PLANTROBOT: 10 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Alle liker å ha planter hjemme, men noen ganger i vårt travle liv finner vi ikke tid til å ta godt vare på dem. Fra dette problemet kom vi på en idé: Hvorfor ikke bygge en robot som ville ta seg av den for oss?

Dette prosjektet består av en plante-robot som tar vare på seg selv. Anlegget er integrert i roboten og vil kunne vanne seg selv og finne lys mens du unngår hindringer. Dette har vært mulig ved å bruke flere sensorer på roboten og anlegget. Denne Instructable tar sikte på å guide deg gjennom prosessen med å lage en planterobot, slik at du ikke trenger å bekymre deg for plantene dine hver dag!

Dette prosjektet er en del av Bruface Mechatronics og har blitt realisert av:

Mercedes Arévalo Suárez

Daniel Blanquez

Baudouin Cornelis

Kaat Leemans

Marcos Martínez Jiménez

Basil Thisse

(Gruppe 4)

Trinn 1: KJØPELISTE

Her er en liste over alle produktene du trenger for å bygge denne roboten. For hvert stykke understreket er en lenke tilgjengelig:

3D -trykte motorer støtter X1 (kopi i 3D)

3D-trykte hjul + hjulmotorforbindelse X2 (kopi i 3D)

AA Nimh batterier X8

Slipepapirrull X1

Arduino Mega X1

Kulehjul X1

Batteriholder X2

Brødbrett for tester X1

Brødbrett til loddetinn X1

Likestrømsmotorer (med encoder) X2

Hengsler X2

Hygrometer X1

Lysavhengige motstander X3

Hoppere for menn og menn

Motorskjerm X1

Plant X1 (dette er opp til deg)

Plantepotte X1

Plantestøtte X1 (3D -trykt)

Plastrør X1

Motstander mot forskjellige verdier

Ripepapir X1

Skruer

Skarpe sensorer X3 (GP2Y0A21YK0F 10-80 cm)

Bryter X1

Vannpumpe X1

Vannbeholder (liten Tupperware) X1

Ledninger

Vær oppmerksom på at disse valgene er et resultat av tids- og budsjettbegrensninger (3 måneder og 200 €). Andre valg kan tas etter eget skjønn.

FORKLARING AV DE FORSKJELLIGE VALGENE

Arduino Mega over Arduino Uno: For det første bør vi like godt forklare årsaken til at vi i det hele tatt har brukt Arduino. Arduino er en åpen kildekode for elektronisk prototyping som lar brukerne lage interaktive elektroniske objekter. Det er veldig populært blant både eksperter og nybegynnere, noe som bidrar til å finne mye informasjon om det på Internett. Dette kan være nyttig når du har et problem med prosjektet ditt. Vi valgte en Arduino Mega fremfor en Uno fordi den har flere pins. Faktisk, for antall sensorer vi bruker, tilbød ikke Uno nok pins. En Mega er også kraftigere og kan være nyttig hvis vi legger til noen forbedringer som en WIFI -modul.

Nimh -batterier: En første idé var å bruke LiPo -batterier som i mange robotprosjekter. LiPo har en god utladningshastighet og er lett oppladbare. Men vi skjønte snart at LiPo og lader var for dyre. De eneste andre batteriene som er egnet for dette prosjektet, var Nimh. Faktisk er de billige, oppladbare og lette. For å drive motoren trenger vi 8 av dem for å oppnå en forsyningsspenning fra 9,6V (utladet) til 12V (fulladet).

DC -motorer med encoders: Med tanke på hovedmålet med denne aktuatoren, gir rotasjonsenergi til hjulene, valgte vi to DC -motorer i stedet for Servomotorer som har begrensning i rotasjonsvinkelen og er designet for mer spesifikke oppgaver der posisjonen må defineres nøyaktig. Det å ha kodere gir også muligheten til å ha høyere presisjon om nødvendig. Vær oppmerksom på at vi til slutt ikke brukte koderne fordi vi innså at motorene var ganske like og vi ikke trengte roboten til å følge en rett linje.

