Circuito per veicoli con inseguitore di linea semplice che utilizza amplificatori operazionali

L'articolo spiega un semplice circuito del veicolo con inseguitore di linea, noto anche come veicolo con inseguitore di linea, che utilizza solo un paio di amplificatori operazionali e pochi altri componenti, senza utilizzare Arduino o microcontrollori complessi.

Cos'è un Line Follower Vehicle

Un veicolo che segue la linea è una forma di veicolo a guida automatica (AGV) che funziona rilevando una linea bianca tracciata o incastonata nel terreno. Il segnale dei rilevatori comanda alle ruote motorizzate di girare e regolarsi automaticamente in base alla linea, dando l'impressione che il veicolo stia seguendo la linea. Da qui la linea del nome follower.

Fondamentalmente i rilevatori sono nella forma di foto resistenze come LDR o rivelatori di luce a semiconduttori come fotodiodi o foto transistor .

Un paio di questi rilevatori di luce sono utilizzati che rilevano la luce riflessa dalla linea bianca e commutano un circuito transistorizzato o comparatori basati su amplificatori operazionali, che a loro volta controllano i motori delle ruote del veicolo per manovrare in base alle svolte e alle curve della linea bianca sul terreno.

Utilizzo dei comparatori di finestre

Nel circuito del veicolo line follower proposto, ne abbiamo usati un paio comparatori operazionali stava impegnando i motori nell'atto di bilanciamento.

Gli amplificatori operazionali sono truccati come finestra condivisori . Come suggerisce il nome, un comparatore di finestra confronta il segnale di ingresso dai rivelatori con due riferimenti di tensione estremi che costituiscono le soglie della 'finestra'. Fintanto che il livello del segnale di ingresso si trova entro le soglie di riferimento di questa 'finestra', l'uscita di entrambi gli amplificatori operazionali mantiene una logica alta sulle loro uscite.

Tuttavia, in un evento il segnale di ingresso tende ad attraversare le soglie di riferimento, l'uscita dell'amplificatore operazionale pertinente diventa bassa, risultando in uscite opposte dagli amplificatori operazionali. Questo squilibrio induce i dispositivi di uscita a correggere la situazione commutando adeguatamente i carichi.

Come funziona il circuito

Facendo riferimento allo schema del circuito del veicolo line follower di seguito, possiamo vedere due amplificatori operazionali configurati come comparatori di finestre.

Gli amplificatori operazionali possono provenire da IC LM358 o LM324

L'amplificatore operazionale superiore è cablato per controllare il limite di soglia superiore, mentre l'amplificatore operazionale inferiore è collegato per controllare il limite di soglia inferiore.

L'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale A1 e l'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale A2 sono bloccati con una tensione di riferimento fissa

L'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale A1 e l'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale A2 sono collegati insieme e utilizzati per rilevare le variazioni nel segnale di ingresso dai rilevatori di luce.

I due Light Dependent Resistors, LDR1 e LDR2 che agiscono come dispositivi fotosensibili sono posizionati come rilevatori di luce, in modo tale da ricevere la luce riflessa dalla linea bianca in modo uniforme su di essi.

Finché la luce sugli LDR è sufficientemente alta e uniforme, il pin3 di A1 rimane più alto del suo pin2, poiché LDR1 è collegato con la linea positiva. Ciò fa sì che la sua uscita aumenti.

Allo stesso modo, il pin6 di A2 è tenuto più in basso del suo pin5 a causa della connessione LDR2 con la linea di terra, e questo consente all'uscita di A2 di rimanere alta.

In altre parole, quando gli LDR sono illuminati in modo uniforme, gli ingressi non invertenti (+) di entrambi gli amplificatori operazionali vengono mantenuti più alti dei loro ingressi invertenti (-), provocando un aumento delle loro uscite.

Con entrambe le uscite alte, i driver dei transistor mantengono i rispettivi motori in funzione in modo uniforme, il che consente corrispondentemente al veicolo di funzionare senza problemi su una linea retta.

Come il veicolo segue la linea

Quando si incontra una linea bianca curva, uno degli LDR devia dalla linea causando una differenza di luce nel punto A del circuito. Ciò causa successivamente un abbassamento dell'uscita dell'amplificatore operazionale pertinente e un arresto momentaneo del motore in questione.

In questa situazione, l'altro motore laterale ancora funzionante obbliga il veicolo a virare verso l'angolo di curvatura della linea, riportando l'LDR ombreggiato nella regione illuminata della linea bianca. Quando ciò accade, entrambi i motori tornano a funzionare consentendo al veicolo di funzionare normalmente.

La suddetta commutazione automatica ON / OFF tra i motori sinistro / destro in risposta a leggere variazioni delle linee bianche in flessione costringe il veicolo a continuare a regolare e manovrare in conformità con la linea bianca.

