PLANTROBOT: 10 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Alle nyder at have planter derhjemme, men nogle gange med vores travle liv finder vi ikke tid til at passe godt på dem. Fra dette problem kom vi på en idé: Hvorfor ikke bygge en robot, der ville tage sig af den for os?

Dette projekt består af en plante-robot, der tager sig af sig selv. Anlægget er integreret i robotten og vil være i stand til at vande sig selv og finde lys og samtidig undgå forhindringer. Dette har været muligt ved at bruge flere sensorer på robotten og anlægget. Denne Instructable har til formål at guide dig gennem processen med at oprette en planterobot, så du ikke skal bekymre dig om dine planter hver dag!

Dette projekt er en del af Bruface Mechatronics og er blevet realiseret af:

Mercedes Arévalo Suárez

Daniel Blanquez

Baudouin Cornelis

Kaat Leemans

Marcos Martínez Jiménez

Basil Thisse

(Gruppe 4)

Trin 1: KØBLISTE

Her er en liste over hvert produkt, du skal bruge for at bygge denne robot. For hvert stykke understreget er der et link tilgængeligt:

3D -printede motorer understøtter X1 (kopi i 3D)

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

AA Nimh batterier X8

Slibepapirrulle X1

Arduino Mega X1

Kuglehjul X1

Batteriholder X2

Brødbræt til test X1

Brødbræt til lodning X1

DC -motorer (med encoder) X2

Hængsler X2

Hygrometer X1

Lysafhængige modstande X3

Han-han- og han-hun-jumpere

Motorafskærmning X1

Plant X1 (dette er op til dig)

Plantepotte X1

Plantestøtte X1 (3D -printet)

Plastrør X1

Modstande mod forskellige værdier

Ridsepapir X1

Skruer

Skarpe sensorer X3 (GP2Y0A21YK0F 10-80 cm)

Skift X1

Vandpumpe X1

Vandbeholderbeholder (lille Tupperware) X1

Ledninger

Bemærk, at disse valg er et resultat af tids- og budgetbegrænsninger (3 måneder og 200 €). Andre valg kan træffes efter eget skøn.

FORKLARING AF DE FORSKELLIGE VALG

Arduino Mega over Arduino Uno: For det første bør vi lige så godt forklare årsagen til, at vi overhovedet har brugt Arduino. Arduino er en open-source elektronisk prototypeplatform, der gør det muligt for brugere at oprette interaktive elektroniske objekter. Det er meget populært mellem både eksperter og nybegyndere, hvilket bidrager til at finde en masse information om det på Internettet. Dette kan være praktisk, når du har et problem med dit projekt. Vi valgte en Arduino Mega frem for en Uno, fordi den har flere pins. Faktisk tilbød antallet af sensorer, vi bruger, en Uno ikke nok pins. En Mega er også mere kraftfuld og kan være nyttig, hvis vi tilføjer nogle forbedringer som et WIFI -modul.

Nimh -batterier: En første idé var at bruge LiPo -batterier som i mange robotprojekter. LiPo har en god afladningshastighed og er let genopladelige. Men vi indså hurtigt, at LiPo og oplader var for dyre. De eneste andre batterier, der er egnede til dette projekt, er Nimh. Faktisk er de billige, genopladelige og lette. For at drive motoren skal vi bruge 8 af dem for at opnå en forsyningsspænding fra 9,6V (afladet) til 12V (fuldt opladet).

DC -motorer med encodere: I betragtning af hovedmålet med denne aktuator, giver rotationsenergi til hjulene, valgte vi to DC -motorer frem for Servomotorer, der har begrænsning i rotationsvinklen og er designet til mere specifikke opgaver, hvor position skal defineres præcist. Det at have encodere tilføjer også muligheden for at have større præcision, hvis det er nødvendigt. Bemærk, at vi endelig ikke brugte encoderne, fordi vi indså, at motorerne var ret ens, og vi ikke havde brug for, at robotten præcist fulgte en lige linje.

Der er mange DC -motorer på markedet, og vi ledte efter en, der passer til vores budget og robot. For at opfylde disse begrænsninger hjalp to vigtige parametre os med at vælge motoren: det moment, der er nødvendigt for at flytte robotten og robotens hastighed (for at finde det nødvendige omdrejningstal).