Det er mange likestrømsmotorer på markedet, og vi lette etter en som passer budsjettet og roboten vår. For å tilfredsstille disse begrensningene hjalp to viktige parametere oss med å velge motoren: dreiemomentet som trengs for å flytte roboten og robotens hastighet (for å finne turtallet som trengs).

1) Beregn o / min

Denne roboten trenger ikke å bryte lydbarrieren. For å følge lyset eller følge noen i et hus virker en hastighet på 1 m/s eller 3,6 km/t rimelig. For å oversette det til o / min bruker vi hjulenes diameter: 9 cm. Rpm er gitt av: rpm = (60*hastighet (m/s))/(2*pi*r) = (60*1)/(2*pi*0,045) = 212 rpm.

2) Beregn det maksimale dreiemomentet som trengs

Siden denne roboten vil utvikle seg i et flatt miljø, er det maksimale dreiemomentet som trengs for å starte roboten i bevegelse. Hvis vi tenker på at vekten til roboten med anlegget og hver komponent er rundt 3 kilo og ved å bruke friksjonskreftene mellom hjulene og bakken, kan vi enkelt finne dreiemomentet. Vurderer en friksjonskoeffisient 1 mellom bakken og hjulene: Friksjonskrefter (Fr) = friksjonskoeff. * N (hvor N er robotens vekt) dette gir oss Fr = 1 * 3 * 10 = 30 N. Dreiemomentet for hver motor finner du som følger: T = (Fr * r)/2 hvor r er radius på hjulene så T = (30*0,045)/2 = 0,675 Nm = 6,88 kg cm.

Dette er egenskapene til motoren vi valgte: ved 6V 175 o / min og 4 kg cm ved 12V 350 o / min og 8 kg cm. Når vi vet at den vil bli drevet mellom 9,6 og 12V ved å gjøre en lineær interpolasjon, ser det tydelig ut at de ovennevnte begrensningene vil bli oppfylt.

Lyssensorer: Vi valgte lysavhengige motstander (LDR) fordi deres motstand varierer raskt med lys og spenningen på LDR enkelt kan måles ved å bruke en konstant spenning på en spenningsdeler som inneholder LDR.

Skarpe sensorer: De brukes til å unngå hindringer. Skarpe avstandssensorer er rimelige og enkle å bruke, noe som gjør dem til et populært valg for gjenkjenning og rekkevidde av objekter. De har vanligvis høyere oppdateringshastigheter og kortere maksimale deteksjonsområder enn ekkoloddfindere. Mange forskjellige modeller er tilgjengelige på markedet med forskjellige driftsområder. Fordi de er vant til å oppdage hindringer i dette prosjektet, valgte vi den med et driftsområde på 10-80 cm.

Vannpumpe: Vannpumpen er en enkel, lett og ikke for kraftig pumpe som er kompatibel med spenningsområdet til motorene for å bruke samme kosthold for begge. En annen løsning for å mate anlegget med vann var å ha en vannbase skilt fra roboten, men det er mye enklere å ha en på roboten.

Hygrometer: Et hygrometer er en fuktighetssensor som skal puttes i bakken. Det er nødvendig siden roboten trenger å vite når potten er tørr for å sende vann til den.

Trinn 2: MEKANISK DESIGN

I utgangspunktet består robotens design av en rektangulær boks, med tre hjul på undersiden og et lokk som åpnes på oversiden. Anlegget vil bli plassert på toppen med vannreservoaret. Plantekrukken plasseres i plantepottfikseringen som er skrudd på robotens øvre planke. Vannreservoaret er litt skrapt på Tupperware på robotens øvre planke, og vannpumpen er også riper i bunnen av vannreservoaret, slik at alt enkelt kan fjernes når du fyller Tupperware med vann. Et lite hull er laget i lokket på reservoaret på grunn av røret med vann som går inn i plantepotten og matveien til pumpen som går i esken. Det lages således et hull i boksens øvre planke, og kabler til hygrometeret passerer også gjennom dette hullet.

For det første ønsket vi at roboten skulle ha en attraktiv design, og derfor bestemte vi oss for å gjemme den elektroniske delen inne i en eske, og la den ligge like utenfor anlegget og vannet. Dette er viktig siden planter er en del av dekorasjonen av huset og ikke bør påvirke plassen visuelt. Komponentene i esken vil være lett tilgjengelige gjennom et lokk på oversiden, og sidedekslene vil ha de nødvendige hullene slik at det for eksempel er enkelt å slå på roboten eller koble Arduino til en bærbar datamaskin hvis vi vil for å programmere det igjen.

