O “Mars Rover” tupiniquim – Protótipo de uma estação móvel para captura de dados ambientais

Descrição geral:

A ideia deste projecto é o desenvolvimento de um protótipo totalmente funcional para uma estação móvel  usada na coleita de dados ambientais tais como: temperatura, humidade e luminosidade.

Considerações do projeto:

• O Rover será controlado remotamente por um dispositivo Android com capacidade Bluetooth. Os dados serão continuamente capturados e transmitidos independentemente se o Rover está parado ou em movimento.
• O usuário deve receber um feedback visual (streaming de vídeo ao vivo)
• Os dados capturados serão analisados através de um site público (neste caso: thingspeak.com)
• Os dados estarão disponíveis para os usuários em um formato gráfico e tabela
• Alarmes via Twitter serão gerados localmente pela estação ou pelo website
• O Rover terá capacidade autónoma para evitar obstáculos a fim de proteger-se em caso de mau controle por parte do usuário.

Opções de projeto:

Com base nos requisitos, inicialmente 2 opções foram consideradas para este projeto.

1. Um único processador responsável por todas as tarefas, que neste caso deveria ser um Raspberry Pi.
2. Um processador dual , sendo as funções divididos entre eles ( Arduino e RPI ) :
   • Processor 1: RPi
     • Captura de dados
     • Comunicação com a Web
     • Transmissão de vídeo
     • Envío de mensagens via mídia social
   • Processor 2: Arduino
     • Controle dos motores (movimento e posicionamento da câmera)
     • Evasão de obstáculos
     • Comunicação com o controle remoto

Em termos de custos, utilizar 2 processadores é de fato menos custoso do que a opção de um único processador. Isso ocorre porque o Arduino é um item muito barato e portanto mais acessível que a opção de “Servo Hat”, necessária para o RPi controlar os servos de maneira adequada. Outra diferença é o módulo de BT. Para o Arduino, um módulo barato como o HC – 06 BT 3.0 é suficiente, sendo que o mesmo custa a metade do preço do “BT Dongle” a ser adicionado ao Rpi.  Assim,a opção escolhida foi o projeto com processador dual.

A Lista de materiais:

Instalação e testes da Camera (Pi-Cam) no RPi

1. Instale PIP
   • sudo apt- get install python- pip
2. Instalar a biblioteca picamera :
   • pip install picamera
3. Instalar a biblioteca flask Python:
   • sudo pip install flask
4. Baixar projeto de streaming de vídeo Flask:
   • git clone https://github.com/miguelgrinberg/flask-video-str …
5. Na pasta do projeto editar o arquivo app.py , comente esta linha:
   • #from camera import Camera
6.  Tirar o comentario da linha:
   • from camera_pi import Camera
7. Salve o arquivo app.py
8. Executar ifconfig para descobrir o endereço IP local do seu Raspberry Pi “yourLocalIPaddress ” .
9. Inicie o servidor Flask executando este comando :
   • python app.py 
10. Uma mensagem será impressa no monitor:
    • “running on “http://0.0.0.0.:5000/ (press CTRL+C to quit)
11. Abra um navegador e acesse este endereço :
    • ” YourLocalIPaddress ” : 5000

Instalando o sensor de temperatura e humidade: HC-11

1. Em primeiro lugar, obter a Biblioteca do Github :
   • git clone  https: //github.com/adafruit/Adafruit_Python_DHT.g …
2. Instalação da Biblioteca :
   • sudo apt-get update
   • sudo apt- get install build-essential python -dev python- openssl
   • cd / Home / Pi / Adafruit_Python_DHT
   • sudo python setup.py install
3. Teste o sensor, executando o programa: AdafruitDHT.py no monitor. Entre os parâmetros como : 11 ( sensor DHT11 ) e 4 ( GPIO onde o sensor está ligado )
   • sudo Python AdafruitDHT.py 11 4
4. O resultado deve ser a temperatura ea humidade lido pelo sensorEnviando dados para a internet

   Para a configuração básica do sensor DH- 11 com a RPI e envio dos dados à internet , uma grande ajuda foi começar a partir deste tutorial:

   Plotting DHT11 sensor data at ThingSpeak.com using Raspberry Pi

   Passos:

   • A definição de um canal em ThingSpeak.com :
   • Execução do códigoPython para testes:
     • sudo Python temp_hum_test.py
     • NOTA: Todos os códigos fonte estão disponíveis ao final do post.