1) Beregn omdr./min

Denne robot behøver ikke at bryde lydbarrieren. For at følge lyset eller følge en person i et hus virker en hastighed på 1 m/s eller 3,6 km/t rimelig. For at oversætte det til omdrejninger pr. Minut bruger vi hjulens diameter: 9 cm. Omdrejningstallet er angivet ved: rpm = (60*hastighed (m/s))/(2*pi*r) = (60*1)/(2*pi*0,045) = 212 rpm.

2) Beregn det nødvendige maksimale drejningsmoment

Da denne robot vil udvikle sig i et fladt miljø, er det maksimale nødvendige moment det, der skal starte robotten i bevægelse. Hvis vi overvejer, at robottens vægt med anlægget og hver komponent er omkring 3 kilo og ved hjælp af friktionskræfterne mellem hjulene og jorden kan vi let finde momentet. I betragtning af en friktionskoefficient på 1 mellem jorden og hjulene: Friktionskræfter (Fr) = friktionskoefficient. * N (hvor N er robotens vægt) dette giver os Fr = 1 * 3 * 10 = 30 N. Momentet for hver motor kan findes som følger: T = (Fr * r)/2 hvor r er radius af hjulene så T = (30*0,045)/2 = 0,675 Nm = 6,88 kg cm.

Dette er egenskaberne ved den motor, vi valgte: ved 6V 175 omdr./min. Og 4 kg cm ved 12V 350 omdr./min. Og 8 kg cm. Ved at vide, at den vil blive drevet mellem 9,6 og 12V ind ved at foretage en lineær interpolation, ser det klart ud til, at ovenstående begrænsninger vil blive opfyldt.

Lyssensorer: Vi valgte lysafhængige modstande (LDR), fordi deres modstand varierer hurtigt med lys og spændingen på LDR let kan måles ved at anvende en konstant spænding på en spændingsdeler, der indeholder LDR.

Skarpe sensorer: De bruges til at undgå forhindringer. Sensorer til skarpe afstande er billige og nemme at bruge, hvilket gør dem til et populært valg til genkendelse og spredning af objekter. De har typisk højere opdateringshastigheder og kortere maksimale detektionsområder end ekkoloddeafstandsfindere. Der findes mange forskellige modeller på markedet med forskellige driftsområder. Fordi de bruges til at opdage forhindringer i dette projekt, valgte vi den med et driftsområde på 10-80 cm.

Vandpumpe: Vandpumpen er en simpel let og ikke for kraftig pumpe, der er kompatibel med motorernes spændingsområde til at bruge den samme kost for begge. En anden løsning til at fodre planten med vand var at have en vandbase adskilt fra robotten, men det er meget mere enkelt at have en på robotten.

Hygrometer: Et hygrometer er en fugtighedsføler, der skal puttes i jorden. Det er nødvendigt, da robotten skal vide, hvornår gryden er tør for at sende vand til den.

Trin 2: MEKANISK DESIGN

Grundlæggende består robotens design af en rektangulær kasse med tre hjul på undersiden og et låg, der åbner på oversiden. Anlægget placeres ovenpå med vandreservoiret. Plantekrukken placeres i plantepottens fiksering, der er skruet på robotens øvre planke. Vandreservoiret er lidt ridset på Tupperware på robotens øvre planke, og vandpumpen er også ridset i bunden af vandreservoiret, så alt let kan fjernes, når Tupperware fyldes op med vand. Der laves et lille hul i beholderens låg på grund af vandrøret, der går ind i plantekrukken, og pumpens spisning går i kassen. Der laves således et hul i boksens øvre planke, og kabler fra hygrometeret passerer også gennem dette hul.

For det første ville vi have robotten til at have et attraktivt design, og derfor besluttede vi at skjule den elektroniske del inde i en kasse og efterlade lige uden for anlægget og vandet. Dette er vigtigt, da planter er en del af husets udsmykning og ikke bør påvirke rummet visuelt. Komponenterne i kassen vil være let tilgængelige via et låg på oversiden, og sidedækslerne vil have de nødvendige huller, så det for eksempel er let at tænde robotten eller tilslutte Arduino til en bærbar computer, hvis vi vil at programmere det igen.

