Arduino- ja Raspberry Pi -käyttöinen lemmikkieläinten valvontajärjestelmä: 19 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Äskettäin lomalla ollessamme huomasimme, ettei meillä ole yhteyttä lemmikkiimme Beagleen. Tutkimuksen jälkeen löysimme tuotteita, joissa oli staattinen kamera, jonka avulla voit seurata ja kommunikoida lemmikkisi kanssa. Näillä järjestelmillä oli tiettyjä etuja, mutta ne eivät olleet monipuolisia. Esimerkiksi jokaisessa huoneessa tarvittiin yksikkö, jolla voit seurata lemmikkisi koko talon.

Siksi kehitimme vankan robotin, joka pystyy liikkumaan ympäri taloa ja voi seurata lemmikkiään esineiden internetin avulla. Älypuhelinsovellus on suunniteltu toimimaan vuorovaikutuksessa lemmikkisi kanssa live -videosyötteen kautta. Robotin runko on digitaalisesti valmistettu, koska useita osia luotiin 3D -tulostuksella ja laserleikkauksella. Lopuksi päätimme lisätä bonusominaisuuden, joka jakaa herkkuja palkitaksesi lemmikkisi.

Luo oma lemmikkieläinten seurantajärjestelmäsi ja ehkä jopa mukauta se tarpeidesi mukaan. Katso yllä olevasta videosta, miten lemmikkimme reagoi ja saat paremman käsityksen robotista. Jätä äänestys "Robotics Contest" -kilpailussa, jos pidit projektista.

Vaihe 1: Yleiskatsaus suunnitteluun

Lemmikkieläinten valvontarobotin konseptiksi suunnittelimme sen ensin fusion 360: lle. Tässä on muutamia sen ominaisuuksia:

Robottia voidaan ohjata sovelluksen kautta Internetin kautta. Tämän avulla käyttäjä voi muodostaa yhteyden robottiin mistä tahansa

Sisäänrakennettu kamera, joka suoratoistaa videosyötteen älypuhelimeen, voi auttaa käyttäjää liikkumaan talon ympäri ja olemaan vuorovaikutuksessa lemmikin kanssa

Lisähoitokulho, joka voi palkita lemmikkisi etänä

Digitaalisesti valmistetut osat, joiden avulla robotti voidaan räätälöidä

Raspberry Pi: tä käytettiin Internet -yhteyden muodostamiseen, koska siinä on sisäinen wifi -tila

Arduinoa käytettiin yhdessä CNC -kilven kanssa komentojen antamiseksi askelmoottoreille

Vaihe 2: Tarvittavat materiaalit

Tässä on luettelo kaikista komponenteista, joita tarvitaan oman Arduino- ja Raspberry Pi -käyttöisen lemmikkieläinten valvontarobotin valmistamiseen. Kaikkien osien tulee olla yleisesti saatavilla ja helposti löydettävissä.

ELEKTRONIIKKA:

• Arduino Uno x 1
• Raspberry Pi (vilkkuu uusimmalla raspbianilla) x 1
• CNC -suoja x 1
• A4988 Askelmoottorin ohjain x 2
• Picamera x 1
• Ultraääni -etäisyysanturi x 1
• 11.1v Lipo -akku x 1
• NEMA 17 askelmoottori x 2
• 5 V UBEC x 1

LAITTEISTO:

• Pyörät x 2 (käyttämämme pyörät olivat halkaisijaltaan 7 cm)
• Pyörät x 2
• M4 ja M3 mutterit ja pultit

Tämän projektin kokonaiskustannukset ilman Arduinoa ja Raspberry Pi ovat noin 50 dollaria.

Vaihe 3: Digitaalisesti valmistetut osat

Jotkut osista, joita käytimme tässä projektissa, oli tehtävä mittatilaustyönä. Nämä mallinnettiin ensin Fusion 360: ssa ja sitten tehtiin 3D -tulostimella ja laserleikkurilla. 3D -tulostetut osat eivät kanna paljon kuormitusta, joten standardi PLA 20% täyteaineella toimii hyvin. Alla on luettelo kaikista 3D-tulostetuista ja laserleikattuista osista:

3D -tulostetut osat:

• Askelpidike x 2
• Vision -järjestelmän kiinnike x 1
• Elektroniikan pysäytys x 4
• Pystysuora välilevy x 4
• Alustan vahvistus x 2
• Käsittele kulhon kansi x 1
• Käsittele kulhoa x 1
• Takanappikiinnike x 1
• Käämityslevy x 1

Lasercut -osat:

• Alapaneeli x 1
• Yläpaneeli x 1

Zip -kansio, joka sisältää kaikki STL: t ja laserleikkaustiedostot, on liitteenä alla.