     • Adicionando o sensor de luz:

       Um tutorial muito bom que serviu de base para esta parte do projeto, pode ser visto aqui:

       Build Your First IOT with a Raspberry Pi, DHT11 sensor, and Thingspeak.

       Um LDR e um capacitor foram conectados a GPIO24 . Basicamante, dependendo da constante de tempo RC, pode-se determinar se há luz (GPIO24 ==> HIGH) ou não (GPIO24 ==> LOW).

       • O Código Python utilizado neste teste:
         • sudo Python iot_temp_hum_light.py

       Adicionando um sensor para a intensidade de luz

       

   • O passo seguinte foi obter ” dados de intensidade da luz ” e uma vez que eu não tinha um ADC ( conversor analógico-digital ) em mãos , uma boa aproximação foi obtida utilizando-se a técnica de carga/descarga de capacitores (também aqui,  o “truque” é a variação da constante de tempo RC) . O ” Raspberry Pi Cookbook ” nos dá a solução (note que, em vez do potenciômetro no exemplo do livro, se usou um LDR).

     O Código Python utilizado neste teste:

     • sudo Python iot_temp_hum_light_pot.py

     • Enviando mensagens de alarm via Tweeter

       Uma das características do IOT é interagir automaticamente com as pessoas. Para o envio de mensagens de alarme, um dos requerimentos do projeto, se pode tanto programar o RPI como um servidor web para enviar tweets diretamente ou usar o site ThingSpeak para isso. Claro que neste último caso, apenas serão enviadas mensagens “gatilhadas” por uma condição com base nos dados capturados) .

       Abaixo um exemplo de código Python para o envío de tweets diretamente pelo RPi:

 
from twython import Twython
C_KEY = "xxxxxxxxxxxx"
C_SECRET = "yyyyyyyyy"
A_TOKEN = "zzzzzzzzzzzz"
A_SECRET = "wwwwwwwww"
api = Twython(C_KEY, C_SECRET, A_TOKEN, A_SECRET)
api.update_status(status="IoT Capstone Project - Tweet test")
 

Observe que a sua conta do Tweeter deve permitir o envío de um tweet a partir da RPI . Além disso, são necessárias chaves especiais geradas pelo Twitter , a fim de que se possa usar a biblioteca TWYTHON disponível para RPI .

Outra solução simples como explicado anteriormente, é enviar um Twitter diretamente do site. Neste caso, pode ser usado o recurso “React” de ThingSpeak.com .

Conectando o RPi e ao Arduino via port Serial

O Arduino utilizado foi o NANO que é tão poderoso como a UNO, mas com um ” fator de forma” pequeno .

Para fins de teste, um potenciômetro foi conectado aporta analógica A0 do Arduino e o valor lido, transmitido via Serial ao RPI. No teste, o RPI monitorará os comandos fornecidos por um teclado (conectado diretamente ao port USB ou através de VNC)  e dependendo do comando, ou o valor lido no port A0 será impresso no monitor, ou o LED da porta 13 do Arduino será apagado ou acendido (“toggle ON / OFF”).

• Abaixo o código Arduino e Python utilizado nos testes :
  • sudo Python ardu_pi_serial.py

Enviando os dados do Arduino para a Web:

 

Uma vez que o Arduino está conectado com RPI , dados adicionais capturados por Arduino também pode ser enviada para a Web , em conjunto com outros dados captados pelo DH11 e LDR .