Komponenterne i kassen er: Arduino, motorstyringen, motorerne, LDR, bunkeholderne, brødbrættet og hængslerne. Arduino er monteret på små søjler, så bunden ikke beskadiges, og motorstyringen er monteret oven på Arduino. Motorerne skrues fast på motorfikseringerne, og motorens fikseringer skrues derefter til boksens nederste planke. LDR er loddet på et lille stykke brødbræt. Minitræsplanker limes til dette brødbræt for at skrue det fast på robotens sideflader. Der er en LDR foran, en på venstre side og en på højre side, så robotten kan kende retningen med den højeste mængde lys. Pælholderne er ridset til bunden af kassen for let at fjerne dem og skifte bunkerne eller genoplade dem. Derefter skrues brødbrættet fast på bundplanken med små trekantede søjler med huller i form af hjørnet af brødbrættet for at understøtte det. Til sidst skrues hængslerne på bagsiden og oversiden.

På forsiden bliver tre skarpe skruet direkte for at opdage og undgå hindringer så godt som muligt.

Selvom det fysiske design er vigtigt, kan vi ikke glemme den tekniske del, vi bygger en robot, og det skal være praktisk, og så vidt muligt bør vi optimere rummet. Dette er grunden til at gå efter en rektangulær form, det var den bedste måde fundet at arrangere alle komponenterne.

Endelig vil enheden til bevægelsen have tre hjul: to standardmotoriserede bagpå og en kuglehjul foran. De vises i en tre-cyklisk kørsel, konfiguration, styring foran og bagkørsel.

Trin 3: FREMSTILLING AF DELE

Robotens fysiske udseende kan ændres baseret på din interesse. Der er tekniske tegninger, hvad der kan fungere som en god jordforbindelse, når du designer din egen.

Laserskårne dele:

Alle seks dele, der udgør robotens kabinet, er laserskåret. Materialet, der er brugt til dette, har været genbrugstræ. Denne æske kunne også være lavet af plexiglas, som er lidt dyrere.

3D -trykte dele:

De to standardhjul, der er placeret bag på robotten, er blevet 3D -printet i PLA. Årsagen er, at den eneste måde at finde hjul, der opfyldte alle behov (passer til DC -motorer, størrelse, vægt …) var at designe dem selv. Motorfikseringen blev også 3D -printet af budgetmæssige årsager. Derefter blev plantepottestøtten, søjlerne, der understøtter Arduino og hjørnerne, der understøtter brødbrættet, også 3D -printet, fordi vi havde brug for en bestemt form, der passer til vores robot.

Trin 4: ELEKTRONIK

Skarpe sensorer: De skarpe sensorer har tre ben. To af dem er til mad (Vcc og Ground), og den sidste er det målte signal (Vo). Til spisning har vi den positive spænding, der kan være mellem 4,5 og 5,5 V, så vi vil bruge 5V fra Arduino. Vo vil blive forbundet til en af de analoge ben på Arduino.

Lyssensorer: Lyssensorerne har brug for et lille kredsløb for at kunne arbejde. LDR er sat i serie med en 900 kOhm modstand for at skabe en spændingsdeler. Jorden er forbundet med stiften på modstanden, der ikke er forbundet med LDR, og 5V på Arduino er forbundet til stiften på LDR, der ikke er forbundet til modstanden. Modstandsstiften og LDR forbundet til hinanden er forbundet til en analog pin på Arduino for at måle denne spænding. Denne spænding vil variere mellem 0 og 5V med 5V svarende til fuldt lys og tæt på nul svarende til mørke. Derefter loddes hele kredsløbet på et lille stykke brødbræt, der kan passe ind i robotens sideplaner.

Batterier: Batterierne er lavet af 4 bunker mellem 1,2 og 1,5 V hver mellem 4,8 og 6V. Ved at sætte to pæleholdere i serie har vi mellem 9,6 og 12 V.

