PLANTROBOT: 10 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Alla tycker om att ha växter hemma, men ibland med våra upptagna liv hittar vi inte tid att ta väl hand om dem. Från detta problem kom vi på en idé: Varför inte bygga en robot som skulle ta hand om den åt oss?

Detta projekt består av en växtrobot som tar hand om sig själv. Anläggningen är integrerad i roboten och kommer att kunna vattna sig själv och hitta ljus samtidigt som man undviker hinder. Detta har varit möjligt genom att använda flera sensorer på roboten och anläggningen. Denna Instructable syftar till att vägleda dig genom processen att skapa en växtrobot så att du inte behöver oroa dig för dina växter varje dag!

Detta projekt är en del av Bruface Mechatronics och har genomförts av:

Mercedes Arévalo Suárez

Daniel Blanquez

Baudouin Cornelis

Kaat Leemans

Marcos Martínez Jiménez

Basil Thisse

(Grupp 4)

Steg 1: SHOPPLISTA

Här är en lista över alla produkter du behöver för att bygga denna robot. För varje bit understruken finns en länk tillgänglig:

3D -tryckta motorer stöder X1 (kopiering i 3D)

3D-tryckta hjul + hjulmotoranslutning X2 (kopia i 3D)

AA Nimh -batterier X8

Slipande pappersrulle X1

Arduino Mega X1

Kulhjul X1

Batterihållare X2

Brödbräda för tester X1

Brödbräda till lödning X1

Likströmsmotorer (med pulsgivare) X2

Gångjärn X2

Hygrometer X1

Ljusberoende motstånd X3

Man-hane & han-dam-hoppare

Motorskydd X1

Plant X1 (detta är upp till dig)

Växtkruka X1

Växtstöd X1 (3D -tryckt)

Plaströr X1

Motstånd mot olika värden

Skrappapper X1

Skruvar

Skarpa sensorer X3 (GP2Y0A21YK0F 10-80 cm)

Brytare X1

Vattenpump X1

Vattenbehållartank (liten Tupperware) X1

Trådar

Observera att dessa val är ett resultat av tids- och budgetbegränsningar (3 månader och 200 €). Andra val kan göras efter eget gottfinnande.

Förklaring av de olika valen

Arduino Mega över Arduino Uno: För det första bör vi lika bra förklara anledningen till att vi alls har använt Arduino. Arduino är en elektronisk prototypplattform med öppen källkod som gör det möjligt för användare att skapa interaktiva elektroniska objekt. Det är mycket populärt bland både experter och nybörjare, vilket bidrar till att hitta mycket information om det på Internet. Detta kan vara praktiskt när du har problem med ditt projekt. Vi valde en Arduino Mega framför en Uno eftersom den har fler stift. Faktum är att för antalet sensorer vi använder erbjuder Uno inte tillräckligt med nålar. En Mega är också kraftfullare och kan vara till hjälp om vi lägger till några förbättringar som en WIFI -modul.

Nimh -batterier: En första idé var att använda LiPo -batterier som i många robotprojekt. LiPo har en bra urladdningshastighet och är lätt att ladda. Men vi insåg snart att LiPo och laddare var för dyra. De enda andra batterier som är lämpliga för detta projekt var Nimh. De är faktiskt billiga, laddningsbara och lätta. För att driva motorn behöver vi 8 av dem för att uppnå en matningsspänning från 9,6 V (urladdad) till 12 V (fulladdad).

Likströmsmotorer med pulsgivare: Med tanke på huvudmålet med detta ställdon, ge rotationsenergi till hjulen, valde vi två DC -motorer snarare än servomotorer som har begränsning i rotationsvinkeln och är utformade för mer specifika uppgifter där position måste definieras exakt. Det faktum att ha kodare lägger också till möjligheten att ha högre precision om det behövs. Observera att vi äntligen inte använde kodarna eftersom vi insåg att motorerna var ganska lika och vi behövde inte roboten för att exakt följa en rak linje.

