Prvé kolo

Zo stránky 3D liga wiki
Prejsť na navigáciu Prejsť na vyhľadávanie

Vitajte v prvom kole 3D ligy!

V tomto kole sa zoznámite so súčiastkami, programovacím prostredím a samotnou konštrukciou stavebnice. Zvládnutie základov je kľúčové – bez nich by sme nedokázali stavať zložitejšie a zaujímavejšie roboty. Komplexnejším projektom sa budeme venovať v 2. kole.

Pravidlá prípravy

Pre začiatok na setupnutie si vlastnej stavebnice budeme musiet si pripravit:

- Hadrver - Softver

Príprava hardvéru

Celkový setup elektorniky a HW súčiastok


Príprava arduino rozhrania

Arduino IDE setup

Pred začatím odporúčame prezrieť si prehľad premenných a operátorov.

Vytlačená stavebnica

Súčasťou vašej sady je aj 3D tlačená stavebnica – podobne ako Merkur, skladá sa z rôznych dielikov, ktoré sa dajú spájať skrutkami M3 do ľubovoľných tvarov a konštrukcií.

Prehľad dielikov

Farba Typ dielikov Popis
Biela Základné stavebné prvky Nosné diely s dierami pre skrutky M3 (8mm od seba) vo veľkostiach 1×N dier, ohnuté spoje (90° vertikálne aj horizontálne)
Žltá Základné doskly Ploché dosky s dierami pre skrutky M3 (8mm od seba) vo veľkostiach 3×N a 4×N dier.
Červená Moduly pre senzory a joystick a držiaky na káble Držiaky elektronických komponentov – napájajú sa priamo na biele časti
Čierna Elektronické krabičky a ohnuté dosky Krabička pre napájanie (batérie), modul pre mikrokontrolér RP2350-Zero a ohnuté dosky M×N dier v tvare U s odierkovanými bočnými hranami na skrutky M3 (8mm od seba).
Modrá Moduly a ramienka pre servo motorčeky Niektoré majú diery pre M3 matice, ktoré spolu so skrutkou spájajú modul s bielimi/žltími/čiernymi súčiastkami.

Inšpirácia

Pozri si tieto dva modely a nechaj sa inšpirovať – čo všetko sa dá z dielikov poskladať:

A tu je príklad toho, čo dokázali poskladať iní účastníci – srdce len zo základných dielikov:

Galéria súčiastok a ich zapojenie

Zadanie

VAŠA ÚLOHA: Poskladajte si z dielikov čokoľvek, čo vás napadne. Nemusí to byť funkčný robot – pokojne to môže byť zviera, písmeno, stavba alebo čokoľvek iné. Použite svoju fantáziu!

Hotovú konštrukciu odfotografujte a foto odošlite.

Čo sme sa naučili?

  • Spoznali sme jednotlivé typy dielikov stavebnice a ich farebné označenie.
  • Vyskúšali sme si, ako sa dieliky spájajú pomocou skrutiek M3.
  • Zistili sme, že zo stavebnice sa dá poskladať prakticky čokoľvek – od robotov až po dekorácie.

Prva stavebnica

V prvej stavebnici sa zoznámite so základnými elektronickými modulmi. Niektoré z nich sa vám budú hodiť pri ladení zložitejších robotov – napríklad LED vám vie ukázať v akom stave sa robot nachádza, bzučiak vás upozorní keď sa niečo stane. Iné moduly sú dôležité pre pochopenie základov, na ktorých budeme neskôr stavať.

Budeme sa zaoberať:

  • RGB LED – farebná dióda na vizuálnu signalizáciu
  • Bzučiak – jednoduchý reproduktor na zvukovú signalizáciu
  • Mikrofón – zachytávanie zvuku z okolia
  • Ultrazvukový senzor – meranie vzdialenosti
  • Servo motorček – presné ovládanie pohybu

Na konci prvej stavebnice poskladáte autíčko ktoré sa samo vyhýba prekážkam – prvého autonómneho robota!

Bzučiak (Buzzer)

Bzučiak, ktorý ste dostali, je jednoduchý reproduktor. Reproduktory vydávajú zvuk tak, že rýchlo rozkmitajú tenkú fóliu vo vnútri. Toto kmitanie stláča a rozťahuje vzduch okolo – a práve tieto tlakové vlny vnímame ako zvuk.

Fóliu rozkmitáme malým elektromagnetom. Aby sa elektromagnet zapol, potrebuje elektrický prúd, ktorý mu dodá mikrokontrolér RP2350.

Jeden kmit dosiahneme logickým zapnutím a následným vypnutím pinu. Zvuk je v skutočnosti niekoľko stoviek až tisíc takýchto kmitov za sekundu – čiže zapínanie a vypínanie musí prebiehať každých niekoľko mikrosekúnd. Čím rýchlejšie kmitáme, tým vyšší tón vzniká.

