آموزش ساخت ربات دنبال کننده خط بدون میکروکنترلر

ربات دنبال کننده خط ماشینی است که یک خط را دنبال میکند. این خط میتوانید یک خط سیاه یا سفید باشد. اکثر ربات های دنبال کننده خط با آردوینو یا سایر میکروکنترلر ها ایجاد میشود اما در این مقاله میخواهیم ربات را بدون میکروکنترلر بساززیم. در واقع میخواهیم با استفاده از اصول الکترونیک، یک مدار منطقی طراحی کنیم. این ربات اساساً از یک جفت حسگر مادون قرمز برای تشخیص خط و دو موتور برای کنترل حرکت و جهت تشکیل شده است.

درک عملکرد ربات تعقیب خط

ربات تعقیب خط زیر بر اساس منطق ساده ای کار می کند که از ترکیب مدار مقایسه کننده و درایور موتور L293D به دست می آید. سنسورهای IR خروجی را به آی سی مقایسه کننده LM358 می دهند. IC خروجی بالایی می دهد زمانی که LED های مادون قرمز شیئی را در مقابل خود تشخیص می دهند (یا در مورد ما، نور سفید را تشخیص می دهند). سپس آی سی مقایسه کننده خروجی HIGH (VCC) می دهد. این به عنوان سیگنال ورودی برای تصمیم گیری در مورد اینکه موتور را به حرکت درآورد یا نه استفاده می شود. از آنجایی که هر سنسور مادون قرمز با هر موتور مرتبط است، می‌توانیم ربات را با راندن هر دو موتور به جلو حرکت دهیم و می‌توانیم با راندن تنها یکی از موتورها چرخش را انجام دهیم.

آشنایی با عملکرد سنسور IR

سنسور مادون قرقز دلیلی است که ربات می تواند خط را دنبال کند. شما همچنین می توانید از ماژول حسگر IR استفاده کنید اما در اینجا ما سنسور IR را ساخته ایم. ساختن حسگر مادون قرمز زمانی که نحوه کارکرد آن را فهمیدید ساده است. سنسور IR اساساً از فرستنده مادون قرمز (IR LED) و گیرنده IR (Photodiode) تشکیل شده است. گاهی اوقات، IR LED و Photodiode با هم OptoCoupler یا PhotoCoupler نامیده می شوند. LED فرستنده مادون قرمز همانطور که از نامش پیداست، نور IR را منتقل می کند. فرستنده های مادون قرمز بر اساس طول موج، توان خروجی و زمان پاسخ می توانند انواع مختلفی داشته باشند. مشابه این، انواع گیرنده های IR بر اساس طول موج، ولتاژ، بسته بندی و عوامل دیگر وجود دارد. زمانی که در ترکیب فرستنده و گیرنده مادون قرمز استفاده می شود طول موج گیرنده باید با فرستنده مطابقت داشته باشد. عکس LED های فرستنده و گیرنده IR در زیر نشان داده شده است.

هنگامی که LED مادون قرمز یک اشعه IR را ارسال می کند اگر جسمی وجود داشته باشد تا اشعه های IR را مسدود کند، سطح جسم پرتوهای IR را منعکس می کند و فتودیود IR به این پرتوها حساس است. فتودیود IR این پرتوهای IR منعکس شده را دریافت می کند و از این رو، مقاومت و ولتاژ خروجی بر این اساس متفاوت است. با استفاده از این تغییر ولتاژ خروجی (یا مقاومت فتودیود) می توانیم مدار منطقی را بسازیم. این اصل کار سنسور مادون قرمز است. ما از این برای تشخیص وجود خط استفاده خواهیم کرد. در حال حاضر، پرتوهای IR هنگامی که یک سطح سفید وجود دارد منعکس می شود. از این رو، ما قادر خواهیم بود تشخیص دهیم که کجا یک خط سیاه وجود دارد و می توانیم یک مدار منطقی برای دنبال کردن این خط بسازیم. اصل کار فرستنده و گیرنده IR همانطور که در نمودار نشان داده شده است.

