Table of Contents
Gyroscope controlled car
Introducere
Proiectul „Gyroscope Controlled Car” urmărește dezvoltarea unui sistem de control wireless pentru un vehicul cu două roți, operat printr-o telecomandă care detectează mișcarea utilizatorului cu ajutorul unui giroscop. Acest sistem este conceput pentru a oferi un mod intuitiv și hands-free de a controla deplasarea unui robot mobil, doar prin înclinarea telecomenzii.
Proiectul îmbină mai multe concepte din domeniul sistemelor embedded, precum: comunicație wireless low-latency (ESP-NOW), controlul motoarelor prin PWM, interfațare I2C, UART pentru debug, GPIO, prelucrarea datelor senzorilor de mișcare, afișare în timp real și măsurare a tensiunii analogice(ADC). Soluția propusă este modulară și extensibilă, reprezentând o bază solidă pentru dezvoltarea de vehicule autonome sau controlate prin metode alternative.
Descriere generală
Device-ul este compus din doua componente:
- Masina
- Telecomanda
Controlul vehiculului se bazează pe un senzor de mișcare MPU6050, montat pe o placă ESP32 aflată în telecomandă. Informațiile despre orientare (pitch, roll) sunt procesate și transmise în timp real către vehicul prin protocolul ESP-NOW, care permite o comunicare rapidă și directă între cele două microcontrolere ESP32, fără a necesita o rețea Wi-Fi.
Vehiculul, echipat cu un alt modul ESP32, primește comenzile, interpretează direcția dorită de deplasare și controlează două motoare prin intermediul unui driver L298N. Sistemul este completat de un ecran LCD care afișează în timp real starea bateriei, și de un senzor de distanță HC-SR04, ce permite detectarea obstacolelor și implementarea unei funcții de evitare a coliziunii..
Hardware Design
Lista de piese:
Diagrama bloc
Montajul final
Schema electrica
Descriere functinalitate hardware
Telecomanda este formată dintr-un modul ESP32 care primește informații despre poziție de la un senzor cu giroscop MPU6050. Cele două componente comunică între ele prin intermediul protocolului I2C.
Pe mașină se află un alt modul ESP32, care comunică cu cel de pe telecomandă prin protocolul ESP-NOW. Motoarele sunt controlate cu ajutorul unui driver de motoare L298N, conectat la ESP32 și utilizând semnale PWM pentru reglarea vitezei.
Un ecran LCD afișează tensiunea bateriei motoarelor și procentajul acesteia, comunicând tot prin I2C. De asemenea, a fost adăugat un senzor de distanță care, dacă detectează un obstacol la mai puțin de 20 cm, determină deplasarea înapoi a mașinii pentru a evita coliziunea.
Descriere pini
Telecomanda
Comunicare ESP32 - MPU6050
| MPU6050 | ESP32 | Funcție |
|---|---|---|
| VCC | 3V3 | Alimentare 3.3V |
| GND | GND | GND |
| SDA | GPIO 21 | I2C - Date |
| SCL | GPIO 22 | I2C - Ceas |
Masina
Comunicare ESP32 - L298N
| ESP32 Pin | L298N Pin | Funcție |
|---|---|---|
| GPIO 32 | ENA | Viteză motor stânga (PWM) |
| GPIO 33 | IN1 | Direcție motor stânga |
| GPIO 25 | IN2 | Direcție motor stânga |
| GPIO 26 | IN3 | Direcție motor dreapta |
| GPIO 27 | IN4 | Direcție motor dreapta |
| GPIO 14 | ENB | Viteză motor dreapta (PWM) |
| ADC 34 | VCC | Măsurare tensiune baterie |
Comunicare ESP32 - LCD
| ESP32 Pin | LCD Pin (modul I2C) | Funcție |
|---|---|---|
| GPIO 21 | SDA | Date I2C |
| GPIO 22 | SCL | Ceas I2C |
| 5V (Vin) | VCC | Alimentare |
| GND | GND | GND |
Comunicare ESP32 - HC-SR04
| ESP32 Pin | HC-SR04 Pin | Funcție |
|---|---|---|
| GPIO 12 | Trig | Transmitere impuls ultrasonic |
| GPIO 14 | Echo | Recepție ecou (măsurare timp întârziere) |
| 5V | VCC | Alimentare senzor |
| GND | GND | GND |
Software Design
Mediul de dezvotare este ArduinoIDE.