Zapojenie

Kábel Pin na RP2350-Zero
Čierny GND
Červený GP4

Kód

Nasledujúci program prechádza rozsahom tónov od 500 Hz do 2500 Hz. Funkcia playNote() je zatiaľ prázdna – to je tvoja úloha ju doplniť! 

const int BUZZER = 4;

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}
void playNote(int note)
{
  int halfPeriod = 500000 / note;

  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    digitalWrite(BUZZER, HIGH);   
    delayMicroseconds(halfPeriod); 
    digitalWrite(BUZZER, LOW);    
    delayMicroseconds(halfPeriod); 
  }
}

void loop() {
  for (int i = 500; i < 2500; i++) {
    playNote(i);
    Serial.print("Hrám notu: ");
    Serial.println(i);
  }
}


Princíp

Kľúčom je funkcia playNote(). Zvuk vzniká pravidelným striedaním HIGH a LOW na pine bzučiaka:

Pojem Vysvetlenie
Frekvencia Počet kmitov za sekundu, udáva sa v Hz. Vyššia frekvencia = vyšší tón.
Perióda Čas jedného celého kmitu (zapnutie + vypnutie). Perióda = 1 000 000 / frekvencia µs.
Polovica periódy Čas, ktorý pin strávi v stave HIGH (alebo LOW). Vypočítame ju ako 500 000 / frekvencia.
delayMicroseconds() Rovnaké ako delay(), ale čaká v mikrosekundách namiesto milisekúnd.

Napríklad pre tón 1000 Hz:

  • Perióda = 1 000 000 / 1000 = 1000 µs
  • Polovica periódy = 500 µs
  • Pin bude HIGH 500 µs, potom LOW 500 µs – a to 10-krát za sebou

Vyskúšaj toto: Skopíruj kód, doplň funkciu playNote() podľa vysvetlenia vyššie a nahraj ho do mikrokontroléra. Sleduj sériový monitor – vidíš ako sa mení frekvencia? Počuješ ako zvuk stúpa nahor?

VAŠA ÚLOHA: Zapojte k bzučiaku aj RGB LED (podľa zapojenia zo sekcie 3) a napíšte program, ktorý bude simulovať sanitku:

  • Bzučiak bude striedavo hrať dva tóny (napr. 800 Hz a 1200 Hz) podobne ako siréna
  • RGB LED bude blikať striedavo modrou a červenou farbou v rytme sirény

Vzorová štruktúra programu (doplňte chýbajúce časti):

Štruktúra


Hotový program nahrajte do mikrokontroléra, natočte krátke video so zvukom a ukážte.

Čo sme sa naučili?

  • Bzučiak generuje zvuk rýchlym striedaním HIGH/LOW – čím rýchlejšie, tým vyšší tón.
  • Funkcia delayMicroseconds() umožňuje pracovať s časovými intervalmi v mikrosekundách.
  • Kombináciou viacerých komponentov (bzučiak + LED) vieme simulovať reálne zariadenia.

Mikrofón

Vieme ako zvuk generovať – teraz ho ideme aj zachytiť. Pomôže nám modul KY-038.

Mikrofón funguje presne opačne ako reproduktor. Kým reproduktor premieňa elektrický signál na kmitanie fólie (zvuk), mikrofón zachytí kmitanie vzduchu a premení ho späť na elektrický signál.

Modul KY-038 má dva výstupy:

Výstup Popis
Digitálny (D0) Vysiela iba 0 alebo 1 – buď zvuk zachytil, alebo nie
Analógový (A0) Vysiela hodnotu podľa hlasitosti a frekvencie zvuku – čím hlasnejší zvuk, tým vyššia hodnota

Citlivosť mikrofónu sa dá nastaviť otočnou skrutkou na modrej krabičke priamo na module.

Zapojenie

Pin modulu Pin na RP2350-Zero
VCC 3.3V
GND GND
D0 (digitálny výstup) GP5
A0 (analógový výstup) GP26 (ADC0)

Časť 1 – Čítanie hodnôt z mikrofónu

Vyskúšaj toto: Skopíruj a spusti nasledujúci program. Otvor sériový monitor (9600 baud) a skús hovoriť, tlieskať alebo pískať pred mikrofón. Sleduj ako sa menia hodnoty. 

const int MIC_DIGITAL = 5;   // digitálny výstup D0
const int MIC_ANALOG  = 26;  // analógový výstup A0 (ADC)

void setup() {
  pinMode(MIC_DIGITAL, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int digitalVal = digitalRead(MIC_DIGITAL);  // 0 alebo 1
  int analogVal  = analogRead(MIC_ANALOG);    // 0 až 4095

  Serial.print("Digitálny: ");
  Serial.print(digitalVal);
  Serial.print("  |  Analógový: ");
  Serial.println(analogVal);

  delay(50);
}
Funkcia Vysvetlenie
digitalRead(pin) Prečíta stav pinu – vráti buď 0 (ticho) alebo 1 (zvuk zachytený)
analogRead(pin) Prečíta analógovú hodnotu pinu – vráti číslo od 0 do 4095
delay(50) Čakáme 50 ms medzi meraniami – aby sériový monitor nescrolloval príliš rýchlo

VAŠA ÚLOHA 1: Zapojte mikrofón spolu s bzučiakom a RGB LED zo sekcií 3 a 4. Napíšte program, ktorý bude fungovať ako zvukový spínač:

  • Keď mikrofón zachytí hlasný zvuk (napríklad tliesknutie), program zapne sirénu a blikanie LED
  • Keď zachytí druhé tliesknutie, program ich vypne
  • Stav (zapnuté/vypnuté) si musí program pamätať medzi tliesknutiami

Štruktúra

Hotový program nahrajte do mikrokontroléra, natočte krátke video a ukážte.

Časť 2 – Mikrofón a bzučiak spolu

Teraz si vyskúšame niečo zaujímavejšie – bzučiak a mikrofón zapojíme spolu a mikrofón bude počúvať čo bzučiak hrá.

Montáž: Upevnite bzučiak aj mikrofón do červených modulov stavebnice a priskrutkujte ich podľa obrázka. Snažte sa ich umiestniť oproti sebe – mikrofón by mal smerovať priamo k bzučiaku.