Vandpumpe: Vandpumpen har en forbindelse (strømstik) af samme type som Arduino's mad. Det første trin er at afbryde forbindelsen og afkræfte ledningen for at få ledningen til jord og ledningen til positiv spænding. Da vi ønsker at styre pumpen, sætter vi den i serie med en strømstyrbar transistor, der bruges som switch. Derefter sættes en diode parallelt med pumpen for at forhindre bagudgående strømme. Transistorens underben er forbundet til den fælles jord for Arduino/batterier, den midterste til en digital pin på Arduino med en 1kOhm modstand i serie for at transformere spændingen af Arduino til strøm og det øverste ben til det sorte kabel af pumpen. Derefter tilsluttes pumpens røde kabel til batteriernes positive spænding.

Motorer og skjold: Skjoldet skal loddes, det sendes ikke loddet. Når dette er gjort, placeres det på Arduino ved at klippe alle hovedene på skjoldet i Arduinoens stifter. Skjoldet får strøm fra batterierne, og det vil derefter drive Arduino, hvis en jumper er tændt (orange stifter i figuren). Vær forsigtig med ikke at sætte jumperen, når Arduino drives af et andet middel end skjoldet, da Arduino derefter ville drive skjoldet, og det kunne brænde forbindelsen.

Brødbræt: Alle komponenter vil nu blive loddet på brødbrættet. Grunden til en bunkeholder, Arduino, motorstyringen og alle sensorer loddes på samme række (på vores brødbræt rækker har samme potentiale). Derefter vil det sorte kabel i den anden bunkeholder blive loddet på samme række som den røde i den første bunkeholder, hvis jord allerede er loddet. Et kabel vil derefter blive loddet på samme række som det røde kabel i den anden bunkeholder, der svarer til de to i serie. Dette kabel forbindes til den ene ende af kontakten, og den anden ende forbindes med en ledning loddet på brødbrættet i en fri række. Pumpens røde kabel og motorstyringens alimentation loddes til denne række (kontakten er ikke repræsenteret på figuren). Derefter loddes 5V i Arduino på en anden række, og alimentationsspændingen for hver sensor vil blive loddet på den samme række. Prøv at lodde en jumper på brødbrættet og en jumper på komponenten, når det er muligt, så du let kan afbryde dem, og samlingen af elektriske komponenter bliver lettere.

Trin 5: PROGRAMMERING

Program flowchart:

Programmet er blevet holdt ret simpelt ved hjælp af begrebet tilstandsvariabler. Som du kan se i rutediagrammet, fremkalder disse tilstande også en forestilling om prioritet. Robotten verificerer betingelserne i denne rækkefølge:

1) I tilstand 2: Har planten nok vand med funktionen fugtighedsniveau? Hvis fugtighedsniveauet målt ved hygrometeret er under 500, køres pumpen, indtil fugtighedsniveauet overstiger 500. Når anlægget har nok vand, går robotten til tilstand 3.

2) I tilstand 3: Find retningen med mest lys. I denne tilstand har planten nok vand og skal følge retningen med mest lys, samtidig med at forhindringer undgås. Funktionen light_direction giver retningen for de tre lyssensorer, der modtager mest lys. Robotten vil derefter betjene motorerne for at følge den retning med funktionen follow_light. Hvis lysniveauet er over en bestemt tærskel (nok_lys) stopper robotten for at følge lys, da den har nok i denne position (stop_motorer). For at undgå forhindringer under 15 cm, mens du følger lys, er der blevet implementeret en funktionshindring for at returnere forhindringens retning. For korrekt at undgå forhindringer er funktionen avoid_obstacle blevet implementeret. Denne funktion driver motoren ved at vide, hvor forhindringen er.

Trin 6: MONTERING

Monteringen af denne robot er faktisk ret let. De fleste komponenter er skruet fast i kassen for at sikre, at de beholder deres plads. Derefter er pælholderen, vandreservoiret og pumpen ridset.

Trin 7: EKSPERIMENTER

Normalt går det ikke problemfrit, når man bygger en robot. En masse tests med følgende ændringer er nødvendige for at få det perfekte resultat. Her er en udstilling af processen med planterobotten!

