使用Arduino和LM393傳感器測量移動(dòng)機(jī)器人

描述

LM393 速度傳感器模塊 (H206)

在開始項(xiàng)目的電路圖和代碼之前，讓我們先了解一下LM393速度傳感器模塊，因?yàn)樗陧?xiàng)目中起著至關(guān)重要的作用。H206速度傳感器模塊由紅外光傳感器和LM393電壓比較器IC組成，故命名為LM393速度傳感器。該模塊還包括一個(gè)網(wǎng)格板，該網(wǎng)格板必須安裝在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上。所有組件都在下圖中標(biāo)出。

紅外光傳感器由紅外發(fā)光二極管和光電晶體管組成，由一個(gè)小間隙隔開。如上圖所示，整個(gè)傳感器設(shè)備被放置在一個(gè)黑色的外殼中。柵板由凹槽組成，板設(shè)置在紅外光傳感器的間隙之間，使傳感器能夠感應(yīng)到柵板中的間隙。柵板中的每個(gè)縫隙在通過縫隙時(shí)都會觸發(fā)IR傳感器；然后使用比較器將這些觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為電壓信號。比較器使用 ON Semiconductor 的 LM393 IC。模塊有3個(gè)引腳，其中2個(gè)用于給模塊供電，1個(gè)輸出引腳用于統(tǒng)計(jì)觸發(fā)次數(shù)。

H206 傳感器安裝

安裝這些類型的傳感器有點(diǎn)棘手。只能安裝在軸兩側(cè)突出的電機(jī)上。軸的一側(cè)連接車輪，而另一側(cè)用于安裝網(wǎng)格，如上圖所示。

由于車輪和車輪連接在同一軸上，都以相同的速度旋轉(zhuǎn)，因此通過測量車輛速度，我們可以測量車輪的速度。在傳感器可以計(jì)算通過的間隙數(shù)量之前，請確保網(wǎng)格板中的間隙通過紅外傳感器。只要滿足規(guī)定條件，也可以自行設(shè)置機(jī)械裝置安裝傳感器。紅外傳感器常用于許多機(jī)器人項(xiàng)目中，用于引導(dǎo)機(jī)器人了解障礙物。

上面顯示的網(wǎng)格板有 20 個(gè)槽（網(wǎng)格）。這意味著傳感器將發(fā)現(xiàn)車輪一整圈的 20 個(gè)間隙。通過計(jì)算傳感器檢測到的間隙數(shù)量，我們可以計(jì)算出車輪行進(jìn)的距離，同樣通過測量傳感器發(fā)現(xiàn)的間隙的速度，我們可以檢測出車輪的速度。在我們的機(jī)器人中，我們將此傳感器安裝在兩個(gè)輪子上，因此我們也可以找到機(jī)器人的角度。但是，使用加速度計(jì)或陀螺儀可以更明智地計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度。在這里我們學(xué)習(xí)使用Arduino將加速度計(jì)與陀螺儀連接，并嘗試使用它們來測量旋轉(zhuǎn)角度。

示意圖

速度和距離傳感機(jī)器人的完整電路圖如下所示。該機(jī)器人以Arduino Nano為大腦，兩個(gè)用于車輪的直流電機(jī)由L298N H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)。操縱桿用于控制機(jī)器人的速度和方向，兩個(gè)速度傳感器H206用于測量機(jī)器人的速度、距離和角度。然后，測量值顯示在 1602 LCD 模塊中。連接到 LCD 的電位器可用于調(diào)節(jié) LCD 的對比度，電阻器用于限制流向 LCD 背光的電流。

整個(gè)電路由7.4V鋰電池供電。7.4V 電源提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的 12V 引腳。然后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上的穩(wěn)壓器將 7.4V 轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓 + 5V，為 Arduino、LCD、傳感器和操縱桿供電。

電機(jī)由 Arduino 數(shù)字引腳 8、9、10 和 11 控制。由于還必須控制電機(jī)的速度，因此我們應(yīng)該向電機(jī)的正極提供 PWM 信號。因此，我們有引腳 9 和 10，它們都是 PWM 引腳。操縱桿的 X 和 Y 值分別使用模擬引腳 A2 和 A3 讀取。

我們知道 H206 傳感器在檢測到網(wǎng)格中的間隙時(shí)觸發(fā)。由于無法始終準(zhǔn)確地讀取這些觸發(fā)器來計(jì)算正確的速度和距離，因此觸發(fā)器（輸出）引腳連接到 Arduino 板的外部中斷引腳 2 和 3。將整個(gè)電路組裝在底盤上，按照說明安裝速度傳感器。連接完成后，機(jī)器人將如下圖所示。