Súbor:Buzzer mic assembly.png

Pre túto úlohu odpojte RGB LED a použite iba bzučiak a mikrofón. Zapojenie zostáva rovnaké ako vyššie, pin A0 mikrofónu na GP26.

Vyskúšaj toto: Nasledujúci program hrá na bzučiaku niekoľko tónov za sebou a zároveň číta analógovú hodnotu z mikrofónu. Výsledky sleduj v sériovom monitore. 

const int BUZZER     = 4;
const int MIC_ANALOG = 26;

int frekvencie[] = {500, 800, 1000, 1500, 2000};
int pocetFrekvencii = 5;
long lastRead = 0;

void playNote(int note) {
  // --- sem skopírujte funkciu z predchádzajúcej úlohy ---
}

void setup() {
  pinMode(BUZZER, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void playAndListen(int frekvencia, int trvanie) {
  long startTime = millis();

  while (millis() - startTime < trvanie) {
    playNote(frekvencia);  // zahrá jeden "balík" kmitov danej frekvencie
    lastRead = 0;
    if (millis() - lastRead > 5) {
      int val = analogRead(MIC_ANALOG);
      Serial.print("Frekvencia: ");
      Serial.print(frekvencia);
      Serial.print(" Hz  |  Mikrofón: ");
      Serial.println(val);
      lastRead = millis();
    }
  }

  digitalWrite(BUZZER, LOW);
  Serial.println("--- ticho ---");
  delay(500);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < pocetFrekvencii; i++) {
    playAndListen(frekvencie[i], 1000);
  }
}

Oproti predchádzajúcemu kódu pribúdajú nové koncepty:

Novinka Vysvetlenie
millis() Vráti počet milisekúnd od spustenia programu. Používame ho namiesto delay(), aby sme mohli zároveň hrať aj merať.
long lastRead Premenná s kľúčovým slovom si zachováva svoju hodnotu medzi volaniami funkcie – neresetuje sa na 0 pri každom zavolaní.
while (millis() - startTime < trvanie) Cyklus beží dovtedy, kým neuplynie požadovaný čas – počas neho stihneme robiť aj kmity bzučiaka aj čítanie mikrofónu.
int frekvencie[] Pole – zoznam hodnôt rovnakého typu uložených za sebou. Pristupujeme k nim cez index: frekvencie[0] = 500, frekvencie[1] = 800, atď.

VAŠA ÚLOHA 2: Upravte program a otestujte mikrofón pri rôznych nastaveniach citlivosti:

  1. Spustite program a sledujte hodnoty v sériovom monitore
  2. Otočnou skrutkou nastavte citlivosť tak, aby mikrofón spoľahlivo zachytával všetky tóny
  3. Do poľa frekvencie[] pridajte vlastné frekvencie – skúste veľmi nízke (200 Hz) aj veľmi vysoké (3000 Hz). Zachytáva mikrofón všetky rovnako dobre?
  4. Skúste bzučiak a mikrofón od seba vzdialiť – pri akej vzdialenosti prestane mikrofón zachytávať signál?

Zaznamenajte vaše pozorovania a odošlite spolu s upraveným kódom.


Čo sme sa naučili?

  • Mikrofón KY-038 má digitálny aj analógový výstup – digitálny slúži na detekciu zvuku, analógový na meranie jeho intenzity.
  • Funkcia millis() umožňuje merať čas bez blokovania programu – na rozdiel od delay().
  • Pole (int frekvencie[]) je užitočný spôsob ako uložiť viacero hodnôt a prechádzať cez ne cyklom.
  • Mikrofón nezachytáva všetky frekvencie rovnako – jeho citlivosť závisí od vzdialenosti, nastavenia aj samotnej frekvencie zvuku.

Ultrazvukový senzor

Dostali ste ultrazvukový senzor HC-SR04. Pred dvoma úlohami sme sa naučili ako generovať zvuk rýchlym zapínaním a vypínaním bzučiaka. Teraz použijeme rovnaký princíp – ale na iný účel: meranie vzdialenosti.

Senzor HC-SR04 má na sebe zabudovaný reproduktor aj mikrofón:

  • Reproduktor vyšle krátky ultrazvukový impulz cez pin TRIG
  • Impulz sa odrazí od objektu pred senzorom a vráti sa späť
  • Mikrofón zachytí odrazený signál a vyšle ho cez pin ECHO

Celý tento proces trvá nejaký čas – a práve z tohto času vieme vypočítať vzdialenosť.


Pozor – nie každý objekt odrazí ultrazvuk spoľahlivo. Mäkké a porézne materiály (napr. látka, molitan) zvuk pohlcujú namiesto odrazu, a senzor ich nemusí detekovať.

Zapojenie

Pin senzora Pin na RP2350-Zero
VCC 5V
GND GND
TRIG GP6
ECHO GP7

Kód – meranie času impulzu

Vyskúšaj toto: Skopíruj a spusti nasledujúci program. Otvor sériový monitor (9600 baud) a pohybuj rukou pred senzorom. Sleduj ako sa mení nameraná vzdialenosť. 

const int TRIG = 6;
const int ECHO = 7;

void setup() {
  pinMode(TRIG, OUTPUT);
  pinMode(ECHO, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

// Funkcia odošle impulz a vráti nameraný čas v mikrosekundách
long measurePulse() {
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  delayMicroseconds(2);

  digitalWrite(TRIG, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);

  return pulseIn(ECHO, HIGH);
}

void loop() {
  long trvanie = measurePulse();

  Serial.print("Čas: ");
  Serial.print(trvanie);

  delay(100);
}

Princíp

Novinka Vysvetlenie
pulseIn(pin, HIGH) Čaká kým pin prejde do stavu HIGH, potom meria ako dlho v ňom zostane. Vráti čas v mikrosekundách.
digitalWrite(TRIG, HIGH) + delayMicroseconds(10) Odošleme presne 10µs impulz – to je požiadavka senzora HC-SR04 na spustenie merania.
trvanie * 0.0343 / 2.0 Prepočet: čas (µs) × rýchlosť zvuku (cm/µs) ÷ 2 (tam aj späť) = vzdialenosť v cm.
float Dátový typ pre desatinné čísla – na rozdiel od int, ktorý uchováva iba celé čísla.

