超音波距離計を備えたシンプルなロボット

このトピックは、Arduino nanoに基づいたシンプルなロボットを作成することに専念しています。 読者は初心者であり、この問題の基本的な知識しか持っていないことが前提です。 私はすべてを可能な限り詳細かつ明確に述べようとしました。

タスクの概要

コンセプトから始めましょう。その経路で遭遇するすべての障害を回避しながら、部屋の周りを独立して移動できるロボットが必要です。
タスクが設定されました。 ショップに走り回っています！ 1）プラットフォーム。 そのようなオプションがあります：すべてを自分で行う、部品（タミヤなど）を購入してそこから組み立てる、または既製のものを購入する。 私は最後のオプションに決めました。 何らかの理由で、私は戦車、井戸、またはトラクターの眺めが好きで、最終的にこのオプション（ DFロボットのプラットフォーム）に決めました：



プラットフォーム（各トラックに1つのエンジン）とバッテリーコンパートメントが含まれます。
複雑なことは何もありません。さらに先に進みましょう。

距離計

ソナー（別名距離計、別名超音波モジュール）距離計としての選択は、最初は超音波と赤外線のどちらかでした。 超音波特性ははるかに優れており（最大範囲は約4〜5メートルで、30〜60 cm）、価格はほぼ同じであるため、選択は超音波で行いました。 最も一般的なモデルはHC-SR04です。



この果物の仕組みを理解するために、インターネット上にデータシートと十分な情報があります。
主なことを説明します。 写真は2つのシリンダーを示しています。 それらの1つは受信機で、もう1つは送信機です。 受信機は超音波を生成し、送信機は物体からの反射波を受信し、それについてお知らせください。 ボードには4つのピン（5V、GND、Trig、Echo）があります。
操作アルゴリズムは次のとおりです。

10μsの信号をTrigレッグに適用し 、ジェネレーターを起動して、トランスミッターに短いパルスのパケットを作成します（8個）。 さらに、受信機は反射信号を受信し、エコーレッグで矩形信号が生成されます。その長さは、パルスの放射と受信機によるパルスの検出の間の時間に比例します。

もちろん、音がレシーバーに到達するリアルタイムは1ペニーになります。 それからの距離を決定するには、簡単な式を使用できます。

s = vt / 2 、sは距離、vは音速、tは受信機で信号が受信された時間です。

さて、なぜ半分に分割するのか、誰もが理解していると思います。 この場合にのみ、この式は必要ありません。 プロセスの物理学を理解するためだけにここに持ってきます。
エコー出力からは、十分に長い持続時間で既に生成された信号が送られます。 データシートを見ると、再計算式が表示されます。s = t / 58 、sは距離、tはパルス幅Echo、sはセンチメートル単位の距離です。

さて、すべての基本を整理しました。 Arduinoの下のコードに移りましょう：

const int Trig = 3; //どのレッグと接続するかを示しますconst int Echo = 2;
ボイド設定（）
{
pinMode（Trig、OUTPUT）;
pinMode（エコー、入力）;
Serial.begin（9600）; //シリアルポートを初期化して、モニターに結果を表示します
}

unsigned int time_us = 0; //時間間隔を保存する変数
unsigned int distance_sm = 0; //距離をセンチメートルで保存する変数

ボイドループ（）
{
digitalWrite（Trig、HIGH）; //マイクロコントローラーの出力に信号を送信します
delayMicroseconds（10）; // 10マイクロ秒保持します
digitalWrite（Trig、LOW）; //次に削除します
time_us = pulseIn（エコー、高）; //パルス長を測定します
distance_sm = time_us / 58; //センチメートルに変換
Serial.print（distance_sm）; //ポートに出力
Serial.print（ ""）;
遅延（500）;
}

運転手

まあ、彼らはソナーでそれを整理しました。 続けましょう。
プラットフォームには2つのモーターが含まれています。 彼らは何らかの形で管理する必要があります。 どうやら-それらを直接接続してから、HIGHを与えてからLOWを与えて喜ぶ。 重要な「BUT」が1つあります。atmegaを使用すると、約40mAを超える電流は流れず、モーターには1桁以上必要です。

になる方法 最初に頭に浮かぶのは、マイクロコントローラーの出力にトランジスタを配置し、そこからモーターに給電することです。 これは確かに良いことですが、モーターを他の方向に始動したい場合には機能しません...しかし、Hブリッジは、トランジスタのペアよりも少し複雑な回路であり、このタスクをうまく行うことができます。 しかし、この場合、それらは既製の集積回路の形でいっぱいですので、自転車を発明する必要はないと思います-私たちは既製のものを購入します。 さらに、価格は2-3ドルです...