硬件部分已經(jīng)完成。下面讓我們深入了解如何測量機(jī)器人的速度、距離和角度，然后進(jìn)入編程部分。

使用 H206 傳感器測量速度背后的邏輯

從傳感器安裝設(shè)置中，您應(yīng)該知道 H206 傳感器僅測量網(wǎng)格中存在的間隙。安裝時(shí)，確保車輪（應(yīng)測量其速度）和擋板以相同的速度旋轉(zhuǎn)。就像這里一樣，由于我們將輪子和輪子安裝在同一根軸上，它們都會以相同的速度旋轉(zhuǎn)。

在我們的設(shè)置中，我們?yōu)槊總€(gè)車輪安裝了兩個(gè)傳感器來測量機(jī)器人的角度。但如果您的目標(biāo)只是測量速度和距離，我們可以將傳感器安裝在任何車輪上。傳感器的輸出（觸發(fā)信號）最常連接到微控制器的外部中斷引腳。每次檢測到網(wǎng)格中的間隙時(shí)，都會觸發(fā)中斷并執(zhí)行 ISR（中斷服務(wù)程序）中的代碼。如果我們可以計(jì)算出兩個(gè)這樣的觸發(fā)器之間的時(shí)間間隔，我們就可以計(jì)算出車輪的速度。

在 Arduino 中，我們可以使用 millis() 函數(shù)輕松計(jì)算出這個(gè)時(shí)間間隔。由于設(shè)備上電，這個(gè)毫秒函數(shù)會每毫秒增加1。因此，當(dāng)?shù)谝淮沃袛喟l(fā)生時(shí)，我們可以將millis()的值保存在一個(gè)啞變量中（比如代碼中的pevtime），然后當(dāng)?shù)诙沃袛喟l(fā)生時(shí)，我們可以計(jì)算出從millis()中減去所需要的時(shí)間為 pevtime 值。

公式：

所用時(shí)間=當(dāng)前時(shí)間-上一次

timetaken = millis()-pevtime; //以毫秒為單位的時(shí)間

一旦我們計(jì)算了使用的時(shí)間，我們可以使用以下公式簡單地計(jì)算 rpm 的值，其中 (1000 / timetaken) 給出 RPS（每秒轉(zhuǎn)數(shù)）并將其乘以 60 以將 RPS 轉(zhuǎn)換為 RPM 每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）。

公式：

rpm=(1000/timetaken)*60；

計(jì)算出速度后，我們可以使用下面的公式來計(jì)算車輛的速度，前提是我們知道車輪的半徑。

公式：

速度 = 2π × RPS × 車輪半徑。

v = radius_of_wheel * rpm * 0.104

請注意，上述公式用于計(jì)算速度，單位為 m/s。如果要使用 km / hr，請將 0.0104 替換為 0.376。如果您想知道如何獲得 0.104 的值，請嘗試簡化公式 V = 2π × RPS × 車輪半徑。

即使霍爾傳感器用于測量旋轉(zhuǎn)物體的速度，也使用相同的技術(shù)。但是H206傳感器有一個(gè)缺陷，網(wǎng)格板有20個(gè)插槽，所以用來測量兩個(gè)插槽間隙的時(shí)間會使單片機(jī)過載。因此，我們只測量車輪完全旋轉(zhuǎn)時(shí)的速度。由于每個(gè)間隙都會產(chǎn)生兩次中斷（一個(gè)在間隙開始，另一個(gè)在間隙結(jié)束），我們將總共獲得 40 次中斷，以使輪子完成一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)。所以我們在實(shí)際計(jì)算輪速之前等待 40 次中斷。代碼如下。

代碼：

如果（旋轉(zhuǎn)> = 40）

{

timetaken = millis()-pevtime; //以毫秒為單位的時(shí)間

rpm=(1000/timetaken)*60；//計(jì)算轉(zhuǎn)速的公式

pevtime = 毫秒（）；

旋轉(zhuǎn)=0；

}

這種方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是速度值不會降到零，因?yàn)橹袛鄷恢钡却囕喭瓿梢蝗碛?jì)算轉(zhuǎn)速值。通過添加一個(gè)簡單的代碼來監(jiān)控兩個(gè)中斷之間的時(shí)間間隔，可以輕松克服這個(gè)缺點(diǎn)。如果它超過正常值，那么我們可以將 rpm 和速度值強(qiáng)制為零。鏈接 在下面的代碼中，我們使用變量 dtime 來檢查時(shí)間差。如果超過 500 毫秒，則將速度和 rpm 值強(qiáng)制為零。