Vaihe 4: Askelmoottorin kiinnitys

Kun kaikki osat on 3D -tulostettu, aloita kokoonpano asentamalla askelmoottori askelman pidikkeeseen. Suunnittelemamme askelmoottorin pidike on tarkoitettu NEMA 17 -mallille (jos käytetään eri askelmia, se vaatii eri kiinnityksen). Vie moottorin akseli reiän läpi ja kiinnitä moottori paikalleen kiinnitysruuveilla. Kun molemmat moottorit on tehty, ne on pidettävä tukevasti pidikkeissä.

Vaihe 5: Steppereiden asennus pohjapaneeliin

Kiinnitämme pidikkeet laserleikattuun pohjapaneeliin käytimme M4-pultteja. Ennen kuin kiinnität ne muttereilla, lisää 3D -tulostetut alustan vahvistusliuskat ja kiinnitä mutterit. Nauhoja käytetään kuorman jakamiseen tasaisesti akryylipaneelille.

Vie lopuksi johdot paneelissa olevien aukkojen läpi. Varmista, että vedät ne kokonaan läpi, jotta ne eivät sotkeudu pyöriin.

Vaihe 6: Pyörien asentaminen

Akryylipaneelissa on kaksi osaa, jotka on leikattu renkaiden mukaan. Käyttämämme pyörät olivat halkaisijaltaan 7 cm ja niiden mukana tuli kiinnitysruuvit, jotka kiinnitettiin 5 mm: n askelakseleihin. Varmista, että pyörä on kiinnitetty kunnolla eikä luista akselille.

Vaihe 7: Etu- ja takapyörät

Jotta runko voisi liikkua sujuvasti, päätimme sijoittaa pyörät robotin eteen ja taakse. Tämä ei ainoastaan estä robottia kaatumasta, vaan antaa myös rungon kääntyä vapaasti mihin tahansa suuntaan. Pyörät ovat kaikenkokoisia, erityisesti meidän mukana tuli yksi kääntöruuvi, jonka kiinnitimme pohjaan ja käytimme 3D -painettuja välikappaleita korkeuden säätämiseksi siten, että robotti oli täysin vaakasuorassa. Tämän ansiosta rungon pohja on valmis ja sillä on hyvä vakaus.

Vaihe 8: Elektroniikka

Kun rungon pohja on koottu kokonaan, on aika asentaa elektroniikka akryylipaneeliin. Olemme tehneet akryylipaneeliin reikiä, jotka vastaavat Arduinon ja Raspberry Pi: n kiinnitysreikiä. 3D -tulostettuja pysäytyksiä käyttämällä nostimme elektroniikan hieman akryylipaneelien yläpuolelle, jotta kaikki ylimääräiset johdot voidaan piilottaa siististi alla. Asenna Arduino ja Raspberry Pi vastaaviin asennuspaikkoihinsa käyttämällä M3 -muttereita ja -pultteja. Kun Arduino on kiinnitetty, kiinnitä CNC -suoja Arduinoon ja liitä askeljohdot seuraavassa kokoonpanossa.

• Vasen askelin CNC-kilven X-akselin porttiin
• Oikea askelin CNC-suojan Y-akselin porttiin

Kun askelmoottorit on kytketty, liitä Arduino Raspberry Pi -laitteeseen Arduinon USB -kaapelilla. Lopulta Raspberry Pi ja Arduino kommunikoivat tämän kaapelin kautta.

Huomaa: Robotin etuosa on Raspberry Pi: n puolella

Vaihe 9: Näköjärjestelmä

Lemmikkieläinten tarkkailurobotimme ensisijainen ympäristöpanos on visio. Päätimme käyttää Raspberry Pi -yhteensopivaa Picameraa suoratoiston syöttämiseen käyttäjälle Internetin kautta. Käytimme myös ultraääni -etäisyysanturia estämään esteitä, kun robotti toimii itsenäisesti. Molemmat anturit kiinnittyvät pidikkeeseen ruuvien avulla.

Picamera liitetään Raspberry Pi: n nimettyyn porttiin ja liittää ultraäänianturin seuraavasti:

• Ultraääni -anturi VCC - 5v -kisko CNC -suojalla
• Ultraääni -anturi GND - GND -kisko CNC -suojalla
• Ultraääni -anturi TRIG - X+ lopetusnasta CNC -kilvessä
• Ultraääni -anturi ECHO - Y+ -päätepistoke CNC -kilvessä

Vaihe 10: Yläpaneelin asennus

Robotin takaosaan on asennettu herkkukulhon kannen avausjärjestelmä. Kiinnitä mini -askelmoottori takapidikkeen komponenttiin ja asenna sekä näkö- että käämitysjärjestelmä M3 -pultteilla yläpaneeliin. Kuten edellä mainittiin, asenna näköjärjestelmä eteen ja käämitys taakse kahdella mukana olevalla reiällä.