(نکته: برای بررسی اینکه آیا فرستنده IR ارسال می کند یا خیر، از دوربین استفاده کنید، دوربین موبایل شما ارسال اشعه مادون قرمز را تشخیص میدهد)

نحوه کار آی سی درایور موتور L293D

L293D یک آی سی درایور موتور است که برای به حرکت درآوردن موتورها (و چرخ ربات) استفاده می شود. همانطور که در پین اوت آی سی L293D نشان داده شده است، این تراشه می تواند دو موتور را کنترل کند. می تواند سرعت موتورها را بر اساس جریان عرضه شده به موتورها تغییر دهد. می تواند جهت موتورها را بر اساس ورودی کنترل کند. همچنین می تواند موتورها را روشن یا متوقف کند.

مدار ساخت ربات دنبال کننده خط بدون میکروکنترلر

شماتیک کامل ربات Line Follower با استفاده از حسگرهای L293D و IR در زیر آورده شده است:

همانطور که مشاهده می کنید مدار ربات دنبال کننده خط مشکی را به سه قسمت تقسیم کرده ایم که از این دو قسمت برای ساخت سنسورهای IR و یکی برای ساخت مدار کنترلر با استفاده از آی سی درایور موتور L293D است.

قطعات مورد نیاز

• LED مادون قرمز، فرستنده و گیرنده (2 جفت)
• مقاومت 100k، 220 اهم، 1k (هر کدام 2)
• ال ای دی ها
• پتانسیومتر 10 کیلو اهم (2)
• آی سی LM358
• آی سی L293D
• موتور و چرخ (2)
• پین های هدر
• سیم ها
• شاسی بلند
• باتری 9 ولت (به همراه گیره باتری) (2)

مدار تشخیص خط با سنسور مادون قرمز و LM358

پین اوت LM358 و اتصالات مدار سنسور مادون قرمز مطابق شکل زیر است. ما از یک آی سی LM358 برای کنترل هر دو سنسور IR استفاده می کنیم. LM358 با استفاده از پین های VCC و GND که به ترتیب 8 و 4 هستند، تغذیه می شود. LM358 یک آی سی مقایسه کننده Op-Amp است که خروجی بالایی می دهد (VCC، در مورد ما، 9 ولت). تقسیم‌کننده ولتاژ دیگر با استفاده از یک پیش‌تنظیم 10 کیلوی اهمی ایجاد می‌شود و به عنوان ورودی به یک پایه غیر معکوس، پایه 3 مقایسه‌کننده داده می‌شود. LED IR با بایاس Forward با استفاده از VCC و GND روشن می شود. پایه 1 خروجی است بنابراین LED را با مقاومت محدود کننده جریان وصل می کنیم و خروجی سنسور را از اینجا می گیریم تا به عنوان ورودی برای درایور موتور تغذیه شود.

می دانیم که ولتاژ و مقاومت فتودیود بر اساس وجود سطح سیاه یا سفید تغییر می کند. این ولتاژ برای مقایسه با ولتاژ مرجع، به دست آمده از پتانسیومتر، برای دادن ولتاژ بالا یا پایین استفاده می شود. خروجی با استفاده از LED نشان داده می شود.