Vaša úloha – Parkovací senzor

VAŠA ÚLOHA: Zapojte k ultrazvukovému senzoru bzučiak a RGB LED. Napíšte program, ktorý bude fungovať ako parkovací senzor:

  • Čím je objekt bližšie, tým rýchlejšie bliká LED a pípá bzučiak
  • Na základe vzdialenosti meňte aj farbu LED:
Vzdialenosť Farba LED Bzučiak
> 30 cm Zelená ticho
10 – 30 cm Žltá pomalé pípanie
< 10 cm Červená rýchle pípanie

Vzorová štruktúra programu:

Štruktúra

Bonus: Skúste sa zamyslieť nad tým ako by sme mohli ošetriť situáciu, kedy by signál nepriśiel naspäť. Buť je objekt ďaleko alebo sa zvuk pohltí. Senzor vie nasnímať maximálne do 200cm. Skúste si to prepočítať.

Hotový program nahrajte do mikrokontroléra, natočte krátke demonštračňé video a odošlite.

Čo sme sa naučili?

  • Ultrazvukový senzor HC-SR04 meria vzdialenosť pomocou odrazu zvuku – princíp podobný netopierom alebo parkovacím senzorom áut.
  • Funkcia pulseIn() meria čas trvania signálu na pine v mikrosekundách.
  • Dátový typ float používame vtedy, keď potrebujeme pracovať s desatinnými číslami.
  • Nie každý materiál odráža ultrazvuk rovnako – mäkké povrchy ho môžu pohltiť.

Servo motorček

Dostali ste dva druhy servo motorčekov: 180° a 360°. Oba fungujú na rovnakom princípe ovládania, ale majú rozdielne vlastnosti:

Typ Správanie
180° servo Nastaví sa na presnú pozíciu (napr. 0°, 90°, 180°) a tam zostane
360° servo Namiesto pozície ovládate smer a rýchlosť otáčania – hodnota 90° = stoj, pod 90° = jedna strana, nad 90° = druhá strana

Servo dostáva riadiace impulzy v rozsahu 500–2500 µs, ktoré dekóduje ako požadovanú pozíciu alebo smer otáčania. Zapojte servo na pin GP12.


Vyskúšaj toto: Nahrajte nasledujúci program. Otvorte sériový monitor (115200 baud), zadajte číslo od 0 do 180 a stlačte Enter. Vyskúšajte si to najprv s 180° servom, potom s 360°. Čo si všimnete? 

#include <Servo.h>

#define SERVO_PIN 12

Servo servo;
String inputString = "";
int position = 90;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  servo.attach(SERVO_PIN, 500, 2500);
  servo.write(position);
  Serial.println("Zadajte uhol (0-180) a stlačte Enter:");
}

void loop() {
  while (Serial.available()) {
    char c = Serial.read();
    if (c == '\n') {
      position = inputString.toInt();
      if (position >= 0 && position <= 180) {
        servo.write(position);
        Serial.print("Servo nastavené na uhol: ");
        Serial.println(servo.read());
      } else {
        Serial.println("Neplatná pozícia – zadajte číslo od 0 do 180");
      }
      inputString = "";
    } else {
      inputString += c;
    }
  }
  delay(50);
}
Novinka Vysvetlenie
#include <Servo.h> Načítame knižnicu pre ovládanie serva – bez nej by sme museli impulzy generovať ručne
servo.attach(pin, 500, 2500) Pripojíme servo na pin a definujeme rozsah impulzov (500–2500 µs)
servo.write(uhol) Nastavíme servo na požadovaný uhol (0–180°)
inputString.toInt() Prevedie textový reťazec na celé číslo – napr. "120" → 120

VAŠA ÚLOHA: Zostrojte autíčko z dvoch 360° servo motorčekov, guličky (ako tretie koleso) a ultrazvukového senzora. Ultrazvuk upevnite na predok. Naprogramujte poslušného psíčka – autíčko sleduje objekt pred sebou:

Vzdialenosť Správanie
> 30 cm Ide vpred – ide za páničkom
10 – 30 cm Stojí – páničko je na ideálnej vzdialenosti
< 10 cm Ide vzad – páničko je príliš blízko

Štruktúra


Bonus: Upravte program tak, aby sa psíček pohyboval proporcionálne – čím ďalej je objekt, tým rýchlejšie autíčko ide. Na škálovanie hodnôt sa vám môže hodiť funkcia map()


Hotový program nahrajte do mikrokontroléra, natočte video a odošlite.

Čo sme sa naučili?

  • Servo motorček ovládame pomocou knižnice Servo.h a funkcie servo.write().
  • 180° servo nastavuje presnú polohu, 360° servo ovláda smer a rýchlosť otáčania.
  • Pri dvoch kolesách namontovaných oproti sebe musia servá ísť opačnými smermi aby sa autíčko pohybovalo rovno.
  • Funkcia map() umožňuje previesť hodnotu z jedného rozsahu do druhého.