Det finns många likströmsmotorer på marknaden och vi letade efter en som passar vår budget och robot. För att uppfylla dessa begränsningar hjälpte två viktiga parametrar oss att välja motorn: vridmomentet som behövs för att flytta roboten och robotens hastighet (för att hitta varvtalet som behövs).

1) Beräkna varvtalet

Denna robot behöver inte bryta ljudbarriären. För att följa ljuset eller följa någon i ett hus verkar en hastighet på 1 m/s eller 3,6 km/h rimlig. För att översätta det till varvtal använder vi hjulens diameter: 9 cm. Varvtalet ges av: rpm = (60*hastighet (m/s))/(2*pi*r) = (60*1)/(2*pi*0,045) = 212 rpm.

2) Beräkna det maximala vridmoment som behövs

Eftersom denna robot kommer att utvecklas i en platt miljö är det maximala vridmoment som behövs för att starta roboten. Om vi anser att robotens vikt med anläggningen och varje komponent är cirka 3 kilo och med hjälp av friktionskrafterna mellan hjulen och marken kan vi enkelt hitta vridmomentet. Med tanke på en friktionskoefficient på 1 mellan marken och hjulen: Friktionskrafter (Fr) = friktionskoeff. * N (där N är robotens vikt) detta ger oss Fr = 1 * 3 * 10 = 30 N. Vridmomentet för varje motor kan hittas enligt följande: T = (Fr * r)/2 där r är radie på hjulen så T = (30*0,045)/2 = 0,675 Nm = 6,88 kg cm.

Detta är egenskaperna hos den motor vi valde: vid 6V 175 varv / min och 4 kg cm vid 12V 350 varv / min och 8 kg cm. Genom att veta att den kommer att drivas mellan 9,6 och 12V in genom att göra en linjär interpolering verkar det tydligt att ovanstående begränsningar kommer att uppfyllas.

Ljussensorer: Vi valde ljusberoende motstånd (LDR) eftersom deras motstånd varierar snabbt med ljus och spänningen på LDR kan enkelt mätas genom att applicera en konstant spänning på en spänningsdelare som innehåller LDR.

Skarpa sensorer: De används för att undvika hinder. Skarpa avståndssensorer är billiga och enkla att använda, vilket gör dem till ett populärt val för objektdetektering och intervall. De har vanligtvis högre uppdateringshastigheter och kortare maximala detektionsområden än ekolodsintervaller. Det finns många olika modeller på marknaden med olika driftsintervaller. Eftersom de används för att upptäcka hinder i detta projekt valde vi det med ett räckvidd på 10-80 cm.

Vattenpump: Vattenpumpen är en enkel och inte alltför kraftfull pump som är kompatibel med motorernas spänningsintervall för att använda samma mat för båda. En annan lösning för att mata växten med vatten var att ha en vattenbas separerad från roboten men det är mycket enklare att ha en på roboten.

Hygrometer: En hygrometer är en fuktsensor som ska läggas i marken. Det är nödvändigt eftersom roboten behöver veta när krukan är torr för att skicka vatten till den.

Steg 2: MEKANISK DESIGN

I grund och botten består robotens design av en rektangulär låda, med tre hjul på undersidan och ett lock som öppnas på ovansidan. Anläggningen kommer att placeras ovanpå med vattenbehållaren. Växtkrukan placeras i växtkrukfixeringen som skruvas på robotens övre planka. Vattenbehållaren är lite repad på Tupperware på robotens övre planka och vattenpumpen är också repad i botten av vattenbehållaren så att allt enkelt kan tas bort när du fyller på Tupperware med vatten. Ett litet hål görs i locket på behållaren på grund av att vattenröret går in i växtkrukan och att matningen av pumpen går i lådan. Ett hål görs således i lådans övre planka och kablar från hygrometern passerar också genom detta hål.

För det första ville vi att roboten skulle ha en attraktiv design. Därför bestämde vi oss för att gömma den elektroniska delen inuti en låda och lämnade precis utanför anläggningen och vattnet. Detta är viktigt eftersom växter är en del av husets dekoration och inte bör påverka utrymmet visuellt. Komponenterna i lådan är lätt åtkomliga genom ett lock på ovansidan, och sidokåporna har de nödvändiga hålen så att det är lätt att till exempel slå på roboten eller ansluta Arduino till en bärbar dator om vi vill för att programmera det igen.