مدار کنترل کننده موتور L293D

پایه های 4، 5، 13 و 12 اتصال کوتاه شده و به زمین متصل می شوند. پایه 16 پین VCC است. این دو پایه آی سی را تغذیه می کنند. پایه 8 VCC است، ولتاژی که موتورها با آن کار می کنند، باید در اینجا داده شود. از آنجایی که ما از باتری 9 ولتی استفاده می کنیم، هر دو پایه VCC (پایه 8 و پایه 16) را اتصال کوتاه کرده و مستقیماً آن را به 9 ولت می دهیم. پایه 1 و پایه 9 پایه های فعال کننده برای موتورهای مربوطه هستند. پین فعال کننده را به حالت High وصل می کنیم (آن را با VCC اتصال کوتاه کنید). پایه های 3 و 6 باید به یک موتور بروند و پایه های 14 و 11 باید به موتور دیگری بروند. اکنون دو پایه برای خروجی سنسور داریم. این برای راه اندازی موتور در جهت جلو یا عقب استفاده می شود. از آنجایی که ربات ما فقط در جهت جلو حرکت می کند، می توانیم پایه 7 و 10 را به زمین وصل کنیم و خروجی سنسور مادون قرمز را به پایه های 2 و 4 بدهیم.

برای خلاصه کردن اتصالات، زمانی که ورودی HIGH از سنسور IR وجود دارد، ربات به جلو حرکت می کند. هنگامی که یک سطح سفید در زیر ربات وجود دارد، سنسور IR خروجی HIGH  می دهد و از این رو موتورها به جلو می چرخند. اگر هر دو سنسور مادون قرمز به سطح سیاه برخورد کنند، خروجی LOW می دهد و در نتیجه موتور کار نمی کند. در این مرحله، ربات از حرکت به جلو باز می ایستد. اما اگر تنها یکی از سنسورهای IR روی سطح سیاه قرار گیرد، آن سنسور خروجی LOW می دهد در حالی که سنسور IR دیگر که روی سطح سفید قرار دارد خروجی HIGH می دهد، بنابراین یک موتور همچنان می چرخد ​​و از این رو ربات به یک سمت میچرخد.

مونتاژ ربات دنبال کننده خط بدون میکرو

هنگامی که اتصال همه اجزا را فهمیدیم، می‌توانیم ربات Line follow خود را مونتاژ کنیم. برای ساخت این ربات ابتدا به یک شاسی ربات نیاز داریم. در اینجا از یک شاسی ربات آماده ساده استفاده کردیم. سپس موتورها را با مدار IR و مدار کنترلر به کمک مقداری چسب حرارتی مطابق تصویر زیر روی شاسی قرار دادیم.

برای تغذیه ربات، باتری‌های لیتیوم یونی (مانند 18650) به همراه مبدل تقویت کننده (برای تبدیل 3.7 ولت به 5 ولت) ترجیح داده می‌شوند زیرا یک باتری ساده 9 ولتی نمی‌تواند ربات را کامل تغذیه کند. اما در صورت استفاده از 18650، مدارهای شارژ نیز باید گنجانده شود که مدار را کمی پیچیده می کند. از این رو، ما در اینجا از دو باتری 9 ولت به صورت موازی استفاده کرده ایم. یک باتری 9 ولتی قدرت کافی برای به حرکت درآوردن موتورها و مدار IR را تولید نمی کند. بنابراین باید از ترکیب دو باتری به صورت موازی استفاده شود. L293D و آی سی LM358 هر دو می توانند ولتاژ ورودی را تا 9 ولت دریافت کنند.

تست و کالیبراسیون

ما ربات را مونتاژ کرده‌ایم و از آنجایی که نیازی به کد ندارد، زمان آن رسیده است که آن را در عمل ببینیم. برای این کار تنها کاری که باید انجام دهیم این است که ربات را در بالای خط سیاه قرار دهیم و نحوه عملکرد آن را ببینیم.

مزایای طراحی ربات Line Following بدون میکروکنترلر

• ما طراحی مدارهای منطقی پایه را یاد می گیریم.
• ما سنسور IR را می‌سازیم و عملکرد آن را نیز درک می‌کنیم.
• بدون میکروکنترلر، هزینه کل پروژه کاهش می یابد.
• به دلیل عدم وجود میکروکنترلر نیازی به برنامه نویسی نیست.
• مدار ساده است و به تقویت مفاهیم اولیه الکترونیک کمک می کند.