Controlul unui radar cu Arduino Absolvent, Alexandru Mădălin Pleșu Coordonator, Ș.l.dr.ing. Ilie Borcoși Capitolul 1 Introducere Radarul este un… [302248]

Universitatea „Constantin Brâncuși” [anonimizat]: [anonimizat],

Ș.l.dr.ing. Ilie Borcoși

Capitolul 1

[anonimizat],vitezei sau altitudinii obiectelor.Sistemele radar sunt realizate sub diverse mărimi și au specificații de performanță diferite.

[anonimizat].[anonimizat].

Sunt disponibile și sisteme radar portabile ce pot fi utilizate de o [anonimizat] o întregă echipă de oameni pentru a-l manipula.

[anonimizat]-[anonimizat].Termenul de RADAR a fost inventat de către Marina Americană în anul 1940 și era un acronim pentru „detectarea și distanța radio”.

Utilizările moderne ale radarului sunt foarte diverse incluzând :

Controlul traficului aerian;

Sisteme de apărare aeriană;

Sisteme antirachetă;

Radare maritime pentru localizarea altor nave și a diverselor repere;

Sisteme radar meteorologice;

[anonimizat].

Capitolul 2

Istoria Roboților

2.1.Scurt istoric al roboților

Realizarea unor fiinte si umanoizi artificiali este un vis de cand umanitatea.Se spune ca Arhitas din Tarent (sec. V-VI î.e.n.) ar fi construit un porumbel capabil să zboare. Ptolemeu Filadelful (sec. III î.e.n.) ar fi realizat un umanoid automat.Chiar si imparatul bizantin Leon Filosoful (sec. IX) si-ar fi construit pe laturile tronului lei si grifoni care scoteau sunete asemanatoare acestor animale. [anonimizat].Astfel,Roger Bacon si Albert cel Mare realizeaza primul „android”,care putea la o simpla atingere sa deschida usa si sa salute prin inclinarea capului pe noul venit.[anonimizat] J. Muller a [anonimizat] o [anonimizat]-l pe insusi imparatul Maximilian sosit in oras prin batai din aripi si inclinarea capului.Exista o lista destul de lunga a acestor primi „roboti”,insa robotii asa cum ii stim noi astazi au aparut abia din anii `40.

[anonimizat] s-au numit Elmer (1948) si Elsie (1949),capabili ca caute sursa de lumina si sa ocoleasca obstacole.

Robotul „Elmer” al dr. Wiliam Grey Walter

In 1951,[anonimizat],triciclu.Tot in anul 1951,[anonimizat] „veverita”,capabil sa adune mingi de golf sau nuci.Acest robot „veverita „ a [anonimizat] o sarcina,alta decat sa se indrepte spre lumina.

In 1988 apare robotul „Shadow Walker”,[anonimizat],realizat cu ajutorul unor motoare pneumatice.

In 1996 apare robotul „P2” realizat de cei de la Honda.Acest robot se diferentia de inaintasii sai prin faptul ca era un robot cu autocontrol,acesta putand se deplaseze pe ambele picioare,avand o inaltime de 1,80 cm si o greutate de 210 kg.Acesta folosea tehnologie wireless,putand sa urce si sa coboare scari in mod automat.

La ora actuala robotul „Sophia” este cel mai inteligent robot din lume,conceputa pentru a se adapta la comportamentul uman.Aceasta imita,de asemenea,gesturi si expresii faciale umane si este capabila sa poarte diverse conversatii predefinite.In anul 2017 aceasta a primit din partea Arabiei Saudite titlul de cetatean al acestei tari,astfel ea este singurul robot umanoid din lume cu acest titlu.

Robotul „Sophia” alaturi de inventatorul sau dr. David Hanson

2.2. Ideea

Forțele aeriene,armata si forțele navale utilizează această tehnologie.Această tehnologie a radarelor a fost introdusă recent și de către producători de automobile cum ar fi:AUDI,FORD,BMW,

RENAULT etc.Chiar și mașinile autonome ale celor de la Google au deja implementată această tehnologie.

