Systém sledování domácích mazlíčků Arduino a Raspberry Pi: 19 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Nedávno jsme si na dovolené uvědomili nedostatek spojení s naším mazlíčkem Beaglem. Po nějakém výzkumu jsme našli produkty, které obsahovaly statickou kameru, která člověku umožňovala monitorovat a komunikovat se svým domácím mazlíčkem. Tyto systémy měly určité výhody, ale postrádaly všestrannost. Například každá místnost vyžadovala jednotku, která by sledovala vašeho domácího mazlíčka po celém domě.

Proto jsme vyvinuli robustního robota, který dokáže manévrovat po domě a může monitorovat něčí zvíře pomocí síly internetu věcí. Aplikace pro chytré telefony byla navržena pro interakci s vaším mazlíčkem prostřednictvím živého videa. Podvozek robota je digitálně vyroben, protože několik dílů bylo vytvořeno pomocí 3D tisku a laserového řezání. Nakonec jsme se rozhodli přidat bonusovou funkci, která vydává pamlsky, aby odměnila vašeho mazlíčka.

Pokračujte ve vytváření vlastního systému sledování domácích zvířat a možná jej dokonce přizpůsobte svým požadavkům. Podívejte se na výše uvedené video, abyste zjistili, jak náš mazlíček reagoval, a lépe porozuměli robotovi. Pokud se vám projekt líbil, dejte hlas v „soutěži robotů“.

Krok 1: Přehled návrhu

Abychom konceptualizovali robota pro sledování zvířat, nejprve jsme ho navrhli na Fusion 360. Zde jsou některé z jeho funkcí:

Robota lze ovládat pomocí aplikace přes internet. To umožňuje uživateli připojit se k robotu odkudkoli

Integrovaná kamera, která živě streamuje video přenos do smartphonu, může uživateli pomoci manévrovat po domě a komunikovat s domácím mazlíčkem

Doplňková miska na pamlsky, která může odměnit vašeho mazlíčka na dálku

Digitálně vyrobené díly, které umožňují přizpůsobit si robota

Pro připojení k internetu byl použit Raspberry Pi, který má integrovaný wifi režim

Pro povely krokovým motorům bylo použito Arduino spolu s CNC štítem

Krok 2: Potřebné materiály

Zde je seznam všech komponent potřebných k vytvoření vlastního robota pro sledování zvířat poháněného Arduino a Raspberry Pi. Všechny díly by měly být běžně dostupné a snadno dostupné.

ELEKTRONIKA:

• Arduino Uno x 1
• Raspberry Pi (s nejnovějším raspbianem) x 1
• CNC štít x 1
• A4988 Ovladač krokového motoru x 2
• Picamera x 1
• Ultrazvukový snímač vzdálenosti x 1
• 11.1v Lipo baterie x 1
• Krokový motor NEMA 17 x 2
• 5v UBEC x 1

HARDWARE:

• Kola x 2 (kola, která jsme použili, měla průměr 7 cm)
• Kolečka x 2
• Matice a šrouby M4 a M3

Celkové náklady na tento projekt bez Arduina a Raspberry Pi se pohybují kolem 50 $.

Krok 3: Digitálně vyrobené díly

Některé části, které jsme použili v tomto projektu, musely být vyrobeny na zakázku. Ty byly nejprve modelovány ve Fusion 360 a poté byly vyrobeny pomocí 3D tiskárny a laserové řezačky. 3D vytištěné díly nenesou velkou zátěž, takže standardní PLA s 20% výplní funguje skvěle. Níže je uveden seznam všech 3D tištěných a laserem řezaných dílů:

3D tištěné díly:

• Krokový držák x 2
• Držák systému Vision x 1
• Odpor elektroniky x 4
• Vertikální rozpěrka x 4
• Zesílení podvozku x 2
• Ošetřete víko misky x 1
• Ošetřete misku x 1
• Zadní krokový držák x 1
• Navíjecí kotouč x 1

Lasercut díly:

• Spodní panel x 1
• Horní panel x 1

Složku se zipem obsahující všechny STL a soubory laserového řezání naleznete níže.