代碼：

/*如果車輛停止則降為零*/

if(millis()-dtime>500) //500ms 內(nèi)沒有找到 inetrrupt

{

轉(zhuǎn)速= v = 0；// 使 rpm 和速度為零

dtime=毫秒（）；

}

測量車輪行駛距離背后的邏輯

我們已經(jīng)知道，當(dāng)輪子完成一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)時(shí)，Arduino 會感應(yīng)到 40 次中斷。因此，對于輪子每轉(zhuǎn)一圈，顯然輪子行進(jìn)的距離等于輪子的周長。由于我們已經(jīng)知道車輪的半徑，我們可以使用以下公式輕松計(jì)算覆蓋距離。

距離 = 2πr * 轉(zhuǎn)數(shù)

距離 = (2*3.141*radius_of_wheel) * (left_intr/40)

在使用公式 2πr 計(jì)算車輪周長的情況下，然后乘以車輪的轉(zhuǎn)數(shù)。

測量機(jī)器人角度背后的邏輯

確定機(jī)器人角度的方法有很多。加速度計(jì)和陀螺儀通常用于確定這些值。但另一種便宜的方法是在兩個(gè)車輪上都使用 H206 傳感器。這樣，我們就可以知道每個(gè)輪子的轉(zhuǎn)數(shù)。下圖說明了如何計(jì)算角度。

機(jī)器人初始化時(shí)，其所面對的角度為 0°。從那里開始，當(dāng)它向左旋轉(zhuǎn)初始化機(jī)器人時(shí)，它所面對的角度被認(rèn)為是 0°。從那里它向左旋轉(zhuǎn)，角度負(fù)增加，如果它向右旋轉(zhuǎn)，角度增加正。為了便于理解，讓我們考慮 -90 到 +90 的范圍，如圖所示。在這種布置中，由于兩個(gè)輪子的直徑相同，如果任一輪子完全旋轉(zhuǎn)，我們將以 90° 的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。

例如，如果左輪完成一圈（80 次中斷），機(jī)器人將向左轉(zhuǎn) 90°，如果右輪完成一圈（80 次中斷），機(jī)器人將向右轉(zhuǎn) 90°。現(xiàn)在我們知道，如果Arduino在一個(gè)輪子上檢測到80次中斷，那么機(jī)器人已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)了90°，我們可以通過正（右）或負(fù)（左）來判斷機(jī)器人是在旋轉(zhuǎn)。所以可以用下面的公式來計(jì)算左右角：

公式：

int angle_left = (left_intr % 360) * (90/80) ;

int angle_right = (right_intr % 360) * (90/80) ;

90 是中斷 80 時(shí)所覆蓋的角度。結(jié)果值乘以中斷次數(shù)。我們還使用了 360 的模數(shù)，因此得到的值不超過 36。一旦我們計(jì)算了左右角，我們可以通過從右角中減去左角來簡單地獲得機(jī)器人所面對的有效角度。

角度 = 角度右 - 角度左；

Arduino編程

我們通過為兩個(gè)電機(jī)定義數(shù)字 I/O 引腳來啟動(dòng)程序。請注意，我們還必須控制電機(jī)的速度，因此必須使用 Arduino 上的 PWM 引腳來控制電機(jī)。此處使用引腳 8、9、10 和 11。

代碼：

#define LM_pos 9 // 左電機(jī)

#define LM_neg 8 // 左電機(jī)

#define RM_pos 10 // 右電機(jī)

#define RM_neg 11 // 右電機(jī)

#定義joyX A2

#definejoyY A3

要測量行駛的速度和距離，我們需要知道車輪的半徑，測量值以米為單位輸入，如下所示。對于機(jī)器人，半徑為 0.033 米，但根據(jù)您的機(jī)器人，可能會有所不同。

代碼：

浮動(dòng)radius_of_wheel = 0.033；//測量你的輪子的半徑并在這里輸入厘米

在 setup 函數(shù)中，我們將所有值初始化為零，然后在 LCD 上顯示一個(gè)簡短的文本。我們還初始化了串行監(jiān)視器以進(jìn)行調(diào)試。然后我們提到速度傳感器 H206 連接到引腳 2 和 3 作為外部中斷。這是檢測到中斷的地方，ISR 函數(shù) Left_ISR 和 Right_ISR 將相應(yīng)地執(zhí)行。