Acest proiect de control al unui radar utilizand Arduino poate fi folosit pe orice sistem de exemplu intr-o masina,pe o bicicleta sau orice altceva.

Utilizarea platformei de dezvoltare Arduino,în acest proiect,oferă o flexibilitate în realizarea radarului.

Ideea de a realiza un radar ultrasonic mi-a venit în urma unui articol care vorbea despre modul de lucru și mecanismul „Mașinilor viitorului”.Pentru acest proiect am avut nevoie de o placa de dezvoltare de la Arduino,mai exact Arduino Mega,un senzor ultrasonic HR-SR04,un servomotor și un breadboard.

Deci știind despre abilitățile și puterea de prelucrare ale Arduino,m-am gândit să realizez un modul de aplicație care să poată fi utilizat cu ușurință de oricine.

Figura 2.2. Arduino Mega

Capitolul 3

3.1.Introducere în Arduino Mega

Arduino Mega 2560 este un placă de dezvoltare cu microcontroler bazat pe Atmaega 2560.Dispune de 54 de intrări/ieșiri digitale (dintre care 14 pot fi utilizate ca ieșiri PWM).De asemenea prezintă 16 intrări analogice,4 UART-uri (porturi seriale hardware), un oscilator de cristal de 16 MHz,o conexiune USB,o muf[ de alimentare un ICSP header și un bouton de resetare.Este o placa de dezvoltare complexă.Alimentarea Arduino Mega se face fie conectat prin USB la computer,fie cu ajutorul unui adaptor AC-DC sau o baterie.

Arduino Mega,este compatibilă cu cele mai multe dispositive opționale concepute pentru Arduino cum ar fi Duemilanove și Diecimila.

Figura 3.1. Specificații Arduino Mega 2560

3.2. AVR Atmega2560

AVR Atmega2560 este un microcip creat de Atmel și aparține seriei AVR mega.Este un microcip de înaltă performanță pe 8 biți,bazat pe tehnologia AVR RISC,combinând memoriile flash ISP de 256 KB,8KB SRAM,4KB EEPROM,86 de linii I/O de uz general,32 de registre de lucru ,contor de timp real,șase timere flexibile/contoare cu moduri de comparare,PWM,interfață ,convertor A/D de 10 biți pe 16 canale și o interfață JTAG.

Dispozitivul atinge o rată de 16 MIPS la 16 MHz și funcționează între 4,5-5,5 volți.
Prin executarea unor instrucțiuni puternice într-un singur ciclu de ceas, dispozitivul atinge o viteză de transfer apropiată de 1 MIPS per MHz, echilibrând consumul de energie și viteza de procesare.

Figura 3.2. Atmega2560

3.3.OSCILATORUL DE CRISTAL

Oscilatorul de cristal este un circuit electronic oscilant,ce utilizează rezonanța mecanică a unui cristal realizat dintr-un material piezoelectric pentru a crea un semnal electric cu o frecvență foarte precisă.Această frecvență,este frecvent utilizată pentru a ține evidența impulsurilor de ceas (ca și ceasurile de mână cu cuarț), pentru a furniza un semnal de ceas stabil pentru circuitele integrate digitale și pentru a stabiliza frecvențele pentru emițătoarele și receptoarele radio.

Cel mai obișnuit tip de rezonator piezoelectric folosit este cristalul de cuarț, astfel încât circuitele oscilatoare care le încorporează au devenit cunoscute ca oscilatoare de cristal, dar alte circuite piezoelectrice, inclusiv ceramica policristalină, sunt utilizate în circuite similare.