Komponentene i esken er: Arduino, motorstyringen, motorene, LDR, haugholderne, brødbrettet og hengslene. Arduino er montert på små søyler, slik at bunnen ikke blir skadet og motorstyringen er montert på toppen av Arduino. Motorene skrus til motorfikseringene og motorens fikseringer skrus deretter til bunnplanken på boksen. LDR er loddet på et lite stykke brødbrett. Minitreplanker er limt på dette brødbrettet for å skru det fast på sidene til roboten. Det er en LDR foran, en på venstre side og en på høyre side slik at roboten kan kjenne retningen med den høyeste mengden lys. Haugholderne er riper til bunnen av esken for å enkelt fjerne dem og bytte hauger eller lade dem opp. Deretter skrus brødbrettet til den nederste planken med små trekantede søyler som har hull i formen på hjørnet av brødbrettet for å støtte det. Til slutt skrus hengslene på baksiden og toppsiden.

På forsiden blir tre skarpe skrudd direkte for å oppdage og unngå hindringer så godt som mulig.

Selv om den fysiske designen er viktig, kan vi ikke glemme den tekniske delen, men vi bygger en robot, og den skal være praktisk og så langt som mulig bør vi optimalisere plassen. Dette er grunnen til å gå for en rektangulær form, det var den beste måten å finne alle komponentene på.

Til slutt, for bevegelsen, vil enheten ha tre hjul: to standardmotoriserte bak og en kulehjul foran. De vises i en tresyklusstasjon, konfigurasjon, styring foran og bakkjøring.

Trinn 3: PRODUKSJONSDELER

Robotens fysiske utseende kan endres ut fra din interesse. Tekniske tegninger er gitt, noe som kan fungere som en god forankring når du designer din egen.

Laserskårne deler:

Alle seks delene som utgjør saken til roboten er laserskåret. Materialet som er brukt til dette har vært resirkulert tre. Denne boksen kan også være laget av plexiglas som er litt dyrere.

3D -trykte deler:

De to standardhjulene som er plassert på baksiden av roboten, er 3D -trykt i PLA. Grunnen er at den eneste måten å finne hjul som dekket alle behovene (passform i likestrømsmotorene, størrelse, vekt …) var å designe dem selv. Motorfikseringen ble også 3D -trykt av budsjettmessige årsaker. Deretter ble plantepottestøtten, stolpene som støtter Arduino og hjørnene som støtter brødbrettet også 3D -trykt fordi vi trengte en spesiell form som passer inn i roboten vår.

Trinn 4: ELEKTRONIKK

Skarpe sensorer: De skarpe sensorene har tre pinner. To av dem er for spising (Vcc og Ground), og den siste er det målte signalet (Vo). For spising har vi den positive spenningen som kan være mellom 4,5 og 5,5 V, så vi vil bruke 5V fra Arduino. Vo blir koblet til en av de analoge pinnene på Arduino.

Lyssensorer: Lyssensorene trenger en liten krets for å kunne fungere. LDR er satt i serie med en 900 kOhm motstand for å lage en spenningsdeler. Bakken er koblet til pinnen på motstanden som ikke er koblet til LDR og 5V på Arduino er koblet til pinnen til LDR som ikke er koblet til motstanden. Pinnen til motstanden og LDR koblet til hverandre er koblet til en analog pinne på Arduino for å måle denne spenningen. Denne spenningen vil variere mellom 0 og 5V med 5V som tilsvarer fullt lys og nær null som tilsvarer mørke. Da vil hele kretsen loddes på et lite stykke brødbrett som kan passe inn i sideplankene til roboten.

Batterier: Batteriene er laget av 4 hauger mellom 1,2 og 1,5 V hver mellom 4,8 og 6V. Ved å sette to hauger i serie har vi mellom 9,6 og 12 V.