Roomba

Naučili ste sa ako narábať s hlavnými komponentmi stavebnice. Teraz využijete všetky znalosti dokopy a postavíte si robotického vysavača – Roombu.

Autíčko bude skúmať terén pred sebou. Keď narazí na prekážku, pozrie sa doprava a doľava, nájde voľný smer a pokračuje ďalej. Konštrukciu auta môžete nechať z predchádzajúcej úlohy – stačí pridať 180° servo s ultrazvukovým senzorom na otáčanie hlavy.

Použijete:

  • 2× 360° servo (kolesá)
  • 1× 180° servo (otáčanie senzora)
  • 1× HC-SR04
  • 1× RGB LED modul (voliteľné)
  • 1× bzučiak (voliteľné)

Algoritmus

Roomba má v každom momente nejaký stav – a podľa neho sa rozhoduje čo urobiť:

  1. Ide rovno – ak je pred ňou voľno (> 20 cm)
  2. Narazila na prekážku – otočí senzor doprava a zmeria
  3. Ak je doprava voľno – otočí sa doprava a pokračuje
  4. Ak nie – otočí senzor doľava a zmeria
  5. Ak je doľava voľno – otočí sa doľava a pokračuje
  6. Ak je všade prekážka – cúvne a zopakuje skenovanie

LED a bzučiak sú voliteľné – ale môžu pekne znázorniť jednotlivé stavy (napr. zelená = ide, červená = prekážka, pípnutie pri otočení).

VAŠA ÚLOHA: Zostrojte Roombu a naprogramujte algoritmus podľa opisu vyššie. Dostávate štruktúru na doplnenie:

Štruktúra

Bonus: Roomba si môže pamätať históriu otočení – ak sa viackrát za sebou otočila doprava, skúsi to doľava a naopak. Tak sa vyhne zaseknutiu v rohu.

Hotový program nahrajte do mikrokontroléra, natočte krátke demonštračňé video a odošlite.

Čo sme sa naučili?

  • Komplexnejšie správanie robota sa dá rozložiť na jednoduché stavy a prechody medzi nimi.
  • 180° servo vie presne namieriť senzor na konkrétny uhol – využili sme ho ako "hlavu" robota.
  • Kombináciou všetkých komponentov vieme postaviť autonómneho robota schopného orientovať sa v priestore.

Druhá stavebnica

V druhej stavebnici prídete do kontaktu s presnejšími a výkonnejšími senzormi. Oproti prvej stavebnici tu pracujeme s modernými komunikačnými protokolmi – I2C zbernicou a 12-bitovými analógovými prevodníkmi, ktoré nám dávajú oveľa presnejšie merania.

Budeme sa zaoberať:

  • VL53L0X – laserový senzor vzdialenosti (Time of Flight), presnejší ako ultrazvuk
  • BNO055 – gyroskop ktorý meria orientáciu a rotáciu robota v priestore
  • QTR-8A + 74HC4051 – line senzor s multiplexerom na sledovanie čiary

Ku každému komponentu si postavíme jednoduché autíčko ktoré využíva jeho schopnosti – až kým na konci nebudete mať robota ktorý sleduje čiaru, vyhýba sa prekážkam a vie kde sa nachádza.

VL53L0X senzor

Dostali ste malý, ale účinný senzor na meranie vzdialenosti. VL53L0X funguje na princípe vysielania infračerveného svetla – lúč sa odrazí od objektu a vráti sa späť za rádovo nanosekundy. Zmeria sa čas letu (Time of Flight) a vypočíta sa vzdialenosť.

Táto technológia je výrazne presnejšia a rýchlejšia ako ultrazvukový senzor – pracujeme so svetlom, ktoré je niekoľkonásobne rýchlejšie ako zvuk.

Zapojenie

Senzor komunikuje cez zbernicu I2C – potrebuje iba 4 vodiče:

Pin senzora Pin na RP2350-Zero
VCC 3.3V
GND GND
SDA GP4
SCL GP5


Kód

Vyskúšaj toto: Skopíruj a spusti nasledujúci program. Otvor sériový monitor (115200 baud) a pohybuj rukou pred senzorom. 

#include <Wire.h>
#include <VL53L0X.h>

VL53L0X sensor;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.setSDA(4);  // GP4
  Wire.setSCL(5);  // GP5
  Wire.begin();

  if (!sensor.init()) {
    Serial.println("Senzor nenájdený!");
    while (1);  // zastav program
  }

  sensor.setTimeout(500);
  sensor.startContinuous();
  Serial.println("VL53L0X OK");
}

void loop() {
  int dist = sensor.readRangeContinuousMillimeters();

  if (sensor.timeoutOccurred()) {
    Serial.println("Timeout!");
  } else {
    Serial.print("Vzdialenosť: ");
    Serial.print(dist);
    Serial.println(" mm");
  }

  delay(100);
}
Novinka Vysvetlenie
#include <Wire.h> Knižnica pre I2C zbernicu – spôsob komunikácie medzi mikrokontrolérom a senzorom cez 2 vodiče (SDA, SCL)
Wire.setSDA(4) / Wire.setSCL(5) Nastavíme ktoré piny budú použité pre I2C komunikáciu
sensor.init() Inicializuje senzor – ak vráti false, senzor nie je správne zapojený
sensor.startContinuous() Spustí nepretržité meranie – senzor meria stále bez čakania na príkaz
sensor.timeoutOccurred() Vráti true ak senzor neodpovedal včas – objekt je príliš ďaleko alebo senzor nefunguje

Pre hlbšie vysvetlenie ako funguje tento senzor prikladáme článok od Adafruit.