Cristalele cu quartz sunt fabricate pentru frecvențe de la câțiva zeci de kilohertzi la sute de megahertzi. Mai mult de două miliarde de cristale sunt fabricate anual. Cele mai multe sunt utilizate pentru dispozitive de consum, cum ar fi ceasuri de mână, ceasuri, radiouri, calculatoare și telefoane mobile.
Cristalele de quartz se găsesc, de asemenea, în interiorul echipamentelor de testare și măsurare, cum ar fi contoare, generatoare de semnale și osciloscoape.

Figura 3.3 Oscilatorul de cuarț

3.4. Servomotorul

Un servomotor este un dispozitiv de acționare rotativ care permite un control precis al vitezei,acceleratiei unghiulare si a pozitiei.Acesta consta dintr-un motor adecvat,cuplat la un senzor pentru afisarea pozitiei.De asemenea,este nevoie de un controler relativ sofisticat,de obicei un modul special conceput pentru utilizarea cu servomotoare.Servomotoarele nu sunt o clasa diferita de cea a motoarelor din punct de vedere al principiului de functionare,dar acestea utilizeaza servomecanismul pentru a realiza controlul unei bucle inchise cu un motor generic cu bucla deschisa.

Servomotoarele sunt utilizate in aplicatii de robotica,masini CNC(Mașini-unealtă cu comandă numerică) sau in domeniul roboticii industriale.

b.)

Figura 3.4. a.)Servomotorul prezentare interna;

b.)Servomotorul prezentare generala;

3.5.Senzorul ultrasonic

Senzorul ultrasonic (cunoscut si ca traductor sau transmitator atunci cand ambii senzori RX si TX trimit si primesc) lucreaza pe un principiu similar sonarului sau radarului ce evalueaza atributele unei tinte,interpretand ecourile de la unde radio sau sonore.Sonzorii ultrasonici genereaza unde de sunet de inalta frecventa si evalueaza ecourile captate de senzor.Senzorii determina prin calcul intervalul de timp dintre trimiterea semnalului si receptionarea ecoului pentru a determina distanta fata de obiect.Aceasta tehnologie este utilizata de regula pentru masurarea vitezei si directiei vantului precum si masurarea nivelului dintr-un rezervor.Pentru masurarea vitezei sau a directiei,un dispozitiv utilizeaza mai multe detectoare si calculeaza viteza de la distantele relative la particulule din apa sau aer.Pentru masurarea nivelului dintr-un rezervor,senzorul va masura distanta de la suprafata lichidului.Exista o multime de aplicatii ale senzorilor cu ultrasunete cum ar fi:umidificatoare,sonare,ultrasonografie medicala,alarme antifurt etc.

Senzorul ultrasonic functioneaza dupa urmatorul principiu:acesta genereaza unde sonore in gama ultrasonica de peste 18.000 Hz,transformand energia electrica in in sunet,dupa care,odata cu receptionarea ecoului acesta transforma undele sonore in energie electrica ce poate fi afisata si masurata.

b.)

Figura 3.5.Senzorul ultrasonic

a.)schema de principiu a functionarii acestuia;

b.)vedere generala;

3.6.Regulatorul de tensiune

Regulatorul de tensiune este un regulator electric proiectat pentru a mentine automat un anumit nivel de tensiune.Spre deosebire de regulatoarele cu sunt,toti regulatorii electronici de tensiune moderni functioneaza comparand tensiunea de iesire reala cu o anumita tensiune de referinta interna.Orice diferenta este amplificata si utilizata pentru controlul elementului de reglare.Acesta realizeaza o bucla de servo control a feedback-ului negativ.Daca tensiunea de iesire este prea mica,elementul de comanda va fi comandat sa realizeze o tensiune mai mare.

Seria 78XX de regulatoare pozitive cu trei terminale este disponibila in pachetul TO-220/D-PAK si cu mai multe tensiuni de iesire fixe,ceea ce le face utile intr-o gama larga de aplicatii.Fiecare tip de astfel de regulatoare folosesc limitarea curentului intern,protecție termică și protecția zonei de operare în condiții de siguranță,facandu-l astfel indestructibil.Dacă este prevăzută o inhibare adecvată a căldurii acesta poate furniza un curent de ieșire de peste 1A. Deși sunt proiectate în principal ca regulatoare de tensiune,aceste dispozitive pot fi utilizate cu diverse componente externe pentru a obține tensiuni și curenți reglabili.

