建造Roomba類型的功能機器人

描述

項目目標

這個項目的目標是能夠設計和建造一個“Roomba”類型的功能機器人。將來，當然，隨著時間的推移，我們將實現距離傳感器，以僅在檢測到物體在 6 英寸以內時觸發此中斷以更改狀態。這個新的狀態變化將被觸發，以便由 Quade 執行轉向運動以避免碰撞。

未來發展

Quade 正在開發一種“爬行步態”，但尚未完成。這種步態是通過抬起一條腿并向前旋轉而另一條腿緩慢地向后旋轉來操作的，每條腿都會重復這種步態。代碼已開發但未完全實現。這是由于在確定所需角度方面存在不可預見的困難

創建了遠程供電的 Quade 的設計，但也沒有實施。這涉及使用 7.4V LIPO 電池和分壓器，以便將電壓降低到 MSP432 所需的必要 5V。然后，MSP 將能夠為 PCA 板和伺服系統供電。由于缺少將分壓器電路連接到 MSP USB 插座所需的適配器，因此從未實施此添加。

功能框圖

軟件圖

頂級軟件圖：

LED軟件圖：

PCA 到 Servos 軟件圖：

IMU軟件圖：

引腳圖

接線圖

項目要求

操作要求：

• Quade 應識別自身 6 英寸內的障礙物
• Quade 將自動前進
• 當檢測到障礙物時，Quade 應將自身重新定位到右側
• Quade 應在向前移動或重新定位之前評估障礙物的新位置
• Quade 將在前進時閃爍綠色 LED
• Quade 應在轉動時閃爍紅色 LED

物理要求：

• 每個伺服應提供高達 1200 g-cm 的扭矩
• Quade 應穩定，即在空閑或移動時重心應位于足跡內

電源要求：

• Quade 應使用板載電池供電
• MSP432R 應提供 5V
• 每個伺服應提供 5V
• 每個伺服應提供最大電流 494.32 mA
• 7.4 V 電源應轉換為 5V
• 超聲波傳感器應提供 5V
• 超聲波傳感器應提供 15 mA
• IMU 應提供 3.3V
• IMU 應提供 0.55 mA
• PCA 板應提供 3.3V

傳感器要求：

• 超聲波傳感器應接收到 ECHO 引腳的 10mu 波以觸發傳感器
• 超聲波傳感器應返回一個范圍成比例的波
• MSP432R 應轉換從超聲波傳感器接收到的時間和返回距離
• MSP432 應通過 I2C 與 IMU 通信
• MSP432 和 IMU 的 SCL 頻率應在 0 到 100 kHz 之間

測試和調試

2個伺服電機控制的單元測試

磁力計輸出驗證測試：

為了確保伺服運動，需要對每個組件進行單獨測試，以確保正確的結果。在上圖中，通過調試器顯示磁力計已成功連接并正在與 MSP401R 板通信。

與磁力計的 I2C 通信：

雖然確認磁力計通過 I2C 與 MSP 通信，但當 SDA 和 SCL 總線連接到 AD2 時，無法讀取邏輯。Waveforms 軟件不會清除起始位、數據位和確認位，而是讀取錯誤。這是出乎意料的，調試嘗試沒有產生任何結果。這將需要進一步調查。

按下按鈕 S1 時觸發調試器中斷：

必要測試的下一部分是驗證按鈕觸發的中斷是否正常工作。在上圖中，您可以看到按鈕被按下，并且在調試器中，觸發了中斷并執行了伺服代碼。

伺服單元測試的完整電路：

上圖為 2 伺服單元測試的完整電路。總共有5個組件。IMU 通過引腳 1.6 和 1.7 連接到 MSP。PCA 也連接到這些相同的引腳，并具有與 MSP 板的電源和接地連接。最后，有兩個舵機（從 8 個簡化為測試用）連接到 PCA 板。額外的電源連接來自連接到 PCA 板的 10A 5V 電源，以提供移動伺服系統所需的額外電壓。

貿易研究

運動控制貿易研究傳感器

這是為確定創建 Quade 運動的最佳/最可行方法而進行的第一次貿易研究。我們研究了三個選項：紅外線、超聲波和激光距離傳感器。我們用來對這三種方法進行排名的標準是實施的時間/難度、成本和功能。這是按照從 1 到 5 的等級進行的，其中 1 是最差的，5 是最好的。

紅外距離傳感器：10

實施時間/難度：3

我們以前從未使用過紅外傳感器，因此我們需要了解它的工作原理，但它與 MSP432 兼容。

費用：3

adafruit 的紅外距離傳感器的成本為 14.95 美元。

功能：4

它是一種短程距離傳感器，使用紅外光來確定物體的距離。它可以在一天中的任何時間使用，并且可以檢測具有更復雜表面的物體。

超聲波距離傳感器：13

實施時間/難度：4

我們已經使用超聲波距離傳感器進行了一個項目，因此我們熟悉它的工作原理，這意味著它應該更容易實現。

費用：5

這確實來自我們的課程套件，因此團體成員無需額外費用，盡管 Sparkfun 的費用為 3.95 美元。

功能：4

它是一種短程距離傳感器，使用聲波來確定其附近物體的距離。因為它使用聲波，Quade 可以在幾乎任何環境中的任何時間使用。它確實無法檢測具有極端表面的物體，但我們不希望遇到這樣的物體。此外，我們項目的應用不需要遠程目標檢測。

激光距離傳感器：9

實施時間/難度：2

我們以前從未使用過 LiDAR 傳感器，因此我們需要學習如何使用它，但它與 MSP432 兼容。

費用：2

我們能找到的最低 LiDAR 傳感器成本是 Seeed Studio 的 39.95 美元。

功能：5

它是一種遠程距離傳感器，使用激光來確定物體的距離。它非常準確，可以高頻檢查物體，因此可以檢測快速移動的物體。激光雷達可以晝夜使用，由于波長較短，可以探測到更小的物體。

在這些條件下，我們確定最適合我們的 Quade 運動實施的是使用超聲波距離傳感器。