O código Python usado para enviar dados para o site foi mudado para também incluiu os dados capturados pelo Arduino (valor de potenciômetro) .

Abaixo o código Arduino e Python utilizado nos testes :

• sudo iot_temp_hum_pot_ardu.py

Testando os motores do rover:

Neste ponto, o Rover vai começar a ser montado. Eu decidimos desmontar todos os sensores e começar do zero, a “Fase Arduino”. Uma vez que a Rover estiver funcionando corretamente, tanto o RPI e sensores serão remontados sobre o Rover na configuração definitiva.

Para motores, foram utilizados 2 servos contínuos (SM-S4303R). Esses servos girarão a uma velocidade, dependendo da largura de pulso recebido em sua entrada de dados. No caso deste servo, a largura de pulso pode variar de 1.0 ms a 2.0ms (outros servos podem trabalhar com larguras de pulso diferentes).

• Um pulso de 1.5ms vai posicionar o servo na posição neutra, ou “parado”.
• Um pulso de 1.0 ms vai faz com que o servo gire a maxima velocidade (cerca de 70 RPM) em uma direção e 2.0ms a toda velocidade na direção oposta.
• Pulsos entre 1.0 e 1.5ms ou 1.5ms e 2.0ms, gerarão velocidades intermediárias proporcionais.

A primeira coisa que deve ser feito, é enviar um pulso 1.5ms para verificar se os motores estão “parados”. Caso não estejam, os servos devem ser ajustados para isso (procure o parafuso amarelo, abaixo do servo). É claro que se o seu servo não possui esse ajuste, tente alterar o valor “1.5ms” até obter o ponto neutro.

Codigo para calibração dos servos:

 

 
#include Servo
leftServo;
Servo rightServo;
Void setup()
{
   leftServo.attach(6);
   rightServo.attach(5);
   leftServo.writeMicroseconds(1500);
   rightServo.writeMicroseconds(1500);
}
void loop()
{
}
 

O código abaixo , pode ser usado para um teste de motor Rover completo (para frente , para trás, parada completa , virar à esquerda , virar à direita ). Se necessário, dependendo de seus motores você deve ajustar os “delays” para obter o ângulo de viragem desejado, (também, por vezes, os valores para a largura do pulso a direito devem ser um pouco diferentes que os da esquerda para compensar qualquer falta de equilíbrio dos motores ou desalinhamento da estrutura do Rover).

• MotorCode.ino

Montagem da estrutura final do Rover e testes com o Controle Remoto/Bluetooth:

Primeiro de tudo, note que o robô ou ” Rover ” é um protótipo para fins educacionais e foi construído com elástico, madeira e clips de junção das peças originais. É muito simples, mas funciona bem para o que se pretende .

No Arduino , foi utilizado um módulo Bluetooth HC – 06 . Você precisa de mais informações sobre como usar este módulo, consulte o meu post:

Conectando “coisas” com o Bluetooth

O código Arduino completo ( o anterior + BT ) estão disponíveis nos arquivos abaixo (não se esqueça que os 3 arquivos , devem estar dentro de uma pasta exclusiva) :

• Iot_Capstone_Robot_10mar16.ino
• motorFunctions.ino
• robotDefines.h

A App Android

Para o controle remoto , um dispositivo Android foi o escolhido , pois é muito fácil de desenvolver um aplicativo usando o MIT AppInverntor2 . Para este projeto, desenvolvi o um aplicativo dedicado .

 

 

O aplicativo é muito simples. Ele possui:

• 5 botões para controle de direção ( FW , BW , esquerda, direita , Stop). Quando um desses botões é pressionado, um caracter é enviado via Bluetooth para o HC- 06, sendo o respectivo comando executado pelo Arduino.
• 1 Slider para o movimento da câmera. Um valor numérico é enviado de 0 a 100. Esse valor será ” mapeado ” no Arduino movendo a câmera proporcionalmente, dependendo da faixa de ângulo Servo (no meu caso algo de 20 a 160 graus )
• Entrada do endereço IP da PiCam e um botão para armazená-lo.
• Enviar / receber mensagens de texto para Arduino (o botão ” avião de papel ” é usado para enviar as mensagens)

O arquivo .aia disponível no final do post pode ser utilizado para gerar/modificar seu app caso você esteja familiarizado com o MIT AppInverntor2 e o arquivo .apk caso você deseje instalar e executar o aplicativo que desenvolvi diretamente em seu dispositivo Android.