Come costruire il veicolo

In uno dei miei post precedenti abbiamo appreso come a semplice veicolo telecomandato potrebbe essere costruito utilizzando solo un paio di motori attaccati al bordo posteriore di una tavola rettangolare e un paio di ruote fittizie sul bordo anteriore della tavola.

Anche per il circuito del veicolo con inseguitore di linea proposto, utilizziamo una struttura simile per il veicolo, come mostrato nella figura sopra.

La disposizione sembra piuttosto semplice, le ruote posteriori sono fissate con motori controllati dai driver a transistor attraverso le uscite dell'amplificatore operazionale.

Quando il veicolo devia dalla linea, la differenza del livello di luce sugli LDR spegne uno degli amplificatori operazionali, arrestando il relativo motore.

Questo costringe il motore lato opposto che è in funzione, a girare verso il lato del motore fermo, nel senso che se il motore del lato sinistro è frenato, il veicolo sarà costretto a girare verso sinistra, adattandosi alla linea di piegatura, nella stessa direzione.

Ciò suggerisce anche che l'integrazione del motore sinistro / destro con le uscite dell'amplificatore operazionale dovrebbe essere eseguita in modo appropriato in modo che la direzione di piegatura della linea e il motore che viene arrestato si trovino sullo stesso lato del veicolo.

Come posizionare gli LDR

Poiché si suppone che i due LDR (LDR1 e LDR2) percepiscano la luce riflessa dalla linea bianca in modo uniforme, il loro orientamento dovrebbe essere perpendicolare alla lunghezza della linea, come mostrato di seguito.

Qui, abbiamo ipotizzato che il veicolo stia correndo da destra a sinistra, seguendo una linea tracciata nello stesso percorso.

La larghezza totale degli LDR dovrebbe rientrare nella larghezza della linea.

Gli LDR e il LED devono essere installati sulla superficie inferiore del veicolo e preferibilmente sul lato posteriore, appena sotto la ruota posteriore.

Il LED indicato è un LED bianco con una resistenza di serie 1K. Deve essere posizionato vicino agli LDR e al centro, assicurandosi che la luce dall'LDR non raggiunga direttamente gli LDR, invece la luce dovrebbe raggiungere gli LDR per riflessione dalla linea bianca sotto di essi.

Specifiche del motore

I motori possono essere di qualsiasi tipo con spazzole a magneti permanenti, ma dovrebbero essere dotati di una scatola del cambio per garantire che il movimento del veicolo sia adeguatamente lento e costante.

La potenza nominale del motore deve corrispondere al carico che il veicolo dovrebbe trasportare. Questo può essere verificato attraverso alcune sperimentazioni pratiche.

Come impostare

Per impostare questo circuito del veicolo seguace di linea, dovrai disporre una piccola striscia di linea bianca dipinta su una superficie piana o un nastro bianco incollato sulla superficie piana.

Posizionare il sistema (senza ruote) sulla linea, come indicato nello schema precedente, in modo che il LDR e LED siano regolati correttamente all'interno della larghezza della linea.

Accendere l'alimentazione, il LED bianco dovrebbe illuminare intensamente l'area sottostante. Regolare i due preset fino a quando entrambi i motori non vengono accesi contemporaneamente.

Ora sposta l'unità leggermente a destra in modo che l'LDR1 esca dalla linea bianca.

Il motore sinistro dovrebbe fermarsi. In caso contrario, regolare P1 fino a quando il motore sinistro si ferma.

Quindi, spostare leggermente l'unità a sinistra in modo che l'LDR2 esca dalla linea bianca. Questo dovrebbe fermare il motore del lato destro. In caso contrario, regolare il preset 10k fino a quando il motore sul lato destro si ferma.

Questo completerà le procedure di set up e ora puoi installare le ruote sui motori e utilizzare questo veicolo guidato per seguire automaticamente una pista stesa sul terreno.

Linea bianca vs linea nera

Il sistema di veicoli con inseguitore di linea proposto si basa su una linea bianca incorporata nel terreno, invece di una linea nera. I vantaggi di utilizzare una linea bianca invece di una linea nera sono i seguenti:

La linea bianca sembra più elegante e decente rispetto alla linea nera.

Il tracciatore di linea basato sulla linea bianca può funzionare anche in condizioni di oscurità totale o con luci soffuse. I progetti basati su luce nera normalmente richiedono un'illuminazione esterna per mantenere il veicolo operativo.

Un AGV basato su una linea bianca funziona in modo più accurato indipendentemente dal colore della piastrella, ad eccezione delle piastrelle che sono estremamente bianche o equivalenti al colore della linea bianca.

Conversione del veicolo in un follower della linea nera

Nonostante i vantaggi di cui sopra, se l'utente preferisce che il veicolo segua una linea nera, il sistema potrebbe essere facilmente trasformato per farlo attraverso alcune rapide modifiche nel design proposto.

L'utente deve solo scambiare o scambiare le connessioni dei pin di ingresso degli amplificatori operazionali con i preset e rimuovere il LED associato agli LDR.