Komponenterna i lådan är: Arduino, motorstyrenheten, motorerna, LDR, pålhållarna, brödbrädan och gångjärnen. Arduino är monterad på små pelare så att dess botten inte skadas och motorstyrenheten är monterad ovanpå Arduino. Motorerna skruvas fast på motorns fixeringar och motorns fixeringar skruvas sedan fast på lådans bottenplank. LDR är lödda på en liten bit brödbräda. Mini woods plankor limmas på denna brödbräda för att skruva fast den på robotens sidoytor. Det finns en LDR framför, en på vänster sida och en på höger sida så att roboten kan känna riktningen med den högsta mängden ljus. Höghållarna repas på lådans undersida för att enkelt ta bort dem och byta pålarna eller ladda dem. Sedan skruvas brödbrädan fast på bottenplankan med små triangulära pelare med hål i formen av hörnet på brödbrädan för att stödja den. Slutligen skruvas gångjärnen fast på baksidan och ovansidan.

På framsidan skruvas tre vassar direkt för att upptäcka och undvika så bra hinder som möjligt.

Även om den fysiska designen är viktig kan vi inte glömma den tekniska delen, vi bygger en robot och den ska vara praktisk och så långt som möjligt bör vi optimera utrymmet. Detta är anledningen till att välja en rektangulär form, det var det bästa sättet att hitta alla komponenter.

Slutligen, för rörelsen, kommer enheten att ha tre hjul: två standardmotoriserade bak och en kulhjul fram. De visas i en trecykeldrift, konfiguration, främre styrning och bakre körning.

Steg 3: TILLVERKNINGSDELAR

Robotens fysiska utseende kan ändras utifrån ditt intresse. Tekniska ritningar tillhandahålls, vilket kan fungera som en bra grund när du designar din egen.

Laserskurna delar:

Alla sex delar som utgör robotens hölje har laserskurits. Materialet som används för detta har varit återvunnet trä. Denna låda kan också tillverkas av plexiglas som är lite dyrare.

3D -tryckta delar:

De två standardhjulen som är placerade på baksidan av roboten har 3D -tryckts i PLA. Anledningen är att det enda sättet att hitta hjul som uppfyllde alla behov (passform i DC -motorer, storlek, vikt …) var att designa dem själva. Motorfixeringen trycktes också 3D av budgetskäl. Därefter trycktes plantkrukstödet, pelarna som stödde Arduino och hörnen som stödde brödbrädan också för att vi behövde en speciell form som passar i vår robot.

Steg 4: ELEKTRONIK

Skarpa sensorer: De skarpa sensorerna har tre stift. Två av dem är för mat (Vcc och Ground) och den sista är den uppmätta signalen (Vo). För mat har vi den positiva spänningen som kan vara mellan 4,5 och 5,5 V, så vi kommer att använda 5V från Arduino. Vo kommer att anslutas till en av de analoga stiften på Arduino.

Ljussensorer: Ljussensorerna behöver lite krets för att kunna arbeta. LDR sätts i serie med ett 900 kOhm motstånd för att skapa en spänningsdelare. Marken är ansluten vid stiftet på motståndet som inte är anslutet till LDR och 5V på Arduino är anslutet till stiftet på LDR som inte är anslutet till motståndet. Motståndets stift och LDR som är anslutna till varandra är anslutna till en analog stift på Arduino för att mäta denna spänning. Denna spänning varierar mellan 0 och 5V med 5V motsvarande fullt ljus och nära noll motsvarar mörker. Då kommer hela kretsen att lödas på en liten bit brödbräda som får plats i robotens sidoplankor.

Batterier: Batterierna är gjorda av 4 högar mellan 1,2 och 1,5 V vardera mellan 4,8 och 6V. Genom att sätta två högar i serie har vi mellan 9,6 och 12 V.

