در مسیر ساخت یک ربات خودرو خودران، یکی از مهم‌ترین مراحل، تهیه و آماده‌سازی تجهیزات و قطعات مورد نیاز است. بدون داشتن یک مجموعه مناسب و منظم از سخت‌افزارها، روند توسعه و پیاده‌سازی سیستم‌های هوشمند و کنترل خودرو، بسیار دشوار و حتی غیرممکن خواهد بود. این مرحله پایه‌ای است که تمامی سخت‌افزارها و ابزارهای مورد نیاز پروژه بر اساس آن انتخاب و جمع‌آوری می‌شود. در این بخش، ما سعی کرده‌ایم تمامی تجهیزات ضروری که برای ساخت یک خودرو خودران ابتدایی قابل پیاده‌سازی است را معرفی کنیم. از قطعات الکترونیکی و مکانیکی گرفته تا ابزارهای لازم برای مونتاژ و برنامه‌نویسی، همگی در این فهرست جای دارند. هدف نهایی این است که شما با آگاهی کامل تجهیزات مورد نیاز، بتوانید تجهیزات لازم را تهیه و آماده کنید، تا در مرحله بعد، فرآیند طراحی و ساخت سیستم‌های خودران را به بهترین شکل آغاز نمایید. در ادامه، لیستی از قطعات، سخت‌افزارها و ابزارهای مورد نیاز آورده شده است. توصیه می‌شود پیش از شروع، این تجهیزات را تهیه و بررسی کنید تا بتوانید پروژه‌تان را بدون مشکل و با اطمینان پیش ببرید. این سرمایه‌گذاری اولیه، نقش کلیدی در موفقیت نهایی پروژه شما دارد. در ادامه با آموزشگاه خانه رباتیک ایران همراه باشید.
آماده‌سازی و تجهیزات لازم در فرآیند ساخت یک خودروی خودران
آماده‌سازی و تجهیزات لازم در فرآیند ساخت یک خودروی خودران، مرحله اولیه اغلب شامل طراحی دقیق قسمت‌های مختلف و تهیه تجهیزات مورد نیاز است. در پروژه‌ای که در حال انجام آن هستیم، اولین قدم طراحی بدنه خودرو به صورت دیجیتال در نرم‌افزار SolidWorks است. این طراحی به دقت و با جزئیات فراوان انجام شد تا قالب نهایی بدنه، مطابق با نیازهای پروژه باشد. پس از اتمام طراحی دیجیتال، از طریق پرینتر سه‌بعدی، مدل فیزیکی بدنه را ساختیم تا بتوانیم آن را در مراحل بعدی به صورت واقعی مورد استفاده قرار دهیم. در ادامه، تمرکز بر روی قسمت‌های مکانیکی و کنترل، از جمله نصب و تنظیم فرمان و محور چرخ‌های جلو، انجام گرفت. این مراحل اساسی، پایه‌ای برای کنترل صحیح خودرو در مسیر حرکت است و نیازمند قطعات و ابزارهای دقیق و مناسب است. برای انجام این کار، ابتدا تجهیزات مربوط به فرمان، سنسورها و موتورهای کنترلی را تهیه کرده و به دقت نصب و تنظیم نمودیم. در بخش‌های آینده، به جزئیات هر کدام از این مراحل و همچنین تجهیزات و ابزارهای مورد نیاز برای ساخت و راه‌اندازی این قسمت‌ها خواهیم پرداخت. هدف این است که با داشتن درک کامل از روند کار و تجهیزات مورد نیاز، بتوانید پروژه ساخت خودروی خودران خود را با موفقیت مرحله به مرحله پیش ببرید.
انتخاب و پیاده‌سازی بخش حرکتی ربات
پس از اتمام مراحل طراحی و ساخت بدنه، مرحله مهم بعدی انتخاب و پیاده‌سازی بخش حرکتی ربات است. برای این منظور، ابتدا پردازنده مرکزی یعنی بردهای کنترل را بررسی و انتخاب کردیم. در نهایت، برد آردوینو یونو را به‌عنوان مغز کنترل سیستم حرکت و فرمان ربات برگزیدیم.
دلایل انتخاب آردوینو یونو:
– ساده و کاربرپسند بودن: آردوینو یونو یکی از محبوب‌ترین و راحت‌ترین بردهای توسعه برای پروژه‌های مبتدی و متوسط است. این برد قابلیت برنامه‌نویسی آسان با زبان Arduino IDE را دارد.
– پشتیبانی وسیع و مستندات فراوان: جامعه بزرگ کاربران، نمونه‌های کد، آموزش‌ها و پروژه‌های متنوع، کار با این برد را بسیار ساده می‌کند.
– توانایی کنترل دقیق موتور و سروو موتور: با تعداد پین‌های I/O کافی، می‌توان همزمان موتور و سنسورها را کنترل کرد.