Krok 4: Nasazení krokového motoru

Jakmile jsou všechny díly vytištěny 3D, začněte s montáží krokového motoru do držáku krokového motoru. Držák krokového motoru, který jsme navrhli, je určen pro model NEMA 17 (pokud jeden používá různé krokové motory, bude vyžadovat jiný držák). Protáhněte hřídel motoru otvorem a zajistěte motor na místě pomocí montážních šroubů. Po dokončení by měly být oba motory bezpečně drženy v držácích.

Krok 5: Montáž stepperů na spodní panel

K montáži držáků na spodní panel řezaný laserem jsme použili šrouby M4. Než je zajistíte maticemi, přidejte 3D tištěné výztužné pásy podvozku a poté upevněte matice. Pásy slouží k rovnoměrnému rozložení zátěže na akrylátový panel.

Nakonec protáhněte dráty příslušnými štěrbinami na panelu. Ujistěte se, že je protáhnete až do konce, aby se nezapletli do kol.

Krok 6: Nasazení kol

Akrylový panel má dvě části vyříznuté tak, aby pasovaly na kola. Kola, která jsme použili, měla průměr 7 cm a byla opatřena stavěcími šrouby, které byly připevněny na krokové hřídele 5 mm. Ujistěte se, že je kolo řádně zajištěno a neklouže na hřídeli.

Krok 7: Přední a zadní kolečka

Aby se podvozek mohl pohybovat hladce, rozhodli jsme se umístit kolečka na přední a zadní část robota. Nejenže to brání převrácení robota, ale také se podvozek může volně otáčet v libovolném směru. Kolečka koleček se dodávají ve všech velikostech, zejména ta naše přišla s jediným otočným šroubem, který jsme namontovali na základnu a pomocí 3D tištěných rozpěr upravili výšku tak, aby byl robot dokonale vodorovný. Díky tomu je základ podvozku kompletní a má dobrou stabilitu.

Krok 8: Elektronika

Jakmile je základna podvozku plně sestavena, je čas namontovat elektroniku na akrylový panel. Do akrylového panelu jsme vytvořili otvory, které se shodují s montážními otvory Arduina a Raspberry Pi. Pomocí 3D tištěných distančních sloupků jsme vyvýšili elektroniku mírně nad akrylové panely, aby bylo možné všechny přebytečné kabely úhledně zastrčit pod nimi. Namontujte Arduino a Raspberry Pi na jejich odpovídající montážní místa pomocí matic a šroubů M3. Jakmile je Arduino upevněno, připojte k Arduinu CNC štít a připojte krokové vodiče v následující konfiguraci.

• Levý stepper k CNC štítu portu osy X
• Pravý stepper k CNC stínění portu osy Y

S připojenými krokovými motory připojte Arduino k Raspberry Pi pomocí USB kabelu Arduina. Prostřednictvím tohoto kabelu nakonec budou komunikovat Raspberry Pi a Arduino.

Poznámka: Přední část robota je strana s Raspberry Pi

Krok 9: Vision System

Primárním vstupem prostředí pro našeho robota pro sledování domácích zvířat je vize. Rozhodli jsme se použít Picameru, která je kompatibilní s Raspberry Pi, k přenosu živého streamu uživateli přes internet. Použili jsme také ultrazvukový senzor vzdálenosti, abychom se vyhnuli překážkám, když robot funguje autonomně. Oba senzory se připevňují na držák pomocí šroubů.

Picamera se zasune do určeného portu na Raspberry Pi a připojí ultrazvukový senzor následujícím způsobem:

• Ultrazvukový senzor VCC na kolejnici 5V na CNC štítu
• Ultrazvukový senzor GND na GND lištu na CNC štítu
• Ultrazvukový snímač TRIG až X+ koncový doraz na CNC štítu
• Ultrazvukový senzor ECHO na Y+ koncový doraz na CNC štítu

Krok 10: Sestava horního panelu

Na zadní straně robota je namontován systém otevírání víka mísy. Připojte mini krokový motor ke komponentě zadního držáku a namontujte jak systém vidění, tak systém navíjení pomocí šroubů M3 na horní panel. Jak již bylo zmíněno, nezapomeňte namontovat systém vidění vpředu a systém vinutí vzadu pomocí dvou otvorů.