これらのデバイスについては、たとえばここで少し読むことができます 。

続けましょう。 これらの目的のために、私は自分でL293Dチップを購入しましたが、実際には後で説明します。 使いやすく、広く利用可能で、便利なDip16ケースがあります。
最大電流は比較的小さく（600 mA）、特定のタスクには十分です。 さらに必要な場合、たとえば、 L293B （1A）など...
私はほとんど忘れていましたが、このブリッジを使用すると、2つのモーターを両側に1つずつ接続できます。
彼とやり取りする方法を理解するために、私は良い記事を見つけました。それを使用します。

すべてがシンプルで明確です。 記事の最初の部分を注意深く研究したので、図の注視を止めます。



-実際には、データシートから取られたこのチップの包含回路。

簡単に彼女の足に行きます：

1）モーターの初期化1。 この脚にHIGHをかけるまで、他の部分で何をしても、モーターは動作しません。 1,2Eと書かれていますが、1つのモーターがあります。 混同しないでください。 実際には、1つのモーターを制御するには、マイクロコントローラーの2つの脚が必要であり、それに応じてH-ブリッジが必要です。 片方の足をHIGHに、もう一方の足をLOW-モーターを一方向に回転させます。 最初のLOW、2番目のHIGHに適用しましょう-反対に回転します。 両方のLOWに適用しましょう-停止します。
2） 1A 。 この区間では、マイクロコントローラーからの信号（低電流）を送信して、1つのモーター入力を制御します。
3） 1Y そして、これはモーターに直接送られる信号（高電流）です。 その外観では、入力1Aに供給される信号を完全に繰り返します。
4）-5） 地球
6） 2Yここで、モーターの2番目の脚を接続します。
7） 2Aモーターの2番目の入力を制御するためのマイクロコントローラーからの信号。
8）ここで、モーターが供給する電圧を印加します。 実際、この入力に与えるものは、レッグ1Y 、 2Yでロック解除されます。
9）-16）最初の8つと完全に類似していますが、2番目のモーターについてです。

次に、包含回路：





モーターがオンになっているときの電力サージを除去するために、以下に示すように、コンデンサを使用します。



最後に、上記のすべてを要約した私の小さなエディションで、ソースコードが提供されます。

const int motor1Pin = 3; // Hブリッジ脚1（ピン2、1A）
const int motor2Pin = 4; // Hブリッジ脚2（ピン7、2A）
const int enablePin = 9; // Hブリッジイネーブルピン
ボイド設定（）
{//出力として使用している他のすべてのピンを設定します。
pinMode（motor1Pin、OUTPUT）;
pinMode（motor2Pin、OUTPUT）;
pinMode（enablePin、OUTPUT）; // enablePinを高く設定して、モーターをオンにできるようにします。
digitalWrite（enablePin、HIGH）;
}

ボイドループ（）
{//モーターを一方向に回す
digitalWrite（motor1Pin、LOW）; // Hブリッジのレッグ1を低く設定します
digitalWrite（motor2Pin、HIGH）; // Hブリッジのレッグ2を高遅延（1000）に設定します; //そして、1秒後に別のdigitalWrite（motor1Pin、HIGH）; // Hブリッジのレッグ1を高く設定します
digitalWrite（motor2Pin、LOW）; // Hブリッジのレッグ2を低遅延（1000）に設定します;
//そして今、もう一度
}