Vattenpump: Vattenpumpen har en anslutning (strömuttag) av samma typ som matningen av Arduino. Det första steget är att koppla bort anslutningen och dölja tråden för att ha tråden för jord och tråden för positiv spänning. Eftersom vi vill styra pumpen kommer vi att sätta den i serie med en strömstyrbar transistor som används som omkopplare. Därefter sätts en diod parallellt med pumpen för att förhindra bakåtströmmar. Transistorns nedre ben är anslutet till Arduino/batteriernas gemensamma jord, det mellersta till ett digitalt stift på Arduino med ett 1kOhm -motstånd i serie för att omvandla Arduino -spänningen till ström och det övre benet till den svarta kabeln på pumpen. Därefter ansluts pumpens röda kabel till batteriernas positiva spänning.

Motorer och sköld: Skölden måste lödas, den levereras olödd. När detta är gjort placeras det på Arduino genom att klippa alla sköldens huvuden i Arduino -stiften. Skyddet kommer att drivas med batterierna och det kommer sedan att driva Arduino om en bygel är på (orange stift i figuren). Var försiktig så att du inte sätter bygeln när Arduino drivs av ett annat medel än skölden eftersom Arduino sedan skulle driva skölden och det kan bränna anslutningen.

Brödbräda: Alla komponenter kommer nu att lödas på brödbrädet. Marken på en pålhållare, Arduino, motorstyrenheten och alla sensorer kommer att lödas på samma rad (på våra brödbrädor har samma potential). Därefter löds den andra pålhållarens svarta kabel på samma rad som den röda på den första stapelhållaren vars mark redan är lödd. En kabel löds sedan på samma rad som den röda kabeln på den andra stapelhållaren som motsvarar de två i serie. Denna kabel kommer att anslutas till ena änden av omkopplaren och den andra änden kommer att anslutas med en tråd löd på brödbrädan på en ledig rad. Pumpens röda kabel och motorstyrningens matning löds till den här raden (omkopplaren visas inte på figuren). Då löds 5V på Arduino på en annan rad och matningsspänningen för varje sensor kommer att lödas på samma rad. Försök att löda en bygel på brödbrädan och en bygel på komponenten när det är möjligt så att du enkelt kan koppla bort dem och montering av elektriska komponenter blir enklare.

Steg 5: PROGRAMMERING

Program flödesschema:

Programmet har hållits ganska enkelt med begreppet tillståndsvariabler. Som du kan se i flödesschemat inducerar dessa tillstånd också en uppfattning om prioritet. Roboten kommer att verifiera villkoren i denna ordning:

1) I tillstånd 2: Har växten tillräckligt med vatten med funktionen fukt_nivå? Om fuktnivån som mäts av hygrometern är under 500, körs pumpen tills fuktnivån överstiger 500. När anläggningen har tillräckligt med vatten går roboten till tillstånd 3.

2) I tillstånd 3: Hitta riktningen med mest ljus. I detta tillstånd har växten tillräckligt med vatten och måste följa riktningen med mest ljus samtidigt som man undviker hinder. Funktionen light_direction ger riktningen för de tre ljussensorer som tar emot mest ljus. Roboten kommer sedan att driva motorerna för att följa den riktningen med funktionen follow_light. Om ljusnivån är över en viss tröskel (tillräckligt_ljus) stannar roboten för att följa ljus eftersom den har tillräckligt med denna position (stopp_motorer). För att undvika hinder under 15 cm när du följer ljuset har ett funktionshinder implementerats för att återföra hinderets riktning. För att undvika hinder på rätt sätt har funktionen avoid_obstacle implementerats. Denna funktion driver motorn och vet var hindret är.

Steg 6: MONTERING

Monteringen av denna robot är faktiskt ganska lätt. De flesta komponenterna är skruvade på lådan för att säkerställa att de behåller sin plats. Därefter repas hållaren, vattenbehållaren och pumpen.

Steg 7: EXPERIMENTER

Vanligtvis går det inte smidigt när man bygger en robot. Många tester, med följande ändringar, behövs för att få det perfekta resultatet. Här är en utställning av processen med växtroboten!