Det første trin var at montere robotten med motorer, Arduino, motorstyring og lyssensorer med et prototypet brødbræt. Robotten går bare i den retning, hvor han målte mest lys. En tærskel blev besluttet for at stoppe robotten, hvis han har nok lys. Da robotten gled på gulvet, tilføjede vi slibepapir på hjulene for at simulere et dæk.

Derefter blev de skarpe sensorer tilføjet til strukturen for at forsøge at undgå forhindringer. Oprindeligt blev to sensorer placeret på forsiden, men en tredje blev tilføjet i midten, fordi de skarpe sensorer har en meget begrænset detektionsvinkel. Endelig har vi to sensorer i ekstremerne af robotten, der registrerer forhindringer til venstre eller højre og en i midten for at registrere, om der er en forhindring foran. Forhindringerne opdages, når spændingen på den skarpe går over en bestemt værdi svarende til en afstand på 15 cm til robotten. Når forhindringen er på en side, undgår robotten det, og når en forhindring er i midten, stopper robotten. Bemærk, at forhindringer under skarpe kan ikke påvises, så forhindringer skal have en vis højde for at undgå.

Derefter blev pumpen og hygrometeret testet. Pumpen sender vand, så længe hygrometerets spænding er under en bestemt værdi svarende til en tør gryde. Denne værdi blev målt og bestemt eksperimentelt ved test med tørre og fugtige potteplanter.

Endelig blev alt testet sammen. Anlægget kontrollerer først, om det har nok vand og begynder derefter at følge lyset, mens det undgår forhindringer.

Trin 8: SLUTTEST

Her er videoer af, hvordan robotten endelig fungerer. Håber du nyder det!

Trin 9: HVAD HAR VI LÆRET MED DETTE PROJEKT?

Selvom den samlede feedback fra dette projekt er god, fordi vi lærte meget, har vi været meget stressede, da vi byggede det på grund af deadlines.

Stødte på problemer

I vores tilfælde havde vi flere problemer under processen. Nogle af dem var lette at løse, for eksempel da levering af komponenterne blev forsinket, ledte vi bare efter butikker i byen, hvor vi kunne købe dem. Andre kræver lidt mere tænkning.

Desværre blev ikke alle problemer løst. Vores første idé var at kombinere kæledyrets og plantens egenskaber og få det bedste ud af hver. For planterne kunne vi gøre det, med denne robot vil vi kunne have en plante, der pynter vores huse, og vi skal ikke passe på den. Men for kæledyrene fandt vi ikke ud af en måde at simulere det selskab, de laver. Vi tænkte på forskellige måder at få det til at følge mennesker, og vi begyndte at implementere en, men vi manglede tid til at afslutte den.

Yderligere forbedringer

Selvom vi ville have elsket at få alt, hvad vi ønskede, har læringen med dette projekt været fantastisk. Måske med mere tid kunne vi få en endnu bedre robot. Her foreslår vi nogle ideer til at forbedre vores robot, som nogle af jer måske vil prøve:

- Tilføjelse af lysdioder i forskellige farver (rød, grøn, …), der fortæller brugeren, hvornår robotten skal oplades. Målingen af batteriet kan foretages med en spændingsdeler med en maksimal spænding på 5V, når batteriet er fuldt opladet for at måle denne spænding med en Arduino. Derefter tændes den tilsvarende LED.

- Tilføjelse af en vandføler, der fortæller brugeren, hvornår vandbeholderen skal genopfyldes (vandhøjdesensor).

- Oprettelse af en grænseflade, så robotten kunne sende beskeder til brugeren.

Og naturligvis kan vi ikke glemme målet om at få det til at følge mennesker. Kæledyr er en af de ting, folk elsker allermest, og det ville være dejligt, hvis nogen kunne opnå, at robotten simulerer denne adfærd. For at lette det skal vi her levere alt, hvad vi har.

Trin 10: Hvordan får man robotten til at følge mennesker?

Vi fandt ud af den bedste måde at gøre det på ved at bruge tre ultralydssensorer, en emitter og to modtager.