Vannpumpe: Vannpumpen har en tilkobling (strømkontakt) av samme type som alimentasjonen til Arduino. Det første trinnet er å kutte tilkoblingen og nekte ledningen for å ha ledningen for jord og ledningen for positiv spenning. Siden vi ønsker å kontrollere pumpen, vil vi sette den i serie med en nåværende kontrollerbar transistor som brukes som bryter. Deretter vil en diode bli satt parallelt med pumpen for å forhindre bakoverstrømmer. Transistorens nedre ben er koblet til felles jord for Arduino/batterier, den midterste til en digital pin på Arduino med en 1kOhm motstand i serie for å transformere spenningen til Arduino til strøm og det øvre benet til den svarte kabelen til pumpen. Deretter kobles den røde kabelen til pumpen til batteriets positive spenning.

Motorer og skjold: Skjoldet må loddes, det sendes ikke loddet. Når dette er gjort, plasseres det på Arduino ved å klippe alle overskriftene på skjoldet i pinnene på Arduino. Skjoldet får strøm fra batteriene, og det vil deretter drive Arduino hvis en jumper er på (oransje pinner på figuren). Vær forsiktig så du ikke setter jumperen når Arduino drives av et annet middel enn skjoldet siden Arduino da ville drive skjoldet og det kan brenne forbindelsen.

Brødbrett: Alle komponenter blir nå loddet på brødbrettet. Bakken til en haugholder, Arduino, motorstyringen og alle sensorer vil bli loddet på samme rad (på brødbrettradene våre har samme potensial). Deretter vil den svarte kabelen til den andre haugholderen loddes på samme rad som den røde på den første haugholderen hvis grunn allerede er loddet. En kabel blir deretter loddet på samme rad som den røde kabelen til den andre haugholderen som tilsvarer de to i serien. Denne kabelen blir koblet til den ene enden av bryteren, og den andre enden vil bli koblet til en ledning loddet på brødbrettet på en ledig rad. Den røde kabelen til pumpen og alimentasjonen til motorstyringen blir loddet til denne raden (bryteren er ikke representert på figuren). Deretter vil 5V på Arduino loddes på en annen rad, og matingsspenningen til hver sensor vil bli loddetinn på samme rad. Prøv å lodde en jumper på brødbrettet og en jumper på komponenten når det er mulig, slik at du enkelt kan koble dem fra, og monteringen av elektriske komponenter blir lettere.

Trinn 5: PROGRAMMERING

Program flytskjema:

Programmet har blitt holdt ganske enkelt ved å bruke begrepet tilstandsvariabler. Som du kan se i flytskjemaet, induserer disse statene også en forestilling om prioritet. Roboten vil bekrefte forholdene i denne rekkefølgen:

1) I tilstand 2: Har planten nok vann med funksjonen fuktighetsnivå? Hvis fuktighetsnivået målt av hygrometeret er under 500, vil pumpen drives til fuktighetsnivået går over 500. Når anlegget har nok vann går roboten til tilstand 3.

2) I tilstand 3: Finn retningen med mest lys. I denne tilstanden har anlegget nok vann og må følge retningen med mest lys samtidig som det unngås hindringer. Funksjonen light_direction gir retningen til de tre lyssensorene som mottar mest lys. Roboten vil deretter betjene motorene for å følge den retningen med funksjonen follow_light. Hvis lysnivået er over en viss terskel (nok_lys), stopper roboten for å følge lyset siden den har nok i denne posisjonen (stopp_motorer). For å unngå hindringer under 15 cm mens du følger lys, har det blitt implementert en funksjonshindring for å returnere hindringens retning. For å unngå hindringer på riktig måte har funksjonen avoid_obstacle blitt implementert. Denne funksjonen driver motoren og vet hvor hindringen er.

Trinn 6: MONTERING

Monteringen av denne roboten er faktisk ganske enkel. De fleste komponentene er skrudd fast i esken for å sikre at de beholder sin plass. Deretter ripes pelerholderen, vannreservoaret og pumpen.

Trinn 7: EKSPERIMENTER

Vanligvis går det ikke jevnt når man bygger en robot. Mange tester, med følgende endringer, er nødvendig for å få det perfekte resultatet. Her er en utstilling av prosessen med planteroboten!