Figura 3.6.Regulatorul de tensiune

Capitolul 4

Implementarea practică

4.1.Conectarea servomotorului

Un servomotor este un dispozitiv rotativ ce permite un control foarte precis al poziției,accelerației și vitezei unghiulare.

Un servomotor are de obicei trei terminale:

VCC;

GND;

PULSE;

Un servomotor funcționeză în mod normal de la 4,8 la 6 volți.Împământarea (GND-ul) servomotorului se conectează la GND-ul plăcuței Adruino.Timpul total pentru un impuls de servomotor este de aproximativ 20 ms.Pentru o deplasare la un unghi de 0 grade,se folosește de obicei un impuls de 1ms și se trece la alt capăt.Pentru o deplasare ce formează un unghi de 180 de grade se folosește de obicei un impuls de 2ms. Pentru a deplasa axa servomotorului în centru, trebuie aplicat un impuls de timp de 1,5 ms. De accea firul „puls” al servomotorului este conectat la plăcuța Arduino și furnizeză impulsuri dgitale pentru a modula impulsul îm lățime.Acest lucru reprezintă un avantaj în programare,deoarece permite programarea unui interval de impulsuri și astfel servomotorul poate fi controlat cu ușurință.

Figura 4.1. Conectarea servomotorului la plăcuța Arduino

4.2.Conectarea senzorului ultrasonic

Senzorul ultrasonic funcționează pe principiul similar sonarului sau radarului ce evalueaza atributele unei tinte,interpretand ecourile de la unde radio sau sonore.Un senzor ultrasonic este compus din trei fire: primul pentru VCC (alimentare),al doilea pentru GND (împământare) și un al treilea fir pentru semnal de impuls.Senzorul este montat pe servomotor și ambele sunt conectate la plăcuța Ardunio.În funcționarea sa,senzorul utilizează principiul reflexiei.

Când senzorul este conectat la plăcuța de dezvoltare Arduino,aceasta emite un impuls de semnal către senzorul ultrasonic,iar ulterior acesta transmite acel impuls în direcția înainte.Prin urmare,ori de câte ori semnalul întâlnește un obstacol acesta este reflectat înapoi la senzor.

Dacă acel obstacol este detectat,semnalul este transmis către Arduino și prin urmare către software-ul de procesare rulat de către PC,indicând prezența obstacolului pe ecranul RADAR rotativ,afișându-se unghiul și distanța la care a fost detectat obstacolul respectiv.

Figura 4.2.1.Conectarea senzorului ultrasonic la plăcuța Arduino

Figura4.2.2.Funcționarea senzorului ultrasonic

4.3.Utilizarea mediului de programare Arduino

Programele Arduino sunt scrise în C/C++ .IDE-ul Arduino vine alături de o bibilitecă software numită „Wiring (ro:Cablare)”,ceea ce face mult mai ușor multe operații de intrare/ieșire comune.Utilizatorii trebuie să definească două funcții pentru realizarea unui program executiv ciclic:

Inițializare ():o funcție ce rulează la începutul unui program ce poate inițializa setările;

Bucla ():realizează o funcție apelată în mod continuu,până când bordul se oprește;

Trebuie deschis software-ul Arduino IDE și selectat meniul „Board in use” pentru selectarea board-ului:

Accesăm Instrumente;

Selectăm Board;

Sub board ,selectăm board-ul utilizat,în acest caz Arduino Mega;

Accesăm Tools și Port și selectăm portul la care este conectată placa Arduino

Figura 4.3. Selectarea Board-ului în Arduino IDE

Codul este scris în spațiul furnizat,iar mai apoi trebuie selectat „Compile” pentru compilarea programului.Odată compilat programul,facem clic pe „Load” pentru a încărca programul pe plăcuța Arduino.