– مناسب برای پروژه‌های رباتیک و سیستم‌های کنترل حرکتی: ویژگی‌هایی مانند پشتیبانی از PWM برای کنترل سرعت و کنترل حرکت دقیق، آردوینو یونو را گزینه‌ای ایده‌آل می‌نماید.
قسمت‌های حرکتی:
برای حرکت ربات، از یک موتور DC بهره بردیم. این موتور توانایی چرخش در جهت‌های مختلف و ایجاد حرکت سریع را دارد و برای انتقال قدرت به چرخ‌ها مناسب است. همچنین، برای قسمت فرمان یا کنترل مسیر، از سروو موتور استفاده کردیم. دلیل این انتخاب عبارتند از:
– دقت بالا در کنترل فرمان: سروو موتور قادر است زوایای مشخص و دقیقی را به صورت مکرر و با سرعت بالا تنظیم کند، بنابراین برای قسمت فرمان مناسب است.
– سهولت در کدگذاری و کنترل: سروو موتورها معمولا بدون نیاز به کنترل پیچیده، با فرمان‌های PWM کنترل می‌شوند و کار با آن‌ها راحت است.
– پایداری و ثبات در موقعیت‌گیری: سروو موتور قابلیت نگهداری در حالت ثابت را دارد که برای حالت‌های توقف و تغییر مسیر اهمیت دارد.
سنسور فاصله سنج:
برای کمک به ناوبری و تشخیص موانع، از سنسور التراسونیک استفاده کردیم. دلایل این انتخاب عبارتند از:
– قیمت مناسب و در دسترس بودن: سنسورهای التراسونیک ارزان و در بازار بسیار رایج هستند.
– دقت قابل قبول در فاصله‌سنجی: این سنسورها قادرند فاصله‌های نسبتا دقیقی را به صورت دیجیتال اندازه‌گیری کنند و برای پروژه‌های مبتدی بسیار مناسب هستند.
– نصب و راه‌اندازی آسان: به دلیل ساختار ساده، می‌توان در زمان کوتاه و بدون نیاز به مراحل پیچیده، این سنسورها را نصب و کد گذاری کرد.
منبع تغذیه:
برای تامین برق قسمت حرکتی، از باتری‌های لیتیومی استفاده کردیم. دلایل این انتخاب عبارتند از:
– سبک و قابل حمل بودن: باتری‌های لیتیومی نسبت به باتری‌های دیگر، وزن پایین و حجم مناسبی دارند.
– ظرفیت بالای انرژی: این باتری‌ها توانایی تامین انرژی در مدت طولانی و جریان مناسب را دارند، که برای حرکت مداوم موتورهای DC و سروو موتور ضروری است.
– امکان استفاده از ماژول کاهنده ولتاژ: برای اینکه ولتاژ خروجی باتری با نیازهای مدارهای کنترل و سنسورها تطابق داشته باشد، از ماژول کاهنده ولتاژ استفاده کردیم. این ماژول اجازه می‌دهد ولتاژ ثابت و مناسب برای آردوینو و دیگر قطعات تامین شود، بدون آنکه نگران نوسان ولتاژ و آسیب دیدن مدارها باشیم. —
در مجموع، این انتخاب‌ها بر اساس سه هدف اصلی بود:
۱. سهولت در توسعه و برنامه‌نویسی
۲. کنترل دقیق و پایدار حرکت و فرمان‌دهی
۳. تامین انرژی مناسب و مطمئن برای عملیات مستمر ربات
در قسمت‌های آینده، به جزئیات پیاده‌سازی و برنامه‌نویسی این تجهیزات خواهیم پرداخت.
قسمت پردازشی:
قسمت پردازشی و سیستم تصویربرداری برای بخش پردازشی و سیستم بینایی ربات خودران، تصمیم گرفتیم از برد رز Raspberry Pi 5 استفاده کنیم.
دلایل انتخاب Raspberry Pi 5 عبارتند از:
– قدرت پردازش بالا: Raspberry Pi 5 با چیپ‌ست قوی و حافظه رم مناسبی، امکان اجرای الگوریتم‌های پیچیده پردازش تصویر و یادگیری ماشین را فراهم می‌کند. این قابلیت برای تحلیل تصویر دریافتی از دوربین و تشخیص موانع و مسیر، حیاتی است.
– پشتیبانی از پورت‌های متعدد و ورودی و خروجی‌های گسترده: این برد دارای پورت‌های USB، HDMI، GPIO و سایر پورت‌های استاندارد است که امکان اتصال آسان دوربین، سنسورها و سایر تجهیزات را فراهم می‌کند.
– پشتیبانی از سیستم‌عامل‌های قدرتمند: این برد قابلیت اجرای سیستم‌عامل‌هایی مانند Linux را دارد، که توسعه نرم‌افزارهای هوشمند و دسترسی به کتابخانه‌های پردازش تصویر، مانند OpenCV، و یادگیری ماشین را آسان می‌کند.
