari 511 di sepanjang paksi-x. Begitu juga, jika kita memiringkan pecutan ke depan, kita harus membaca nilai yang lebih besar dari 511 di sepanjang paksi-y, dan jika kita memiringkan pecutan ke belakang, kita harus membaca nilai yang lebih rendah dari 511 di sepanjang paksi-y. Dan ini adalah bagaimana kita menyimpulkan, dalam kod, arah yang harus dilalui oleh rover. Tetapi ini juga bermaksud bahawa kita harus memastikan akselerometer benar-benar stabil dan sejajar dengan permukaan rata agar dapat membaca 511 di sepanjang kedua paksi agar rover diparkir pegun. Untuk meringankan tugas ini sedikit, kami menentukan ambang tertentu yang membentuk sempadan, seperti yang ditunjukkan oleh gambar, sehingga rover tetap pegun selagi pembacaan x dan y berada dalam batas dan kami pasti tahu bahawa rover mesti dipasang gerakan setelah ambang dilampaui.

Sebagai contoh, jika paksi-y membaca 543, kita tahu bahawa pecutan dimiringkan ke depan ergo kita mesti mengarahkan pemacu ke hadapan. Kami melakukan ini dengan menetapkan pin D2 dan D4 TINGGI dan pin D3 dan D5 RENDAH. Sekarang, kerana pin ini disambungkan terus ke HT-12E, sinyal bersiri dan mengeluarkan pemancar RF hanya untuk ditangkap oleh penerima RF yang duduk di rover, yang dengan bantuan HT-12D mendesialisasikan isyarat dan meneruskannya ke L293D, yang seterusnya menafsirkan isyarat ini dan menggerakkan motor ke hadapan

Anda mungkin mahu mengubah ambang ini, untuk menentukur kepekaan. Cara mudah untuk melakukannya adalah dengan hanya memasangkan akselerometer ke Arduino anda dan jalankan lakaran yang memancarkan bacaan x dan y ke monitor bersiri. Sekarang gerakkan accelerometer sedikit, lihat bacaan dan tentukan ambang.

Itu sahaja! Muat naik kod ke Arduino anda dan nikmati !! Atau, mungkin tidak begitu cepat:-(Sekiranya anda tidak melangkau bahagian bonus, memuat naik kod ke ATmega anda akan bererti lebih banyak kerja. Anda mempunyai dua pilihan:

Pilihan A: Gunakan peranti USB ke Serial seperti papan pemecah asas FTDI FT232. Cukup jalankan wayar dari header TTL ke pin yang sesuai di ATmega seperti pemetaan di bawah:

Pin di Breakout Board	Pin pada Pengawal Mikro
DTR / GRN	RST / Reset (Pin 1) melalui had 0.1µF
Rx	Tx (Pin 3)
Tx	Rx (Pin 2)
Vcc	+ 5v Keluaran
CTS	(tidak digunakan)
Gnd	Tanah

Sekarang, pasangkan satu hujung kabel USB ke papan pemecah dan yang lain ke dalam PC anda dan muat naik kod seperti biasa: lancarkan Arduino IDE, pilih port bersiri yang sesuai, tetapkan jenis papan, susun lakaran dan muat naik tekan.

Pilihan B: Gunakan UNO jika ada yang terbaring di suatu tempat. Cukup pasangkan ATmega anda ke UNO, muat naik kod seperti biasa, tarik IC keluar dan tolak kembali ke rangkaian pemancar. Semudah pai!

Salah satu daripada pilihan ini mesti berfungsi, dengan andaian anda cukup pintar untuk membakar bootloader sebelum menggunakan ATmega anda, atau, jika anda lebih pintar untuk membeli ATmega dengan bootloader sudah dipasang di tempat pertama. Sekiranya tidak, teruskan dan lakukan dengan mengikuti langkah-langkah yang digariskan di sini.

Dan, kita sudah selesai! Saya harap anda menikmati pengajaran yang panjang dan pelik ini. Sekarang, teruskan, selesaikan rover anda jika anda belum selesai, main dengannya sebentar dan kembali membanjiri bahagian komen di bawah dengan pertanyaan dan / atau kritikan yang membina.

Terima kasih

P. S. Sebab saya tidak memuat naik gambar projek siap adalah, kerana saya tidak menyiapkannya sendiri. Setengah jalan membinanya, saya memikirkan beberapa pembesaran, seperti kawalan kelajuan, penghindaran halangan dan mungkin sebuah LCD di rover, yang sebenarnya tidak begitu sukar jika kita menggunakan mikrokontroler pada kedua pemancar dan hujung penerima. Tetapi, mengapa tidak melakukannya dengan cara yang sukar ?! Oleh itu, saya sedang berusaha ke arah itu dan saya akan menghantar kemas kini sebaik sahaja ia membuahkan hasil. Namun, saya menguji kod dan reka bentuknya dengan bantuan prototaip cepat yang saya bina menggunakan modul dari salah satu projek saya sebelumnya; anda boleh melihat video di sini.