4.4. Utilizarea software-ului Processing 3

Processing este un limbaj de programare open source și un mediu integrat de dezvoltare (IDE).Acest limbaj a fost realizat încă din 2001 de Casey Reas și Benjamin Fry ambii făcând parte din „Aesthetics and Computation Group” al MIT Media Lab.Obiectivele declarate ale prelucrării sunt un instrument ce determină non-programatorii să înceapă cu programarea,prin satisfacerea instantanee a feedback-ului vizual.Limbajul de programare se bazează pe limbajul de programare Java și utilizează și o sintaxă simplificată și de programare grafică.

Figura 4.4.1.Processing 3

Figura 4.4.2.Processing Software (Versiunea 3.3.7)

Figura 4.4.3. Afișaj radar fără obstacol,rulare Processing 3

Figura 4.4.4. Afișaj radar cu obstacol,rulare Processing 3

4.5. Probleme care pot aparea

Deoarece comonentele electronice,atunci când sunt utilizate necesită o anumită cantitate de depanare pentru funcționarea circuitului așa cum ne dorim.În realizarea acestui proiect nu am fost ferit de diversele erori și chiar defecțiuni ce pot apărea pe parcurs.De exemplu în imaginea de mai jos am să încerc să expun ce afișează RADARUL atunci când are senzorul ultrasonic defect.

Figura 4.5. Afișaj senzor ultrasonic defect

După cum se poate observa și în imaginea de mai sus,senzorul ultrasonic nu mai funcționează așa cum trebuie.

4.6.Comunicarea Arduino cu PC-ul

O altă problemă majoră ce poate aparea în funcționarea proiectului o reprezintă comunicarea plăcuței Arduino cu PC-ul.O soluție în rezolvarea unei astfel de probleme este instalarea driver-ului plăcuței Arduino.În imaginile de mai jos am să prezint pașii care trebuie urmați atunci când întâlnim o astfel de problemă.

Pasul 1:Intrăm în „Control Panel” și alegem meniul „Devices and Printers”.În acest meniu alegem submeniul „Devices Manager”.

Pasul 2:Odată intrați iîn acest submeniu selectăm „Other device”.

Pasul 3:Selectăm „Update Driver Software..” și se va deschide o fereastră cu un utilitar de instalare.Pentru ca utilitarul să instaleze dirver-ul plăcuței Arduino trebuie să selectăm folder-ul în care am instalat Arduino IDE.

Pasul 4:Odată încheiat procesul de instalare,plăcuța Arduino este gata de utilizare.

4.7.Programarea Arduino pentru afișarea ecranului RADAR

Următorul pas al proiectului a fost afișarea pe ecran a RADARULUI.Pentru aceasta am folosit un model de afișaj al radarului ce poate fi luat cu ușurință de pe internet.O mică problemă am întâlnit-o la intrarea interfeței Arduino și nu la sincronizarea acesteia.După mai multe teste și încercări de a realiza modelul grafic al radarului a trebuit să mă documentez despre Processing versiunea 3.Într-un final după mai multe programe nereușite am relizat într-un final ecranul RADAR.

Figura 4.7.1.Programul din spatele afișajului grafic al ecranului RADAR

Figura 4.7.2.Partea Grafică a Ecranului RADAR

CAPITOLUL 5

5.1. .Utilizările prezente și viitoare a unui astfel de proiect

Ideea realizării unui Radar cu ultrasunete mi-a venit din pură curiozitate,dar și în urma urmăririi diverselor site-uri despre tehnologia viitorului.Această aplicație este utilizată cel mai des atât în armată,cât și în tehnologia de zi cu zi cum ar fi:sistemele de supraveghere,sisteme de prevenire a accidentelor rutiere,sisteme de parcare înâlnite la mașinile autonome cum ar fi Google Lexus,Google Pirus,BMW,AUDI,RENAULT,FORD,etc.Acest proiect poate fi implementat pe orice sistem pe care doriți să-l utilizați cum ar fi:o mașină,o bicicletă etc.Datorită utilizării Arduino acesta oferă o flexibilitate în realizarea acestui proiect.