VAŠA ÚLOHA: Implementujte VL53L0X senzor na svoje prvé autíčko namiesto ultrazvukového senzora. Správanie psíčka zostáva rovnaké – zmeňte iba časť kódu ktorá meria vzdialenosť.

Štruktúra

Bonus: Použite 3× VL53L0X senzory – jeden dopredu, druhý doľava a tretí doprava. Roomba tak bude vidieť do všetkých strán naraz a nebude musieť otáčať hlavou.


Hotový program nahrajte do mikrokontroléra, natočte krátke demonštračňé video a odošlite.

Čo sme sa naučili?

  • VL53L0X meria vzdialenosť pomocou infračerveného svetla (Time of Flight) – presnejšie a rýchlejšie ako ultrazvuk.
  • I2C je spôsob komunikácie kde viacero zariadení zdieľa iba 2 vodiče – každé má svoju jedinečnú adresu.
  • Knižnica môže za nás vyriešiť celú komunikáciu so senzorom – stačí zavolať správne funkcie.

Gyroskop BNO055

Doteraz sme jazdili rovno bez toho, aby samotné autíčko vedelo, že ide rovno. Na to nám pomôže gyroskop – senzor ktorý zaznamenáva otáčanie v troch osiach: X, Y a Z. My budeme zatiaľ využívať os Z, ktorá zaznamenáva otáčanie doprava a doľava.

Na rozdiel od predchádzajúcich senzorov, gyroskop musíme pred použitím skalibrovať – teda nechať ho chvíľu v pokoji, aby si zaznamenal svoju počiatočnú polohu.

Zapojenie

Senzor komunikuje cez zbernicu I2C – rovnako ako VL53L0X:

Pin senzora Pin na RP2350-Zero
VCC 3.3V
GND GND
SDA GP4
SCL GP5

Kód Vyskúšaj toto: Skopíruj a spusti nasledujúci program. Otvor sériový monitor (115200 baud) a otáčaj senzorom v rôznych smeroch. Sleduj ako sa menia hodnoty osí X, Y, Z. 


#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BNO055.h>

Adafruit_BNO055 bno;
bool active = false;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.setSDA(4);
  Wire.setSCL(5);
  Wire.begin();
  delay(1000);

  // Hľadáme senzor na I2C zbernici
  Serial.println("Hľadám I2C zariadenia...");
  int adresa = 0;
  for (byte addr = 1; addr < 127; addr++) {
    Wire.beginTransmission(addr);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      Serial.print("Nájdené zariadenie na adrese: 0x");
      Serial.println(addr, HEX);
      adresa = addr;
    }
  }

  if (adresa > 0) {
    bno = Adafruit_BNO055(55, adresa, &Wire);
    if (bno.begin()) {
      active = true;
      Serial.println("BNO055 OK – čakám na kalibráciu...");
    } else {
      Serial.println("BNO055 begin() zlyhalo");
    }
  } else {
    Serial.println("Žiadny senzor nenájdený!");
  }
}

void loop() {
  if (!active) {
    Serial.println("Senzor nie je pripravený");
    delay(1000);
    return;
  }

  // Kontrola kalibrácie – hodnoty 0-3, kde 3 = plne kalibrované
  uint8_t system, gyro, accel, mag;
  bno.getCalibration(&system, &gyro, &accel, &mag);

  if (system < 1) {
    Serial.println("Kalibrujem – pohni senzorom...");
    delay(100);
    return;
  }

  imu::Vector<3> euler = bno.getVector(Adafruit_BNO055::VECTOR_EULER);
  Serial.print("X: "); Serial.print(euler.x());
  Serial.print("  Y: "); Serial.print(euler.y());
  Serial.print("  Z: "); Serial.println(euler.z());
  delay(100);
}

Program čaká kým nie je senzor aspoň čiastočne kalibrovaný (system >= 1) pred tým ako začne vypisovať hodnoty. Ak vidíš stále "Kalibrujem", pomaly otáčaj senzorom vo všetkých smeroch – kalibrácia by mala prísť do niekoľkých sekúnd.

Novinka Vysvetlenie
Adafruit_BNO055 Objekt reprezentujúci senzor – cez neho voláme všetky funkcie knižnice
bno.begin() Inicializuje senzor – ak vráti false, senzor nie je správne zapojený
bno.getVector(VECTOR_EULER) Vráti aktuálnu rotáciu vo forme troch uhlov (Eulerove uhly) v stupňoch
euler.x() / .y() / .z() Jednotlivé osi rotácie – os Z sleduje otáčanie doprava/doľava
imu::Vector<3> Dátový typ pre trojrozmerný vektor – obsahuje tri hodnoty naraz

Šablóna:Note

VAŠA ÚLOHA: Pripevnite gyroskop k autíčku kolmo na cestu (plocho, aby os Z merala otáčanie). Naprogramujte autíčko ktoré:

  • Ide presne rovno – ak gyroskop zaznamená odchýlku, autíčko sa skoriguje
  • Na príkaz cez sériový monitor sa otočí presne o 90° doprava alebo doľava – otáča sa dovtedy, kým gyroskop nezaznamená 90°

Štruktúra

Šablóna:Note

Bonus: Použite VL53L0X senzor pripevnený na 180° servo a preskúmajte terén ako lidar – servo sa otočí z jednej strany na druhú a senzor zaznamená vzdialenosť v každom uhle. Po preskúmaní sa autíčko otočí smerom k najbližšiemu objektu a príde za ním (upgrade poslušného psíčka).