サーボ

それで、レンジファインダーの仕事を見つけました。 続けましょう。 距離計が1つあります。前方と周囲の両方を見る必要があるので、何かの場合にどこを向くべきかを知ることができます。 これらの目的のために、サーボ（サーボ、サーボ、サーボ）を使用します。



これらのおもちゃは主に航空機のモデリングに使用されますが、ロボットにもほとんど使用されません。
このデバイスは、0〜180度の角度で回転できます。 ケースには3線ケーブルが付属しています。

黒-GND
赤-5V
白-信号

モーターはコントローラーによって制御されます（怖がらないでください-購入する必要はありません。既にサーボの内部にあります）。外部信号を受信すると、モーターが所定の角度だけ回転するように制御します。 これらの目的のために、モーターからコントローラーへのフィードバックが確立されます。これは、回転角に応じて抵抗値が変化する可変抵抗器です。 コントローラー自体は、入力パルス長によって制御されます。 通常：380-400μs-0度、2200μs-180度。 Arduinoの簡単なサーボ制御アルゴリズムを次に示します。

#define ServoPin 2 //この脚にサーボを接続します（白いワイヤー）
ボイド設定（）
{
pinMode（2、OUTPUT）;
}

void Servo_motion（int angle）//サーボ制御機能
{
int time = 390 + 10 *角度; //サーボに供給されるパルス長で指定された回転角度を再計算します//
digitalWrite（サーボピン、高）; //信号は消えました
delayMicroseconds（時間）; //指定された時間保持します
digitalWrite（サーボピン、LOW）; //オフにします
delayMicroseconds（20000時間）; //回転するサーボ時間を与えます（20000μs-50 Hz）
}

ボイドループ（）
{

for（int i = 0; i <= 180; i ++）
{
Servo_motion（i）; //スクロールサーボワンウェイ
遅延（10）; //各次数で10ミリ秒の遅延
}

for（int i = 180; i> = 0; i--）
{
Servo_motion（i）; //その後、他の方法
遅延（10）;
}

}

しかし、将来的には、特別なライブラリを使用してサーボを制御します。その説明は次のとおりです。

www.arduino.cc/en/Reference/Servo

arduino.cc/en/Tutorial/Sweep

この例（2つのリンク）は、上記のプログラムとまったく同じことを行います。 写真、写真、コメント付きのコードのカラフルな説明がありますので、特別な困難はないと思います。 このコードを確認するときは、デジタルポート9のサーボを再配置するか、そのコードの次の行を修正することを忘れないでください。

myservo.attach（9）; //ピン9のサーボをサーボオブジェクトに接続します

そして、何も動作しません。 最後に追加したいこと-この例は、上記のリンクとArduino開発環境の[例]タブの両方で利用できます。

組立

創造の組み立てに移りましょう。 ボードを作成しなかったため、残念ながら回路図はありません。 しかし、これは私たちをあまり妨げないと思います-スキームはシンプルで、すべてが明確です。 写真と小さなコメントで十分です。 この段階では、Arduino nanoが表示されます。これは、ご想像のとおり、以前のコードはすべて期待して作成されていたためです。 このデバイスを説明するのはかなり面倒で退屈な作業です。知らない人にとっては-リンク：

arduino.cc/en/Guide/HomePage
freeduino.ru/arduino/index.html
arduino.ru

それにもかかわらず、私は、以前のように、あなたは少なくともこのことをまだ少し経験している、または少なくともそれが何であるかを想像していると仮定します。 この場合、これで十分です。 それで、あまり多くの知識を得ないで、さらに食べます。
接続から始めましょう。 どの入力と接続したものをリストします。

4本の脚-Hブリッジの入力、各モーターに2本：
1A-11
2A-6
3A-10
4A-5

enablePin-12

1,2ENおよび3,4EN用の1本の脚-両方のモーターを個別に必要としないため、それらをまとめます。 原則として、一般的に、ブリッジのこれらの2本の足をArduinoに接続することはできませんが、それらに5Vを印加するだけです。