– پایداری و عملکرد مستمر: در پروژه‌های بلندمدت و نیازمند پردازش مداوم، Raspberry Pi 5 عملکرد بسیار خوبی دارد و مطمئن بودن در عملکرد آن اهمیت زیادی دارد.
سیستم تصویربرداری (دوربین)
برای جمع‌آوری میدان دید و اطلاع از محیط اطراف، از دوربین Raspberry Pi Camera Module استفاده کردیم. دلایل این انتخاب عبارتند از:
– توافق کامل با برد Raspberry Pi: این دوربین به صورت مستقیم و بدون نیاز به تجهیزات جانبی خاص، روی برد نصب شده و بهترین سازگاری را دارد.
– کیفیت تصویر مناسب برای پردازش: دوربین با رزولوشن مطلوب، اجازه می‌دهد فرآیندهای تشخیص مسیر و موانع با دقت انجام شود.
– سازگاری و سهولت نصب: نصب و راه‌اندازی آسان، نیاز به تنظیمات پیچیده ندارد و راه را برای توسعه سریع نرم‌افزار هموار می‌کند.
منبع تغذیه:
قسمت پردازش برای تامین برق قسمت پردازشی، از پاور بانک استفاده کردیم که مزایای زیر را دارد:
– قابل حمل بودن: پاور بانک به راحتی قابل حمل است و می‌تواند ربات را در محیط‌های مختلف بدون نیاز به منبع برق ثابت، راه‌اندازی کند.
– تامین جریان و ولتاژ پایدار: پاور بانک‌های با کیفیت، جریان ثابت و پایدار تولید می‌کنند که برای عملکرد پایدار Raspberry Pi و دوربین ضروری است.
– انعطاف در و جود در محیط‌های مختلف: به دلیل قابل حمل بودن، می‌توانید ربات را در مسیرهای مختلف بدون نگرانی درباره منبع تغذیه کار کنید.
جمع‌بندی دلایل انتخاب‌ها:
در کل، انتخاب Raspberry Pi 5 به عنوان مغز مرکزی پروژه، به دلیل قدرت بالا و قابلیت‌های توسعه یافته آن است تا بتوانیم الگوریتم‌های پیچیده پردازش تصویر و برنامه‌های هوشمند را راه‌اندازی کنیم. استفاده از دوربین مخصوص این برد، امکان جمع‌آوری داده‌های تصویری با کیفیت بالا را فراهم می‌کند. و در نهایت، پاور بانک قابل حمل، امکان اجرای پروژه در محیط‌های مختلف بدون نیاز به منبع برق ثابت را تضمین می‌کند.
جمع‌بندی پارت یک: آماده‌سازی و تجهیزات لازم در این بخش، تمامی تجهیزات و قطعات ضروری برای ساخت ربات خودران مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا، طراحی بدنه و ساخت آن با استفاده از نرم‌افزار SolidWorks و پرینتر سه‌بعدی انجام شد تا قالب نهایی ساخته شود. سپس، قسمت‌های مکانیکی شامل فرمان و محور چرخ‌های جلو نصب و تنظیم گردید، که نقش کلیدی در کنترل مسیر و حرکت نرم ربات دارند. در بخش سخت‌افزارهای کنترل، با انتخاب آردوینو یونو به عنوان مغز سیستم حرکت، کار کنترل موتور و سروو فرمان را آسان و مطلوب ساختیم. موتور DC و سروو موتور برای حرکت و فرمان‌دهی، به همراه سنسور التراسونیک برای تشخیص موانع، موارد اصلی کنترل حرکتی بودند. استفاده از باتری‌های لیتیومی و ماژول کاهنده ولتاژ، انرژی لازم را تامین و پایداری سیستم را تضمین کردند. در قسمت پردازش، Raspberry Pi 5 به عنوان مغز اصلی سیستم تصویری و هوشمند انتخاب شد؛ چرا که قدرت پردازش بالا، پشتیبانی از سیستم‌عامل و قابلیت‌های گسترده، این برد را برای تحلیل تصویر و مدیریت الگوریتم‌های پیچیده مناسب کرده است. همچنین، دوربین Raspberry Pi Camera Module برای جمع‌آوری داده‌های تصویری و ناوبری، در کنار پاور بانک به عنوان منبع تغذیه قابل حمل، این قسمت را کامل و مستقل کرد. در نهایت، این تجهیزات و انتخاب‌ها بر پایه نیازهای پروژه، کارایی و سادگی در توسعه صورت گرفت و پایه‌ای استوار برای ادامه مراحل ساخت، توسعه و آزمایش سیستم خودران فراهم می‌کند. در قسمت‌های بعدی، به جزئیات دقیق‌تر نصب، برنامه‌نویسی و راه‌اندازی این تجهیزات خواهیم پرداخت.