Štruktúra

Hotový program nahrajte do mikrokontroléra, natočte krátke demonštračňé video a odošlite.

Čo sme sa naučili?

  • Gyroskop BNO055 meria rotáciu v troch osiach – os Z sleduje otáčanie doprava/doľava.
  • Eulerove uhly vyjadrujú orientáciu objektu v priestore pomocou troch čísel.
  • Kombináciou gyroskopu a serv vieme autíčku dopomôcť k presnému pohybu a otáčaniu.

Line senzor + multiplexer

Dostali ste modul zložený z QTR-8A line senzora a 74HC4051 multiplexera.

QTR-8A obsahuje 8 infračervených snímačov odrazivosti – každý meria koľko infračerveného svetla sa odrazí od povrchu. Tmavá čiara odráža menej ako svetlý podklad.

Senzor nemá indikačnú LED, takže navonok nevidno či dostáva napájanie. Pre najlepší účinok IR senzorov ich treba zapojiť do 5V (IR pin).

Prečo potrebujeme multiplexer?

RP2350-Zero má iba 4 analógové vstupy (GP26–GP29), ale senzor má 8 analógových výstupov. Na to nám pomôže multiplexer 74HC4051 – prepína 8 analógových kanálov na jeden výstup. Každý kanál má svoju adresu od 000 po 111 (binárne), ktorú nastavujeme cez 3 select piny (S0, S1, S2).

Postup čítania všetkých 8 kanálov:

  1. Nastavíme adresu kanála cez S0, S1, S2
  2. Počkáme kým sa multiplexer prepne (~10 µs)
  3. Prečítame hodnotu z výstupu Z
  4. Opakujeme pre všetky kanály 0–7

Zapojenie

Pin modulu Pin na RP2350-Zero
VCC 3.3V
GND GND
IR (QTR-8A) 5V
Z (analógový výstup) GP26 (ADC)
S0 GP6
S1 GP7
S2 GP8

Kód

Vyskúšaj toto: Skopíruj a spusti nasledujúci program. Otvor sériový monitor (115200 baud) a pomaly pohybuj senzorom nad čiernou čiarou na bielom podklade. 

/*
  RP2040                74HC4051             QTR-8A 
┌──────────┐ ┌──────────────────────────┐  ┌────────┐
|      5V  ├─┘        ┌──────────┐      └──┤ IR     |
|      3.3V├──────────┤VCC    VCC├─────────┤ VCC    |
│      GP26├──────────┤Z      GND├─────────┤ GND    | 
│      GP13├──────────┤S2      Y0├─────────┤ D1     |
│      GP14├──────────┤S1      Y1├─────────┤ D2     |
│      GP15├──────────┤S0      Y2├─────────┤ D3     |
│       GND├──────────┤GND     Y3├─────────┤ D4     |
└──────────┘          |        Y4├─────────┤ D5     |
                      |        Y5├─────────┤ D6     |
                      |        Y6├─────────┤ D7     |
                      |        Y7├─────────┤ D8     |
                      └──────────┘         └────────┘
*/
const int MUX_Z  = 26;  // analógový výstup multiplexera
const int MUX_S0 = 6;   // select bit 0
const int MUX_S1 = 7;   // select bit 1
const int MUX_S2 = 8;   // select bit 2

const uint8_t SENSOR_COUNT = 8;
const int THRESHOLD = 400;  // prah medzi bielou (~40) a čiernou (~800)

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReadResolution(12);  // 12-bitové ADC (0–4095)

  pinMode(MUX_S0, OUTPUT);
  pinMode(MUX_S1, OUTPUT);
  pinMode(MUX_S2, OUTPUT);

  Serial.println("QTR-8A + 74HC4051 OK");
}

// Prepne multiplexer na daný kanál (0–7)
void selectChannel(uint8_t channel) {
  digitalWrite(MUX_S0, (channel >> 0) & 1);
  digitalWrite(MUX_S1, (channel >> 1) & 1);
  digitalWrite(MUX_S2, (channel >> 2) & 1);
}

void loop() {
  for (uint8_t i = 0; i < SENSOR_COUNT; i++) {
    selectChannel(i);
    delayMicroseconds(10);  // počkáme kým sa multiplexer prepne
    int val = analogRead(MUX_Z);
    Serial.print(val > THRESHOLD ? "1" : "0");
    Serial.print("\t");
  }
  Serial.println();
  delay(100);
}
Novinka Vysvetlenie
analogReadResolution(12) Nastaví ADC na 12-bitové čítanie (0–4095) – bez toho by Arduino používalo 10-bitové (0–1023)
selectChannel(i) Nastaví adresu kanála cez select piny S0, S1, S2
(channel >> n) & 1 Bitový posun – vyextrahuje n-tý bit adresy kanála. Napr. kanál 5 = 101 → S0=1, S1=0, S2=1
delayMicroseconds(10) Krátke čakanie kým sa multiplexer fyzicky prepne na nový kanál

Šablóna:Note

VAŠA ÚLOHA: Naprogramujte autíčko ktoré sleduje čiaru. Čiara môže odbáčať, robiť cik-cak, rozvetvovať sa alebo tvoriť slučku. Pripojte aj VL53L0X senzor na detekciu náhodnej prekážky v ceste:

  • Ak senzor detekuje prekážku bližšie ako 100 mm – autíčko zastaví a počká kým prekážka nezmizne
  • Ak je cesta voľná – autíčko sleduje čiaru ďalej

Štruktúra

Bonus: Pripevnite aj gyroskop BNO055. Počas jazdy zaznamenávajte čas a uhol otočenia do súboru pomocou LittleFS – po skončení jazdy pripojíte mikrokontrolér k počítaču a súbor si stiahnete a vizualizujete.