Vaihe 11: Yläpaneelin asennus

3D -tulostetut pystysuorat välikappaleet tukevat yläpaneelia oikealla korkeudella. Aloita kiinnittämällä neljä välikappaletta pohjapaneeliin muodostaen "X". Aseta sitten yläpaneeli hoitoastian kanssa varmistaen, että niiden reiät ovat kohdakkain ja lopuksi kiinnitä se myös välikappaleisiin.

Vaihe 12: Kannen avausmekanismi

Hoitoastian kannen hallitsemiseksi käytimme pienempää askelmoottoria kelaamaan kanteen kiinnitetyn nylonlangan vetämällä se auki. Ennen kannen kiinnittämistä vie naru kannen 2 mm: n reiän läpi ja tee solmu sisäpuolelle. Leikkaa sitten narun toinen pää ja liu'uta se rullauslevyn reikien läpi. Työnnä kiekko askelmiin ja vedä narusta, kunnes se on kireällä. Kun olet valmis, leikkaa ylimääräinen ja sido solmu. Kiinnitä lopuksi kansi pultilla ja mutterilla kulhoon ja varmista, että se kääntyy. Nyt kun askelin pyörii, merkkijonon pitäisi kääntyä levyn päälle ja kannen pitäisi avautua vähitellen.

Vaihe 13: Pilvitietokannan määrittäminen

Ensimmäinen askel on luoda järjestelmään tietokanta, jotta voit kommunikoida robotin kanssa mobiilisovelluksestasi mistä päin maailmaa tahansa. Napsauta seuraavaa linkkiä (Google firebase), joka johtaa sinut Firebasen verkkosivustoon (sinun on kirjauduttava sisään Google -tililläsi). Napsauta Aloita -painiketta, joka vie sinut Firebase -konsoliin. Luo sitten uusi projekti napsauttamalla "Lisää projekti" -painiketta, täytä vaatimukset (nimi, tiedot jne.) Ja lopeta napsauttamalla "Luo projekti" -painiketta.

Tarvitsemme vain Firebasen tietokantatyökaluja, joten valitse "tietokanta" vasemmanpuoleisesta valikosta. Napsauta seuraavaksi "Luo tietokanta" -painiketta, valitse "testitila" -vaihtoehto. Aseta seuraavaksi tietokantaksi "reaaliaikainen tietokanta" pilvipalvelun sijaan napsauttamalla yläreunan avattavaa valikkoa. Valitse "säännöt" -välilehti ja vaihda kaksi "epätosi" -asetusta arvoon "tosi", napsauta lopuksi "tiedot" -välilehteä ja kopioi tietokannan URL -osoite. Tämä vaaditaan myöhemmin.

Viimeinen asia, joka sinun on tehtävä, on napsauttaa rataskuvaketta projektin yleiskatsauksen vieressä, sitten "projektiasetukset", sitten "palvelutilit" -välilehti, lopuksi "Tietokannan salaisuudet" ja merkitä suojaus muistiin. tietokannan koodi. Kun tämä vaihe on valmis, olet luonut onnistuneesti pilvitietokantasi, jota voi käyttää älypuhelimestasi ja Raspberry Pi -laitteesta. (Käytä yllä olevia kuvia, jos olet epävarma, tai pudota kysymys kommenttikenttään)

Vaihe 14: Mobiilisovelluksen luominen

IoT -järjestelmän seuraava osa on älypuhelinsovellus. Päätimme käyttää MIT App Inventoria oman räätälöidyn sovelluksen luomiseen. Jos haluat käyttää luomaamme sovellusta, avaa seuraava linkki (MIT App Inventor), joka johtaa sinut heidän verkkosivulleen. Napsauta seuraavaksi "luo sovelluksia" näytön yläreunassa ja kirjaudu sitten Google -tilillesi.

Lataa alla oleva linkki.aia. Avaa "projektit" -välilehti ja napsauta "Tuo projekti (.aia) tietokoneeltani", valitse seuraavaksi juuri lataamasi tiedosto ja napsauta "ok". Vieritä komponentti -ikkunassa alaspäin, kunnes näet "FirebaseDB1", napsauta sitä ja muokkaa "FirebaseToken", "FirebaseURL" arvoiksi, jotka olit muistanut edellisessä vaiheessa. Kun nämä vaiheet on suoritettu, olet valmis lataamaan ja asentamaan sovelluksen. Voit ladata sovelluksen suoraan puhelimeesi napsauttamalla "Rakenna" -välilehteä ja napsauttamalla "Sovellus (anna QR -koodi.apk: lle") ja skannaamalla QR -koodi älypuhelimellasi tai napsauttamalla "Sovellus (tallenna.apk tietokoneelleni)) "lataat apk -tiedoston tietokoneellesi, jonka voit siirtää älypuhelimeesi.