Det første trinnet var å montere roboten med motorer, Arduino, motorstyring og lyssensorer med et prototypende brødbrett. Roboten går bare i retningen der han målte mest lys. En terskel ble bestemt for å stoppe roboten hvis han har nok lys. Da roboten gled på gulvet la vi til slipepapir på hjulene for å simulere et dekk.

Deretter ble de skarpe sensorene lagt til strukturen for å prøve å unngå hindringer. Opprinnelig ble to sensorer plassert på forsiden, men en tredje ble lagt til i midten fordi de skarpe sensorene har en svært begrenset deteksjonsvinkel. Til slutt har vi to sensorer i ekstremene av roboten som oppdager hindringer til venstre eller høyre og en i midten for å oppdage om det er en hindring foran. Hindringene oppdages når spenningen på den skarpe går over en viss verdi som tilsvarer en avstand på 15 cm til roboten. Når hindringen er på en side, unngår roboten det, og når et hinder er i midten, stopper roboten. Vær oppmerksom på at hindringer under skarpene ikke kan detekteres, så hindringer må ha en viss høyde for å unngå.

Etter det ble pumpen og hygrometeret testet. Pumpen sender vann så lenge spenningen til hygrometeret er under en viss verdi som tilsvarer en tørr gryte. Denne verdien ble målt og bestemt eksperimentelt ved testing med tørre og fuktige potteplanter.

Til slutt ble alt testet sammen. Anlegget sjekker først om det har nok vann og begynner deretter å følge lyset mens det unngår hindringer.

Trinn 8: SLUTTEST

Her er videoer av hvordan roboten endelig fungerer. Håper du nyter det!

Trinn 9: Hva har vi lært med dette prosjektet?

Selv om den generelle tilbakemeldingen fra dette prosjektet er god fordi vi lærte mye, har vi vært ganske stresset da vi bygde det på grunn av fristene.

Problemer oppstått

I vårt tilfelle hadde vi flere problemer under prosessen. Noen av dem var enkle å løse, for eksempel da leveringen av komponentene ble forsinket, så vi bare etter butikker i byen der vi kunne kjøpe dem. Andre krever litt mer tenking.

Dessverre ble ikke alle problemer løst. Vår første idé var å kombinere kjennetegnene til kjæledyr og planter, og få det beste av hver. For plantene vi kunne gjøre det, med denne roboten vil vi kunne ha en plante som dekorerer husene våre, og vi trenger ikke å ta vare på den. Men for kjæledyrene fant vi ikke ut en måte å simulere selskapet de lager. Vi tenkte på forskjellige måter å få det til å følge folk, og vi begynte å implementere en, men vi manglet tid til å fullføre den.

Ytterligere forbedringer

Selv om vi gjerne ville fått alt vi ønsket, har læringen med dette prosjektet vært fantastisk. Kanskje med mer tid kan vi få en enda bedre robot. Her foreslår vi noen ideer for å forbedre roboten vår som kanskje noen av dere vil prøve:

- Legge til lysdioder i forskjellige farger (rød, grønn, …) som forteller brukeren når roboten skal lades. Målingen av batteriet kan utføres med en spenningsdeler med en maks spenning på 5V når batteriet er fulladet for å måle denne spenningen med en Arduino. Deretter slås den tilhørende lysdioden på.

- Legge til en vannsensor som forteller brukeren når vannreservoaret skal fylles på igjen (vannhøydesensor).

- Opprette et grensesnitt slik at roboten kan sende meldinger til brukeren.

Og åpenbart kan vi ikke glemme målet om å få det til å følge mennesker. Kjæledyr er en av de tingene folk elsker mest, og det ville være deilig om noen kunne oppnå at roboten simulerer denne oppførselen. For å lette det, her skal vi gi alt vi har.

Trinn 10: Hvordan få roboten til å følge mennesker?

Vi fant ut at den beste måten å gjøre det på ville være å bruke tre ultralydsensorer, en sender og to mottakere.