Det första steget var att montera roboten med motorer, Arduino, motorstyrenhet och ljussensorer med en prototypbrödbräda. Roboten går bara i den riktning där han mätte mest ljus. En tröskel bestämdes för att stoppa roboten om han har tillräckligt med ljus. När roboten gled på golvet la vi till slippapper på hjulen för att simulera ett däck.

Sedan lades de skarpa sensorerna till strukturen för att försöka undvika hinder. Ursprungligen placerades två sensorer på framsidan men en tredje tillkom i mitten eftersom de vassa sensorerna har en mycket begränsad detektionsvinkel. Slutligen har vi två sensorer vid robotens extremiteter som upptäcker hinder vänster eller höger och en i mitten för att upptäcka om det finns ett hinder framför. Hindren upptäcks när spänningen på den skarpa går över ett visst värde som motsvarar ett avstånd på 15 cm till roboten. När hindret är på en sida undviker roboten det och när ett hinder är i mitten stannar roboten. Observera att hinder under vassarna inte går att upptäcka så hinder måste ha en viss höjd för att undvikas.

Därefter testades pumpen och hygrometern. Pumpen skickar vatten så länge hygrometerns spänning är under ett visst värde som motsvarar en torr kruka. Detta värde mättes och bestämdes experimentellt genom testning med torra och fuktiga krukväxter.

Till slut testades allt tillsammans. Anläggningen kontrollerar först om den har tillräckligt med vatten och börjar sedan följa ljuset samtidigt som man undviker hinder.

Steg 8: SLUTTEST

Här är videor om hur roboten äntligen fungerar. Hoppas du gillar det!

Steg 9: VAD har vi lärt oss med detta projekt?

Även om den övergripande återkopplingen av detta projekt är bra eftersom vi lärde oss mycket, har vi varit ganska stressade när vi byggde det på grund av tidsfristerna.

Problem som uppstått

I vårt fall hade vi flera problem under processen. Några av dem var lätta att lösa, till exempel när leveransen av komponenterna försenades letade vi bara efter butiker i staden om vi kunde köpa dem. Andra kräver lite mer tänkande.

Tyvärr var inte alla problem lösta. Vår första idé var att kombinera egenskaper hos husdjur och växter och få det bästa av varje. För växterna skulle vi kunna göra det, med den här roboten kommer vi att kunna ha en växt som dekorerar våra hus och vi behöver inte ta hand om den. Men för husdjuren, vi hittade inte ett sätt att simulera företaget de gör. Vi tänkte på olika sätt att få det att följa människor, och vi började implementera ett men vi saknade tid att slutföra det.

Ytterligare förbättringar

Även om vi hade älskat att få allt vi ville ha, har lärandet med detta projekt varit fantastiskt. Kanske med mer tid kan vi få en ännu bättre robot. Här föreslår vi några idéer för att förbättra vår robot som kanske några av er vill prova:

- Lägga till lysdioder i olika färger (rött, grönt, …) som talar om för användaren när roboten ska laddas. Mätningen av batteriet kan göras med en spänningsdelare med en maxspänning på 5V när batteriet är fulladdat för att mäta denna spänning med en Arduino. Sedan tänds motsvarande lysdiod.

- Lägga till en vattensensor som berättar för användaren när vattenbehållaren ska fyllas på (vattenhöjdssensor).

- Skapa ett gränssnitt så att roboten kan skicka meddelanden till användaren.

Och uppenbarligen kan vi inte glömma målet att få det att följa människor. Husdjur är en av de saker människor älskar mest, och det vore härligt om någon kunde uppnå att roboten simulerar detta beteende. För att underlätta det kommer vi att tillhandahålla allt vi har.

Steg 10: Hur får jag roboten att följa människor?

Vi kom fram till att det bästa sättet att göra det skulle vara att använda tre ultraljudssensorer, en sändare och två mottagare.