Krok 11: Sestava horního panelu

Vytvořili jsme 3D tištěné svislé rozpěrky na podporu horního panelu ve správné výšce. Začněte připojením čtyř distančních podložek ke spodnímu panelu a vytvořte „X“. Poté umístěte horní panel s ošetřovací miskou a ujistěte se, že jsou jejich otvory zarovnané, a nakonec jej zajistěte také k distančním vložkám.

Krok 12: Mechanismus otevírání víka

K ovládání víka na mísě s pamlskem jsme pomocí menšího krokového motoru navinuli nylonový provázek připevněný k víku a vytáhli ho. Před nasazením víka provlékněte provázek 2mm otvorem na víku a na vnitřní straně vytvořte uzel. Poté ustřihněte druhý konec provázku a protáhněte jej otvory na navíjecím kotouči. Zatlačte disk na stepper a poté zatáhněte za provázek, dokud není napnutý. Po dokončení odstřihněte přebytek a svažte uzel. Nakonec pomocí šroubu a matice připevněte víko k misce a ujistěte se, že se otáčí. Nyní, když se stepper otáčí, by se struna měla navinout na disk a víko by se mělo postupně otevírat.

Krok 13: Nastavení cloudové databáze

Prvním krokem je vytvoření databáze pro systém, abyste mohli s robotem komunikovat z mobilní aplikace odkudkoli na světě. Klikněte na následující odkaz (Google firebase), který vás přesměruje na web Firebase (budete se muset přihlásit pomocí svého účtu Google). Klikněte na tlačítko „Začínáme“, které vás přenese do konzoly firebase. Poté vytvořte nový projekt kliknutím na tlačítko „Přidat projekt“, vyplňte požadavky (název, podrobnosti atd.) A dokončete kliknutím na tlačítko „Vytvořit projekt“.

Požadujeme pouze databázové nástroje Firebase, takže v nabídce na levé straně vyberte „databázi“. Dále klikněte na tlačítko „Vytvořit databázi“, vyberte možnost „testovací režim“. Poté nastavte databázi na „databázi v reálném čase“namísto „cloud fireestore“kliknutím na rozbalovací nabídku v horní části. Vyberte kartu „pravidla“a změňte dvě „nepravdy“na „true“, nakonec klikněte na kartu „data“a zkopírujte adresu URL databáze, bude to vyžadováno později.

Poslední věc, kterou budete muset udělat, je kliknout na ikonu ozubeného kola vedle přehledu projektu, poté na „nastavení projektu“, poté vybrat kartu „účty služeb“, nakonec kliknout na „Tajemství databáze“a poznamenat si zabezpečení kód vaší databáze. Tímto krokem jste úspěšně vytvořili svou cloudovou databázi, ke které lze přistupovat ze smartphonu a z Raspberry Pi. (V případě jakýchkoli pochybností použijte obrázky připojené výše, nebo jednoduše napište otázku do sekce komentářů)

Krok 14: Vytvoření mobilní aplikace

Další částí systému IoT je aplikace pro chytré telefony. Rozhodli jsme se použít MIT App Inventor k vytvoření vlastní přizpůsobené aplikace. Chcete -li použít aplikaci, kterou jsme vytvořili, nejprve otevřete následující odkaz (MIT App Inventor), který vás přivede na jejich webovou stránku. Poté klikněte na „vytvořit aplikace“v horní části obrazovky a poté se přihlaste pomocí svého účtu Google.

Stáhněte si soubor.aia, který je propojen níže. Otevřete kartu „projekty“a klikněte na „Importovat projekt (.aia) z mého počítače“, dále vyberte soubor, který jste právě stáhli, a klikněte na „ok“. V okně komponent přejděte úplně dolů, dokud neuvidíte „FirebaseDB1“, klikněte na něj a upravte „FirebaseToken“, „FirebaseURL“na hodnoty, které jste si v předchozím kroku poznamenali. Jakmile jsou tyto kroky dokončeny, jste připraveni stáhnout a nainstalovat aplikaci. Aplikaci si můžete stáhnout přímo do telefonu kliknutím na záložku „Build“a kliknutím na „App (poskytnout QR kód pro.apk)“, poté naskenováním QR kódu pomocí smartphonu nebo kliknutím na „App (uložit.apk do mého počítače“) stáhnete si soubor APK do počítače, který pak můžete přesunout do svého smartphonu.