Senderen

For senderen vil vi gerne have en driftscyklus på 50%. For at gøre dette skal du bruge en 555 timer, vi havde brugt NE555N. På billedet kan du se, hvordan kredsløbet skal opbygges. Men du bliver nødt til at tilføje en ekstra kondensator ved f.eks. Output 3, 1µF. Modstande og kondensatorer beregnes med følgende formler: (billeder 1 & 2)

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

Da vi testede dette i kredsløb på oscilloskopet, fik vi følgende signal. Skalaen er 5 µs/div, så frekvensen i virkeligheden vil være omkring 43 kHz. (Billede 3)

Modtager

Modtagerens indgangssignal vil være for lavt til, at Arduino kan behandle nøjagtigt, så indgangssignalet skal forstærkes. Dette vil blive gjort ved at lave en inverterende forstærker.

Til opampen brugte vi en LM318N, som vi drev med 0 V og 5 V fra Arduino. For at gøre dette var vi nødt til at øge spændingen omkring det signal, der svinger. I dette tilfælde vil det være logisk at hæve det til 2,5 V. Fordi forsyningsspændingen ikke er symmetrisk, skal vi også placere en kondensator foran modstanden. På denne måde har vi også lavet et højpasfilter. Med de værdier, vi havde brugt, skulle frekvensen være højere end 23 kHz. Når vi brugte en forstærkning på A = 56, ville signalet gå ind i mætning, hvilket ikke er godt, så vi brugte A = 18 i stedet. Dette vil stadig være tilstrækkeligt. (Billede 4)

Nu hvor vi har en forstærket sinusbølge, har vi brug for en konstant værdi, så Arduino kan måle den. En måde at gøre det på er at lave et spidsdetektorkredsløb. På denne måde kan vi se, om senderen er længere adskilt fra modtageren eller i en anden vinkel end tidligere ved at have et konstant signal, der er proportionalt med intensiteten af det modtagne signal. Fordi vi har brug for en præcisionsspidsdetektor, sætter vi dioden, 1N4148, i spændingsfølgeren. Ved at gøre det har vi intet diodetab, og vi skabte en ideel diode. Til opampen brugte vi den samme som i den første del af kredsløbet og med den samme strømforsyning, 0 V og 5V.

Parallelkondensatoren skal have en høj værdi, så den aflades meget langsomt, og vi ser stadig den samme topværdi som den reelle værdi. Modstanden vil også blive placeret parallelt og vil ikke være for lav, for ellers vil afladningen være større. I dette tilfælde er 1,5µF og 56 kΩ nok. (Billede 5)

På billedet kan det samlede kredsløb ses. Hvor ude er output, som kommer til at gå ind i Arduino. Og 40 kHz AC -signalet vil være modtageren, hvor den anden ende af det vil blive forbundet til jorden. (Billede 6)

Som vi sagde tidligere, kunne vi ikke integrere sensorerne i robotten. Men vi leverer videoer af testene for at vise, at kredsløbet fungerer. I den første video kan forstærkningen (efter den første OpAmp) ses. Der er allerede en forskydning på 2,5V på oscilloskopet, så signalet er i midten, amplituden varierer, når sensorerne ændrer retning. Når de to sensorer vender mod hinanden, vil sinusens amplitude være højere end når sensorerne har en større vinkel eller afstand mellem begge. På den anden video (kredsløbets output) kan det rektificerede signal ses. Igen vil den samlede spænding være højere, når sensorerne vender mod hinanden, end når de ikke er det. Signalet er ikke helt lige på grund af kondensatorens afladning og på grund af volt/div. Vi var i stand til at måle et konstant signal, der faldt, når vinklen eller afstanden mellem sensorerne ikke længere var optimal.

Ideen var derefter at få robotten til at have modtageren og brugeren senderen. Robotten kunne dreje sig selv for at registrere i hvilken retning intensiteten var den højeste og kunne gå i den retning. En bedre måde kunne være at have to modtagere og følge modtageren, der registrerer den højeste spænding, og en endnu bedre måde er at sætte tre modtagere og placere dem som LDR for at kende i hvilke retninger brugerens signal udsendes (lige, venstre eller højre).