Biblioteci utilizate
- esp_now.h - Această bibliotecă permite comunicarea wireless directă între dispozitive ESP32 folosind protocolul ESP-NOW (dezvoltat de Espressif). Este utilă pentru transmisii rapide și fără un router Wi-Fi.
- WiFi.h - Este necesară pentru a inițializa modulul Wi-Fi al ESP32. Deși ESP-NOW nu necesită o conexiune la rețea, modulul Wi-Fi trebuie pornit pentru a funcționa.
- I2Cdev.h și MPU6050_6Axis_MotionApps20.h – Biblioteci open-source pentru comunicarea cu senzorul MPU6050.
- vector
- Wire.h - Este biblioteca standard pentru comunicația I2C. Necesară pentru a comunica cu periferice I2C.
- LiquidCrystal_I2C.h - Bibliotecă open-source care permite afișarea datelor pe LCD cu interfață I2C.
Descriere software
Funcționarea modulului transmițător
Modulul transmițător are rolul de a colecta date de la senzorul de mișcare MPU6050 și de a le transmite, prin intermediul protocolului ESP-NOW, către un modul receptor.
Etapele de inițializare:
- Inițializarea conexiunii ESP-NOW
- Modulul activează interfața Wi-Fi și configurează conexiunea ESP-NOW.
- Se adaugă un nou peer (receptor) utilizând adresa sa MAC, pentru a permite transmiterea datelor.
- Configurarea senzorului MPU6050
- Senzorul MPU6050 este inițializat și calibrat cu ajutorul funcției setupMPU().
- Această funcție setează senzorul în modul DMP (Digital Motion Processor), permițând obținerea de date prelucrate (pitch, roll, yaw).
Funcționarea loop():
- Modulul citește în mod repetat datele din coada senzorului (FIFO).
- Valorile sunt prelucrate și mapate în intervalul 0–254, pentru a fi compatibile cu formatul transmisiei ESP-NOW.
- Datele sunt apoi incapsulate într-o structură și transmise către receptor prin ESP-NOW.
Funcționarea modulului receptor
Modulul receptor are rolul de a primi datele transmise prin ESP-NOW de la senzorul MPU6050 (de pe transmițător) și de a executa acțiuni corespunzătoare asupra motoarelor, în funcție de mișcările detectate.
Etapele de inițializare:
- Inițializarea protocolului ESP-NOW
- Se configurează modulul Wi-Fi al plăcii ESP32 în modul stație și se pornește protocolul ESP-NOW.
- Configurarea pinilor de control
- Se setează modurile de funcționare pentru pinii digitali implicați în controlul motoarelor, prin apelul funcției setUpPinModes().
- Inițializarea afișajului LCD
- Se pornește comunicația I2C și se inițializează afișajul LCD, care va afișa ulterior nivelul bateriei.
Recepția și procesarea datelor:
- La primirea unui pachet de date prin ESP-NOW, este apelată funcția OnDataRecv().
- Aceasta citește structura de date recepționată și, în funcție de valorile primite (corespunzătoare orientării sau accelerației), apelează funcția processCarMovement() cu parametrul corespunzător.
- Pentru evitarea coliziunii, cu ajutorul senzorului de distanță, primul pas din funcția OnDataRecv() este determinarea distanței până la obstacol, iar dacă distanța este mai mică de 20 cm, se va introduce o întârziere de o secundă, timp în care funcția de primire a datelor nu va mai procesa informațiile primite.
- Funcția processCarMovement() interpretează comanda și controlează direcția de deplasare a vehiculului, trimițând comenzi către motoare prin intermediul funcției rotateMotor().
Monitorizarea nivelului bateriei:
- Pentru a monitoriza tensiunea bateriei care alimentează motoarele, pinul VCC al modulului L298N este conectat la pinul 34 al plăcii ESP32, care permite citiri analogice.
- Se realizează o mediere a mai multor citiri analogice pentru a obține o valoare mai stabilă a tensiunii.
- Nivelul bateriei este calculat în funcție de această medie și este afișat pe LCD.
Rezultate Obţinute
Proiectul demonstrează eficiența comunicării ESP-NOW pentru aplicații low-latency și fiabilitatea senzorilor utilizați în contextul controlului robotic. Prin combinarea mai multor tehnologii (MPU6050, HC-SR04, ESP32, LCD I2C), s-a obținut un sistem complet, capabil să răspundă în timp real la comenzile utilizatorului. Acest proiect oferă o bază solidă pentru extinderea ulterioară către vehicule complet autonome sau controlate prin alte metode, precum aplicații mobile sau comenzi vocale.