Krok 15: Programování Raspberry Pi

Raspberry Pi se používá ze dvou hlavních důvodů.

1. Přenáší živý přenos videa z robota na webový server. Tento stream může uživatel zobrazit pomocí mobilní aplikace.
2. Přečte aktualizované příkazy v databázi firebase a dá Arduinu pokyn k provedení požadovaných úkolů.

Pro nastavení Raspberry Pi na live stream již existuje podrobný návod, který najdete zde. Pokyny se skládají ze tří jednoduchých příkazů. Zapněte Raspberry Pi, otevřete terminál a zadejte následující příkazy.

• klon git
• cd RPi_Cam_Web_Interface
• ./install.sh

Jakmile je instalace dokončena, restartujte Pi a měli byste mít přístup ke streamu hledáním https:// IP adresy vašeho Pi v libovolném webovém prohlížeči.

Po nastavení živého streamování budete muset stáhnout a nainstalovat určité knihovny, abyste mohli cloudovou databázi používat. Otevřete terminál na svém Pi a zadejte následující příkazy:

• sudo pip install requests == 1.1.0
• sudo pip install python-firebase

Nakonec si stáhněte níže přiložený soubor pythonu a uložte jej na Raspberry Pi. Na čtvrtém řádku kódu změňte port COM na port, ke kterému je připojeno Arduino. Dále změňte adresu URL na řádku 8 na adresu URL firebase, kterou jste si dříve poznamenali. Nakonec spusťte program přes terminál. Tento program načítá příkazy z cloudové databáze a předává ji Arduinu prostřednictvím sériového připojení.

Krok 16: Programování Arduina

Arduino se používá k interpretaci příkazů z Pi a dává pokyn akčním členům robota k provedení potřebných úkolů. Stáhněte si níže přiložený kód Arduino a nahrajte jej do Arduina. Jakmile je Arduino naprogramováno, připojte jej k jednomu z portů USB Pi pomocí vyhrazeného kabelu USB.

Krok 17: Napájení systému

Robot bude napájen 3článkovou lipo baterií. Terminály baterie je třeba rozdělit na dva, přičemž jeden jde přímo na CNC štít pro napájení motorů, zatímco druhý se připojuje k 5v UBEC, což vytvořilo stabilní 5V napájecí vedení, které bude použito k napájení Raspberry Pi skrz kolíky GPIO. 5v od UBEC je připojeno k 5v pinu Raspberry Pi a GND od UBEC je připojeno ke kolíku GND na Pi.

Krok 18: Použití aplikace

Rozhraní aplikace umožňuje ovládat monitorovacího robota a streamovat živý přenos z palubní kamery. Chcete -li se připojit k robotovi, ujistěte se, že máte stabilní připojení k internetu, a poté jednoduše zadejte IP adresu Raspberry Pi do poskytnutého textového pole a klikněte na tlačítko aktualizace. Po dokončení se na vaší obrazovce zobrazí živý přenos a měli byste být schopni ovládat různé funkce robota.

Krok 19: Připraveno k testování

Nyní, když je váš robot na monitorování domácích zvířat plně sestaven, můžete misku naplnit některými pamlsky pro psy. Otevřete aplikaci, připojte fotoaparát a bavte se! Aktuálně jsme si hráli s roverem a naším Beaglem a zachytili jsme docela veselé momenty.

Jakmile pes překonal počáteční strach z tohoto pohybujícího se předmětu, honil robota po domě za pamlsky. Palubní kamera poskytuje dobrý širokoúhlý výhled na okolí, což usnadňuje manévrování.

Existuje prostor pro zlepšení, aby fungoval lépe v reálném světě. To znamená, že jsme vytvořili robustní systém, na kterém lze dále stavět a rozšiřovat jej. Pokud se vám tento projekt líbil, hlasujte pro nás v „soutěži o robotiku“

Šťastné tvoření!

Druhá cena v robotické soutěži