Sender

For senderen vil vi gjerne ha en driftssyklus på 50%. For å gjøre dette må du bruke en 555 timer, vi hadde brukt NE555N. På bildet kan du se hvordan kretsen skal bygges. Men du må for eksempel legge til en ekstra kondensator ved utgang 3, 1µF. Motstandene og kondensatorene beregnes med følgende formler: (bilder 1 og 2)

Fordi en 50% driftssyklus er ønskelig, vil t1 og t2 være lik hverandre. Så med en 40 kHz sender vil t1 og t2 være lik 1,25*10-5 s. Når du tar C1 = C2 = 1 nF, kan R1 og R2 beregnes. Vi tok R1 = 15 kΩ og R2 = 6,8 kΩ, sørg for at R1> 2R2!

Da vi testet dette i krets på oscilloskopet, fikk vi følgende signal. Skalaen er 5 µs/div, så frekvensen i virkeligheten vil være rundt 43 kHz. (Bilde 3)

Mottaker

Inngangssignalet til mottakeren vil være for lavt til at Arduino kan behandle nøyaktig, så inngangssignalet må forsterkes. Dette vil bli gjort ved å lage en inverterende forsterker.

For opampen brukte vi en LM318N, som vi drev med 0 V og 5 V fra Arduino. For å gjøre dette måtte vi heve spenningen rundt signalet som svinger. I dette tilfellet vil det være logisk å øke den til 2,5 V. Fordi forsyningsspenningen ikke er symmetrisk, må vi også plassere en kondensator foran motstanden. På denne måten har vi også laget et høypassfilter. Med verdiene vi hadde brukt, måtte frekvensen være høyere enn 23 kHz. Når vi brukte en forsterkning på A = 56, ville signalet gå inn i metning som ikke er bra, så vi brukte A = 18 i stedet. Dette vil fortsatt være tilstrekkelig. (Bilde 4)

Nå som vi har en forsterket sinusbølge, trenger vi en konstant verdi slik at Arduino kan måle den. En måte å gjøre det på er å lage en toppdetektorkrets. På denne måten kan vi se om senderen er lenger fra mottakeren eller i en annen vinkel enn før ved å ha et konstant signal som er proporsjonalt med intensiteten til signalet som mottas. Fordi vi trenger en presisjons toppdetektor, setter vi dioden, 1N4148, i spenningsfølgeren. Ved å gjøre det har vi ingen tap av dioder, og vi opprettet en ideell diode. For opampen brukte vi den samme som i den første delen av kretsen og med samme strømforsyning, 0 V og 5V.

Parallellkondensatoren må ha en høy verdi, så den vil tømmes veldig sakte, og vi ser fortsatt den samme toppverdien som den virkelige verdien. Motstanden vil også bli plassert parallelt og vil ikke være for lav, for ellers vil utladningen være større. I dette tilfellet er 1,5µF og 56 kΩ nok. (Bilde 5)

På bildet kan den totale kretsen sees. Hvor ut er utgangen, som kommer til å gå inn i Arduino. Og 40 kHz AC -signalet vil være mottakeren, hvor den andre enden av det vil bli koblet til bakken. (Bilde 6)

Som vi sa tidligere, kunne vi ikke integrere sensorene i roboten. Men vi gir videoene av testene for å vise at kretsen fungerer. I den første videoen kan forsterkningen (etter den første OpAmp) sees. Det er allerede en forskyvning på 2,5V på oscilloskopet, så signalet er i midten, amplituden varierer når sensorene endrer retning. Når de to sensorene vender mot hverandre, vil bihulens amplitude være høyere enn når sensorene har en større vinkel eller avstand mellom begge. På den andre videoen (utgangen til kretsen) kan det utbedrede signalet sees. Igjen vil den totale spenningen være høyere når sensorene vender mot hverandre enn når de ikke er det. Signalet er ikke helt rett på grunn av utladning av kondensatoren og på grunn av volt/div. Vi var i stand til å måle et konstant signal som gikk ned når vinkelen eller avstanden mellom sensorene ikke lenger var optimal.

Tanken var da å få roboten til å ha mottakeren og brukeren senderen. Roboten kunne gjøre en sving på seg selv for å oppdage i hvilken retning intensiteten var den høyeste og kunne gå i den retningen. En bedre måte kan være å ha to mottakere og følge mottakeren som oppdager den høyeste spenningen, og en enda bedre måte er å sette tre mottakere og plassere dem som LDR for å vite i hvilke retninger brukerens signal sendes ut (rett, venstre eller høyre).