Vaihe 15: Raspberry Pi -ohjelmointi

Raspberry Pi: tä käytetään kahdesta ensisijaisesta syystä.

1. Se lähettää suoran videovirran robotista verkkopalvelimelle. Käyttäjä voi katsella tätä suoratoistoa mobiilisovelluksen avulla.
2. Se lukee Firebase -tietokannan päivitetyt komennot ja kehottaa Arduinoa suorittamaan vaaditut tehtävät.

Yksityiskohtainen opetusohjelma on jo olemassa, ja Raspberry Pi: n määrittäminen suoratoistettavaksi on täällä. Ohjeet koostuvat kolmesta yksinkertaisesta komennosta. Kytke Raspberry Pi päälle ja avaa päätelaite ja anna seuraavat komennot.

• git -klooni
• cd RPi_Cam_Web_Interface
• ./install.sh

Kun asennus on valmis, käynnistä Pi uudelleen ja sinun pitäisi pystyä käyttämään streamia etsimällä https:// Pi: n IP -osoite mistä tahansa verkkoselaimesta.

Kun suoratoisto on määritetty, sinun on ladattava ja asennettava tietyt kirjastot voidaksesi käyttää pilvitietokantaa. Avaa päätelaite Pi -laitteellasi ja anna seuraavat komennot:

• sudo pip -asennuspyynnöt == 1.1.0
• sudo pip asenna python-firebase

Lataa lopuksi alla oleva python -tiedosto ja tallenna se Raspberry Pi -laitteeseesi. Vaihda koodin neljännessä rivissä COM -portti porttiin, johon Arduino on kytketty. Muuta seuraavaksi rivin 8 URL -osoite Firebase -URL -osoitteeksi, jonka muistit aiemmin. Suorita lopuksi ohjelma päätelaitteen kautta. Tämä ohjelma hakee komennot pilvitietokannasta ja välittää sen Arduinolle sarjayhteyden kautta.

Vaihe 16: Arduinon ohjelmointi

Arduinoa käytetään tulkitsemaan Pi: n komentoja ja ohjaamaan robotin toimilaitteet suorittamaan tarvittavat tehtävät. Lataa alla oleva Arduino -koodi ja lataa se Arduinolle. Kun Arduino on ohjelmoitu, liitä se johonkin Pi: n USB -porttiin käyttämällä erillistä USB -kaapelia.

Vaihe 17: Järjestelmän virta

Robotti saa virtaa 3 -kennoisesta lipoparistosta. Akun navat on jaettava kahteen osaan, joista toinen menee suoraan CNC -kilpeen moottorien syöttämiseksi, kun taas toinen saa yhteyden 5 voltin UBEC -laitteeseen, joka loi tasaisen 5 voltin voimalinjan, jota käytetään Raspberry Pi: n virtalähteenä GPIO -nastat. 5 V UBEC: stä on kytketty Raspberry Pi: n 5 V: n nastaan ja UBEC: n GND on kytketty Pi: n GND -nastaan.

Vaihe 18: Sovelluksen käyttäminen

Sovelluksen käyttöliittymän avulla voidaan ohjata valvontarobottia ja suoratoistaa live -syötettä sisäisestä kamerasta. Jos haluat muodostaa yhteyden robottiisi, varmista, että sinulla on vakaa Internet -yhteys, ja kirjoita sitten Raspberry Pi: n IP -osoite annettuun tekstiruutuun ja napsauta päivityspainiketta. Kun olet valmis, live -syöte näkyy näytölläsi ja sinun pitäisi pystyä hallitsemaan robotin eri toimintoja.

Vaihe 19: Valmis testaamaan

Nyt kun lemmikkisi valvontarobotti on koottu, voit täyttää kulhon koiran herkuilla. Avaa sovellus, liitä kamera ja pidä hauskaa! Olemme tällä hetkellä leikkineet roverin ja Beaglen kanssa ja olemme tallentaneet melko hauskoja hetkiä.

Kun koira voitti tämän liikkuvan esineen pelon, se jahti bottia talon ympäri herkkuja varten. Sisäänrakennettu kamera tarjoaa hyvän laajakulmanäkymän ympäristöstä, mikä helpottaa liikkumista.

Parannettavaa on, jotta se toimisi paremmin todellisessa maailmassa. Olemme kuitenkin luoneet vankan järjestelmän, jota voidaan edelleen kehittää ja laajentaa. Jos pidit tästä projektista, jätä meidät äänestämään "Robotics Contest" -kilpailussa

Hyvää tekemistä!

Toinen palkinto robotiikkakilpailussa