代碼：

無效設(shè)置（）

{

旋轉(zhuǎn) = rpm = pevtime = 0；//將所有變量初始化為零

序列號.開始（9600）；

lcd.begin(16, 2); //初始化16*2 LCD

lcd.print("機(jī)器人監(jiān)視器"); //介紹消息第 1 行

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("-CircuitDigest"); //介紹消息第 2 行

延遲（2000）；

lcd.clear();

lcd.print("Lt: Rt:");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("S:D:A:");

pinMode（LM_pos，輸出）；

pinMode（LM_neg，輸出）；

pinMode（RM_pos，輸出）；

pinMode（RM_neg，輸出）；

數(shù)字寫入（LM_neg，低）；

數(shù)字寫入（RM_neg，低）；

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), Left_ISR, CHANGE); //Left_ISR在左輪傳感器被觸發(fā)時(shí)調(diào)用

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(3), Right_ISR, CHANGE);//右輪傳感器觸發(fā)時(shí)調(diào)用Right_ISR

}

在 Left_ISR 函數(shù)代碼中，我們簡單地添加了一個(gè)名為 left_intr 的變量，稍后將使用該變量來測量機(jī)器人的角度。在 Right_ISR 內(nèi)部，我們做同樣的事情，但除此之外，我們還在此處計(jì)算速度。每次中斷都會增加變量旋轉(zhuǎn)，然后使用上面的邏輯來計(jì)算速度。

代碼：

無效 Left_ISR()

{

left_intr++；延遲（10）；

}

無效 Right_ISR()

{

right_intr++; 延遲（10）；

旋轉(zhuǎn)++；

dtime=毫秒（）；

如果（旋轉(zhuǎn)> = 40）

{

timetaken = millis()-pevtime; //以毫秒為單位的時(shí)間

rpm=(1000/timetaken)*60；//計(jì)算轉(zhuǎn)速的公式

pevtime = 毫秒（）；

旋轉(zhuǎn)=0；

}

}

在主循環(huán)函數(shù)中，我們監(jiān)控操縱桿中 X 和 Y 的值。根據(jù)移動(dòng)操縱桿的值，我們相應(yīng)地控制機(jī)器人。機(jī)器人的速度取決于操縱桿的推動(dòng)距離。

代碼：

int xValue = 模擬讀取（joyX）；

int yValue = 模擬讀取（joyY）；

int 加速度 = 地圖 (xValue, 500, 0, 0, 200);

如果 (xValue<500)

{

類比寫入（LM_pos，加速度）；

模擬寫入（RM_pos，加速度）；

}

別的

{

類比寫入（LM_pos，0）；

模擬寫入（RM_pos，0）；

}

如果（y值>550）

類比寫入（RM_pos，80）；

如果（y值<500）

類比寫入（LM_pos，100）；

以下函數(shù)將幫助用戶移動(dòng)機(jī)器人并檢查獲得的值是否符合預(yù)期。最后，我們可以用上面的邏輯計(jì)算出機(jī)器人的速度、距離和角度，并用下面的代碼在LCD上顯示出來。

代碼：

v = radius_of_wheel * rpm * 0.104；//0.033 是車輪的半徑，以米為單位

距離 = (2*3.141*radius_of_wheel) * (left_intr/40);

int angle_left = (left_intr % 360) * (90/80) ;

int angle_right = (right_intr % 360) * (90/80) ;

角度 = 角度右 - 角度左；

lcd.setCursor(3, 0); lcd.print(""); lcd.setCursor(3, 0); lcd.print(left_intr);

lcd.setCursor(11, 0); lcd.print(""); lcd.setCursor(11, 0);lcd.print(right_intr);

lcd.setCursor(2, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(2, 1);lcd.print(v);

lcd.setCursor(9, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(9, 1);lcd.print(距離);

lcd.setCursor(13, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(13, 1);lcd.print(角度);

測試 Arduino 機(jī)器人以測量距離、速度和角度

硬件準(zhǔn)備好后，將代碼上傳到 Arduino 并使用操縱桿移動(dòng)機(jī)器人。機(jī)器人的速度、距離和角度將顯示在液晶屏上，如下圖所示。

在 LCD 上，術(shù)語 Lt 和 Rt 分別表示左中斷計(jì)數(shù)和右中斷計(jì)數(shù)。您會發(fā)現(xiàn)傳感器檢測到的每個(gè)間隙都會增加這些值。時(shí)間 S 表示機(jī)器人的速度，單位為米/秒，項(xiàng) D 表示距離，單位為米。機(jī)器人的角度以0°顯示為直線的終點(diǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。

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