Štruktúra

Úvod do LittleFS (jednoduchý file system)

Hotový program nahrajte do mikrokontroléra, natočte krátke demonštračňé video a odošlite.

Čo sme sa naučili?

  • QTR-8A meria odrazivosť povrchu pomocou IR svetla – tmavá čiara odráža menej ako svetlý podklad.
  • Multiplexer 74HC4051 nám umožnil čítať 8 analógových kanálov cez jeden ADC pin.
  • Adresu kanála nastavujeme cez 3 select piny pomocou binárneho kódovania.
  • analogReadResolution(12) nastaví 12-bitové čítanie pre väčšiu presnosť merania.

Tretia stavebnica

Najľahšie nakoniec! Túto stavebnicu sme navrhli ako oddych od programovania – aby ste si užili skladanie podľa návodu. Najprv sa zoznámime s dvoma novými ale jednoduchými elektronickými komponentmi: joystickom a touch senzorom. Po zoznámení sa s nimi sa vrhneme do stavby jednoduchého robotického ramena.

Ak nájdete chyby v návode, prosíme napíšte nám ich pri odovzdávaní výsledkov.

Joystick

Joystick ktorý ste dostali má 2 osi (X a Y) a 1 tlačidlo (SW – stlačenie joysticku). Funguje ako dva potenciometre – otočením v smere X alebo Y sa mení odpor a tým aj analógová hodnota na výstupe.

Zapojenie

Pin joysticku Pin na RP2350-Zero
VCC 3.3V
GND GND
VRX (os X) GP26 (ADC)
VRY (os Y) GP27 (ADC)
SW (tlačidlo) GP6

Kód

Vyskúšaj toto: Skopíruj a spusti nasledujúci program. Otvor sériový monitor (115200 baud) a pohybuj joystickom. Sleduj ako sa menia hodnoty. 

const int JOY_X  = 26;
const int JOY_Y  = 27;
const int JOY_SW = 6;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReadResolution(12);  // 12-bitové ADC (0–4095)
  pinMode(JOY_SW, INPUT_PULLUP);  // tlačidlo – aktívne LOW
}

void loop() {
  int x  = analogRead(JOY_X);
  int y  = analogRead(JOY_Y);
  int sw = digitalRead(JOY_SW);  // 0 = stlačené, 1 = nestlačené

  Serial.print("X: "); Serial.print(x);
  Serial.print("  Y: "); Serial.print(y);
  Serial.print("  SW: "); Serial.println(sw == LOW ? "stlacene" : "volne");

  delay(100);
}
Novinka Vysvetlenie
INPUT_PULLUP Aktivuje vnútorný pull-up rezistor – tlačidlo číta LOW keď je stlačené a HIGH keď nie
sw == LOW Tlačidlo je aktívne LOW – stlačenie stiahne pin na GND

Šablóna:Note

Touch senzor

Touch senzor detekuje dotyk prsta pomocou zmeny kapacitancie. Keď sa dotknete senzora, váš prst zmení elektrické pole okolo elektródy – senzor to zaznamená a vyšle digitálny signál.

Zapojenie

Pin senzora Pin na RP2350-Zero
VCC 3.3V
GND GND
SIG GP7

Kód

Vyskúšaj toto: Skopíruj a spusti nasledujúci program. Dotknite sa senzora prstom a sleduj zmenu v sériovom monitore. 

const int TOUCH_PIN = 7;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(TOUCH_PIN, INPUT);
}

void loop() {
  int val = digitalRead(TOUCH_PIN);

  if (val == HIGH) {
    Serial.println("Dotyk detekovaný!");
  } else {
    Serial.println("Žiadny dotyk");
  }

  delay(100);
}

Robotické rameno

Teraz keď poznáte joystick a touch senzor, postavíte si robotické rameno ovládané joystickom. Touch senzor bude slúžiť ako tlačidlo pre uchopenie objektu (napr. otvoriť/zatvoriť kliešte).

Rameno pozostáva z niekoľkých servo motorčekov ktoré ovládajú jednotlivé kĺby – podobne ako ľudská ruka.

Postavte rameno podľa návodu:

Návod na skladanie ramena

Vaša úloha

VAŠA ÚLOHA: Naprogramujte ovládanie ramena joystickom:

  • Os X joysticku otáča rameno doľava/doprava
  • Os Y joysticku pohybuje ramenom nahor/nadol
  • Stlačenie joysticku (SW) otvára/zatvára kliešte
  • Dotyk touch senzory pohybujú ramenom dopredu/dozadu

Štruktúra

Bonus: Pridajte pamäť pohybov – rameno si zapamätá sekvenciu pohybov a bude ju opakovať. Každé stlačenie joysticku uloží aktuálnu pozíciu všetkých serv do poľa. Po stlačení touch senzora rameno sekvencию prehrá.

Hotové rameno natočte pri práci a video odošlite.

Čo sme sa naučili?

  • Joystick kombinuje dva potenciometre a tlačidlo – os X a Y dávajú analógovú hodnotu 0–4095.
  • Touch senzor detekuje dotyk bez mechanického tlačidla – využíva zmenu kapacitancie.
  • Robotické rameno kombinuje všetky doterajšie znalosti – servo motorčeky, joystick aj touch senzor.
Zdroj: „https://3dliga.robotika.sk/wiki/index.php?title=Prvé_kolo&oldid=241“