App Android

Os sensores para deteção de obstáculos:

Para evitar obstáculos, será usado um sensor de ultra-som (HC- SR04 ). O sensor será montado sobre um servo 180o, com o objetivo de aumentar a área a ser pesquisada. Note que o servo também será utilizado como uma base para a Pi – câmera. Um controle deslizante na aplicação Android irá controlar o ângulo da câmera.

O HC-SR04 funciona enviando um pulso sonoro no pino “trigger” ( 2us LOW ; 10us HIGH), medindo quantos microsegundos um pulso refletido leva para retornar ao pino “echo” (lembre-se que o som viaja a 340m/s). A função “int distMeter ()” é utilizado para este cálculo.

No caso de um obstáculo a frente ser encontrado a menos de 20 centímetros, o LED vermelho acenderá e o rover parará, retrocedendo alguns centímetros por segurança. O vídeo mostra os testes com o Rover.

Vídeo de teste de obstáculos

O código completo Arduino (o anterior + desvio de obstáculos e procure servo controle ) está disponível nos arquivos:

http://www.instructables.com/files/orig/FAS/FRME/ILV8FP0N/FASFRMEILV8FP0N.ino

Integração e testes finais:

Neste ponto, todas as partes individuais foram testados e funcionam. Agora, chegou a hora do Rpi e do Arduino serem integrados. As etapas a serem executadas nesta etapa são:

1. Em primeiro lugar, execute o programa python para ativar a Pi- Cam que está no diretório flask e verifique se a camera está enviando o viseo em streaming:
   • sudo python app.py
2. Uma vez que você pode ver o vídeo, execute um CTRL- C para libertar o monitor para introduzir o código Python principal (O mesmo que o utilizado no passo 11).
   • sudo iot_temp_hum_pot_ardu.py
3. Verificar os valores dos sensores ( aquecer o sensor , cobrir o sensor de luz , etc. ) . Veja o resultado no monitor e no site :
   • sudo python iot_temp_hum_light_pot_ardu.py
4. Execute o sketch final para o Arduino.
5. Mova o rover com o aplicativo Android e confira o vídeo e os valores do sensor
6. Verifique se o rover para em um obstáculo.
7. Monitorar o site e veja se os dados ambiente continuamente sido exibidos.

O vídeo mostra o protótipo completo sendo controlado pelo aplicativo Android , capturando dados do sensor e mostrando na Internet.

Video do rover completo 

Abaixo os códigos Finais :

Codigos para o Arduino

Codigos em Python para o RPi

Conclusão:

No futuro pretendo incluir algumas características adicionais ao projeto:

• Controlar o Rover pela internet.
• Adicionar um braço robótico, de modo que o Rover possa fazer algum trabalho mecânico como a remoção de obstáculos, coleta de amostras , etc.
• Fonte de energia usando painéis solares.

  (Uma opção é usar como base o Rover em MDF projetado pelo Mauricio dos Santos)

  Desta maneira poderia-se realmente simular um “Mars Rover”.

  Logo da publicação deste projeto no site do Instructables.com, fui procurado pela revista inglesa oficial do Raspberry-Pi, a MagPi, para dar uma entrevista e contar de como foi o desenvolvimento do Mars Rover. Foi bem legal! Aqui, um pouco sobre a matéria:

  O Mars Rover Tupiniquim aterrisa em Londres!

Todos os produtos utilizados neste artigo podem ser encontrados na Loja de Eletrónica e Robótica – ElectroFun.

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