Sändare

För sändaren skulle vi vilja ha en 50% driftscykel. För att göra detta måste du använda en 555 -timer, vi hade använt NE555N. På bilden kan du se hur kretsen ska byggas. Men du måste lägga till en extra kondensator vid utgång 3, 1µF till exempel. Motstånden och kondensatorerna beräknas med följande formler: (bilder 1 & 2)

Eftersom en 50% arbetscykel är önskvärd kommer t1 och t2 att vara lika med varandra. Så med en 40 kHz sändare kommer t1 och t2 att vara lika med 1,25*10-5 s. När du tar C1 = C2 = 1 nF kan R1 och R2 beräknas. Vi tog R1 = 15 kΩ och R2 = 6,8 kΩ, se till att R1> 2R2!

När vi testade detta i kretsen på oscilloskopet fick vi följande signal. Skalan är 5 µs/div så att frekvensen i verkligheten kommer att ligga runt 43 kHz. (Bild 3)

Mottagare

Mottagarens insignal blir för låg för att Arduino ska kunna bearbeta exakt, så insignalen måste förstärkas. Detta kommer att göras genom att göra en inverterande förstärkare.

För opampen använde vi en LM318N, som vi drev med 0 V och 5 V från Arduino. För att göra detta var vi tvungna att höja spänningen runt signalen som pendlar. I det här fallet är det logiskt att höja den till 2,5 V. Eftersom matningsspänningen inte är symmetrisk måste vi också placera en kondensator före motståndet. På så sätt har vi också gjort ett högpassfilter. Med de värden som vi hade använt måste frekvensen vara högre än 23 kHz. När vi använde en förstärkning av A = 56 skulle signalen gå in i mättnad vilket inte är bra, så vi använde A = 18 istället. Detta kommer fortfarande att räcka. (Bild 4)

Nu när vi har en förstärkt sinusvåg behöver vi ett konstant värde så att Arduino kan mäta det. Ett sätt att göra det är att göra en toppdetektorkrets. På så sätt kan vi se om sändaren är längre ifrån mottagaren eller i en annan vinkel än tidigare genom att ha en konstant signal som är proportionell mot intensiteten hos den mottagna signalen. Eftersom vi behöver en precisionstoppdetektor sätter vi dioden, 1N4148, i spänningsföljaren. Genom att göra det har vi ingen diodförlust och vi skapade en idealisk diod. För opampen använde vi samma som i den första delen av kretsen och med samma strömförsörjning, 0 V och 5V.

Parallellkondensatorn måste ha ett högt värde, så det kommer att urladdas mycket långsamt och vi ser fortfarande samma toppvärde som det verkliga värdet. Motståndet kommer också att placeras parallellt och kommer inte att vara för lågt, för annars blir urladdningen större. I detta fall är 1,5µF och 56 kΩ tillräckligt. (Bild 5)

På bilden kan den totala kretsen ses. Var ute är utgången, som kommer att gå in i Arduino. Och 40 kHz AC -signalen blir mottagaren, där den andra änden av den kommer att anslutas till marken. (Bild 6)

Som vi sa tidigare kunde vi inte integrera sensorerna i roboten. Men vi tillhandahåller videor från testerna för att visa att kretsen fungerar. I den första videon kan förstärkningen (efter den första OpAmp) ses. Det finns redan en förskjutning på 2,5V på oscilloskopet så signalen är i mitten, amplituden varierar när sensorerna ändrar riktning. När de två sensorerna vetter mot varandra kommer sinusens amplitud att vara högre än när sensorerna har en större vinkel eller avstånd mellan båda. På den andra videon (kretsens utgång) kan den rättade signalen ses. Återigen blir den totala spänningen högre när sensorerna vetter mot varandra än när de inte är det. Signalen är inte helt rak på grund av kondensatorns urladdning och på grund av volt/div. Vi kunde mäta en konstant signal som minskade när vinkeln eller avståndet mellan sensorerna inte längre var optimalt.

Tanken var då att få roboten att ha mottagaren och användaren sändaren. Roboten kunde göra en sväng på sig själv för att upptäcka i vilken riktning intensiteten var den högsta och kunde gå i den riktningen. Ett bättre sätt kan vara att ha två mottagare och följa mottagaren som detekterar den högsta spänningen och ett ännu bättre sätt är att sätta tre mottagare och placera dem som LDR för att veta i vilka riktningar användarens signal sänds ut (rak, vänster eller höger).