ソナー用の2本の脚：
トリガー-3
エコー-2

サーボフット：
サーボ-8

それだけです。 さらに、ロボットの組み立て中に1つの問題が発生しました。ロボットが定期的に停止し、Arduinoが再起動しました。 少し考えてみると、Arduino nanoは標準の安定装置からこのシステム全体（Hブリッジ、サーボ、ソナー）に電力を供給できないことに気付きました。 電圧安定器7805（L7805、LM7805）が私の助けになったからです。 このデバイスは使いやすく、入力（6〜35 V）、接地、出力（〜5V）の3本の脚があります。 Datashitは、インターネット上のどこにでもあります。 その土地、Arduinoの土地、それに応じてバッテリーのマイナスを組み合わせることによって。 私はこれをしました-Arduinoから私はHブリッジに給餌するだけで、スタビライザーから他のすべて（サーボ、ソナー）に給餌します。 その後、ロボットは故障することなく完全に動作し始めました。 はい、重要なルールを忘れないでください-どんなスキームの地球もすべての要素に共通でなければなりません！ モーター自体については、理解できると思います-バッテリーからブリッジ入力に電圧を供給します-Vcc2。 まあ、接続を理解したので、写真で上記を説明します：

スキーム全体：


電圧安定器（コンデンサを取り付ける必要はありません）：


ソナーケーブル：


H-ブリッジ：


デザイン自体について少し：フリルはありませんでした）。 プラットフォームにプラスチック製の蓋を切り、サーボを取り付けるための穴を開けました。 同じプラスチックから曲がっています（産業用ドライヤーで予熱）-形のブラケット。 ソナー自体が既に挿入されている4芯ケーブルが（PLSプラグの下に2.54 mm刻みで）接着されています。

プログラミング

それで、ロボットは組み立てられます。 最終段階であるファームウェアに進みます。 ここでは、このアルゴリズムの実装について説明します。 たとえば、ソナーを常に回転させるのではなく、障害物があるときに停止し、「周囲を見回して」、最適な方向を向くなど、すべてを大幅に簡略化できることに事前に注意します。 または、頭をまったく回さないでください。

さて、ここでは簡単な方法を探しませんが、最初のオプションが最も興味深くて面白いです。 以下のコードはもちろん湿っていますが、一部の場所では最適ではないかもしれません。 あなたのコメントや提案はすべて歓迎します。 それにも関わらず、このバージョンは現場で実証されています。 さあ、始めましょう。 コードを理解するのに最も便利な順序でコードの要点を概説します。

変数宣言：

ソナーアルゴリズムを実装するための変数は、unsigned int time_us = 0です。
ソナー距離-unsigned int distance_sm = 0;
この変数はループで使用され、ロボットの電源を入れたときに、その場所を「見回す」ことを確認し、次に移動します-
符号なし整数円= 0;
前の最も近いオブジェクトまでの距離はunsigned int dist_f = 0です。
左側の最も近いオブジェクトまでの距離は、unsigned int dist_l = 0です。
右側の最も近いオブジェクトまでの距離は、unsigned int dist_r = 0です。
45度の角度で最も近いオブジェクトまでの距離-unsigned int dist_45 = 0;
135度の角度で最も近いオブジェクトまでの距離-unsigned int dist_135 = 0;

ロボットの動きの最小ステップを定義する時定数（ms）。 実験的に選択。 ロボットの移動速度とサーボの回転速度に応じて、変更する必要があります。 後でそれが必要な理由がより明確になります-
unsigned int t = 15;

機能：

sonar（）-ソナーアルゴリズムを実装し、距離[cm]を返します。
前方（）、後方（）、右側（）、左側（）は基本的なモーション機能です。
動きを実装する主な機能は

ボイドモーション（char次元、int prev_angle、int next_angle、int time）
{
/ *この機能は、モーターとサーボの両方の回転を同時に制御します。
チャー次元-移動方向
int prev_angle-前のサーボ位置
int next_angle-サーボを設定したい位置
int time-ロボットの1つの動きのタイムステップ* /

//移動中に角度が変化する値-
int a;
if（next_angle> = prev_angle）
a = 15;
他に
a = -15;
if（次元== 'f'）
{
//前に進むと言うと、
int i = prev_angle;
while（i！= next_angle）
{
/ *設定角度に達するまで、ループ内の*によってサーボの現在位置を徐々に変更します
i + = a; myservo.write（i）; //そして、この値をサーボに渡します
転送（）; //その後、前進します
遅延（時間）; //時間間隔timeの間
}
}

/ *左、右、後方に移動して静止するための同様のアルゴリズム* /

...