Figura 5.1.Mașină fără șofer realizată de Google

5.2.Aplicație în domeniul naval

Dacă mai demult pentru a naviga de la un țărm la altul,navele aveau nevoie de faruri amplasate în porturi,în zilele noastre acestea au început să devină simple obiective turistice,deoarece locul farului a fost luat de catre radar.Radarele marine sunt utilizate pentru a măsura distanța de la navă până la cel mai apropiat port,dar aceste radare nu îndeplinesc numai această funcție.Ele au grijă ca navele să nu intre în coliziune.Totodată acetea au rolul de a „vedea” poziția navei în mare,diversele insule nou formate și care nu au fost încă cartografiate.În porturi există un fel de centru de comandă exact ca în cazul avioanelor,unde și aici sunt utilizate radare ce dirijează navele aflatre în ape aglomerate.

Figura 5.2.1. Radarul naval

Figura 5.2.2.Radar naval afișaj

5.3.Aplicație în domeniul aerian

În aviație,aeronavele sunt echipate cu dispozitive radar ce avertizează prezența altor avioane și a altor obstacole,care se intersectează cu delpasarea lor.Aceste radare pot afișa de asemenea și informații exacte despre vreme precum și citiri exacte ale altitudinii.Printre primele dispozitive radar destinat domeniului comercial și nu militar a fost o unitate Bell Lab realizată în anul 1938 și implementată pe majoritatea aeronavelor companiei United Air Lines.Aceste aeronave sunt capabile să aterizeze în cele mai grele condiții meteo în siguranță,în aeroporturile echipate cu sisteme de apropiere cu control la sol,asistate de radare.Avionul este imediat reperat de către radare,iar instrucțiunile de aterizare sunt mult mai ușor de oferit piloților de către turnul de control.

Figura 5.3.1. Radar Aerian

Figura 5.3.2.Radar aerian afișaj grafic

5.4.Aplicație în domeniul miltar al Forțelor Terestre

Două camere video urmăresc și detectează în mod automat persoanele aflate în raza de acțiune a acestor radare.Semnalele de nivel inferior sunt caracteristice acestor tipuri de radar.Acestea sunt reflectate și trensmise către un calculator,unde pe baza unor serii de algoritmi sunt interpretate.Calculatorul realizează o comparație a semnalului de întoarcere a radarului (ce emite mai puțin decât un telefon),cu ajutorul unei biblioteci extinse de răspunsuri normale.Aceste răspunsuri sunt modelate în funcție de diferitele forme și dimensiuni ale oamenilor ce intră în raza acestuia.Apoi acesta compară semnalul întors la calculator cu un alt set de „răspunsuri anormale”-orice anomalie detectată activează o alarmă și afișează un simbol roșu.În cazul în care alarma se dovedește a fi falsă,acesta își schimbă imediat afișajul într-unul verde.

Figura 5.4.Radar militar al Forțelor Terestre

5.5.Aplicație Meteorologică

Experții din domeniul meteorologiei folosesc radarul pentru monitorizarea precipitațiilor și a vântului.Aceste tipuri de radare au devenit un instrument foarte important pentru prognoza meteo pe termen atât scurt cât și lung,de asemenea acestea ajută și la supravegherea condițiilor meteo nefavorabile,cum ar fi:futuni,uragane,tornade,etc.De asemenea și geologii utilizează radarele pentru a cerceta și cartografia compoziția crustei Pământului.

Figura 5.5.1. Radar Meteorologic

Figura 5.5.2. Afișaj radar meteorologic