}

void front_motion（int時間）
{
/ *オブジェクトが45度と135度の角度にある場合、ロボットを片側にわずかに「回転」させる機能* /
if（dist_45 <= 9）
{// 45度の角度でオブジェクトまでの距離が9 cm未満の場合、左に曲がる
左（）;
遅延（3 *時間）; // 3つの最小間隔中
}
/ *右に「曲がる」ための同様のアルゴリズム* /

...

}
void motion_back（int time）
{
/ *サーボを180度、180度の角度から回転させながら、ロボットを2時間後退させます* /
モーション（ 'b'、180.90.2 *時間）;
}
ボイドループ（）
{
//作業の最終アルゴリズムを実装するメイン関数
if（circle == 0）
{
//ロボットの電源を入れたばかりの場合、サーボを初期位置に設定します。
myservo.write（0）; //そして、側面を「見て回る」
dist_r =ソナー（）;
モーション（ 'w'、0.45、t）;
dist_45 =ソナー（）;
モーション（ 'w'、45.90、t）;
dist_f =ソナー（）;
モーション（ 'w'、90、135、t）;
dist_135 =ソナー（）;
モーション（ 'w'、135、180、t）;
dist_l =ソナー（）; } //このアクションはもう実行しません
サークル++; 私は
f（dist_f> = 25）
{//前の最も近い物体が25センチメートルを超える場合
a：//サーボを180度から135度回転させながら前進します
モーション（ 'f'、180、135、t）; // 135度の角度でオブジェクトまでの距離を測定します
dist_135 =ソナー（）; //必要に応じて、ひねりを加えます
front_motion（t）; //さらに似ていますが、値が異なります
モーション（ 'f'、135.90、t）;
dist_f =ソナー（）;
front_motion（t）;
モーション（ 'f'、90.45、t）;
dist_45 =ソナー（）;
front_motion（t）;
モーション（ 'f'、45.0、t）;
dist_r =ソナー（）;
front_motion（t）;
モーション（ 'f'、0.45、t）;
dist_45 =ソナー（）;
front_motion（t）;
モーション（ 'f'、45.90、t）;
dist_f =ソナー（）;
front_motion（t）;
モーション（ 'f'、90、135、t）;
dist_135 =ソナー（）;
front_motion（t）;
モーション（ 'f'、135、180、t）;
dist_l =ソナー（）; front_motion（t）; //前の距離がまだ25センチメートルを超えている場合は、ポイント「a」に戻ります
if（dist_f> = 25）
goto a;
}
他に
{//そうでない場合
if（dist_f <5）
{//ロボットが既に最も近いオブジェクトに近すぎる場合は、後方に移動します
motion_back（t）;
//新しい距離測定を行います
dist_f =ソナー（）;
} //この場合、より多くの空きスペースがある方向に曲がる
if（dist_l> = dist_r || dist_135> dist_r）
{
モーション（ 'l'、180.90、t）;
dist_f =ソナー（）;
}
if（dist_l <dist_r）
{
モーション（ 'r'、180.90、t）;
dist_f =ソナー（）;
}
} //次に、新しいサークル
}

このプログラムの完全版はここからダウンロードできます。
maxim.wf/arduino_code/Robot_compilation.pde

それで、ここでこのトピックの終わりに来ます。 ロボットが完成し、すべてが機能します）パスは十分に長く、面白くて楽しいものでした。 これで、すっごく原始的でありながら、まだ人工知能を備えたロボットを作成した経験に基づいて、より複雑なものを作成できます。 ある程度まで、あなたは特定の生物の創造者のように感じることさえできます、最も単純な生き物に似た心。 最終結果のビデオを次に示します。






ご清聴ありがとうございました！
ご質問、ご提案、コメントをお待ちしております。