SOLARBOI - um Solar Rover 4G para explorar o mundo !: 3 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Desde jovem, sempre adorei explorar. Ao longo dos anos, vi muitas versões de carros de controle remoto controlados por WiFi e pareciam bastante divertidos. Mas eu sonhava em ir muito mais longe - no mundo real, muito além dos limites de minha casa, minha rua ou mesmo meu subúrbio. Eu ansiava por construir um robô que pudesse ir muito além. Para fazer isso, criei um robô equipado com uma câmera, uma conexão de dados 4G e um sistema de energia solar capaz de permitir missões de dias, semanas ou até meses de duração. Eu agora transmito regularmente missões ao vivo no Twitch.tv, e SOLARBOI faz sua parte tentando ir mais longe no interior da Austrália do que qualquer robô já fez antes! O objetivo de SOLARBOI é ser deixado em uma cidade do interior da Austrália e navegar para fora, para o campo e para outros destinos. Não pode receber assistência externa para a sua missão, do contrário é considerado como falhado. Ele deve seguir seu caminho, quilômetro a quilômetro, ao longo de dias e semanas, contando apenas com o sol para carregar e a rede 4G para se comunicar de volta à base. Embora o básico do projeto pareça fácil, realizá-lo é incrivelmente difícil! Este guia serve para explicar o básico de como o SOLARBOI funciona e apresentar ideias sobre a melhor forma de criar uma plataforma de robô que pode sobreviver ao ar livre por semanas a fio. Não é um manual passo a passo exato sobre como criar o seu próprio; em vez disso, é um ponto de partida que você pode usar para explorar suas próprias construções e designs.

Etapa 1: Etapa 1: o hardware

Em primeiro lugar, você precisará de um chassi para o seu robô. Enquanto muitos experimentam designs de veículos espaciais impressos em 3D, optei por usar um brinquedo querido da minha infância. O Radio Shack RAMINATOR parecia legal, com pneus grandes, tração nas quatro rodas e suspensão funcional fora da caixa. Embora seja otimizado para velocidade sobre torque, decidi que isso serviria bem como base para meu projeto de rover. Depois de arrancar o hardware RC de brinquedo, substituí o motor por um ESC escovado Hobbyking, enquanto removia a configuração original da direção e a substituía por um servo resistente. Baterias de polímero de lítio foram instaladas para dar ao SOLARBOI a energia para dirigir por horas a fio.

Com a mecânica fora do caminho, o comando e o controle são a próxima consideração importante. Para isso, optei por um Raspberry Pi Zero. Projetado para consumir uma pequena quantidade de energia, é compatível com periféricos USB e é perfeito para um projeto conectado à Internet. Como um bônus, ele funciona bem com o periférico da câmera Raspberry Pi, fundamental para nos dar uma visão dos arredores do robô quando estamos em campo. Eu escolhi uma lente de câmera olho de peixe para SOLARBOI, dando-nos uma bela visão ampla para ajudar a navegar pelo mundo em geral. Para uma conexão de volta à base doméstica, contamos com um dongle 4G, que nos dá a alta largura de banda de que precisamos para enviar comandos ao robô e receber vídeo de volta.

A energia solar é a chave para a missão da SOLARBOI, daí o nome. Um painel solar de 20 W é instalado para aproveitar ao máximo o sol disponível, mesmo em dias mais nublados do que ensolarados. É usado para carregar as baterias durante o dia, para que SOLARBOI possa dirigir à noite, longe de olhares curiosos e intrusos maliciosos. Obviamente, mesmo com o Pi Zero de baixo consumo comandando o show, não podemos deixá-lo funcionando totalmente da outra vez, drenaríamos as baterias muito rápido. Assim, o Pi precisa ser desligado na maioria das vezes, mas ligado em intervalos regulares para relatar a posição do SOLARBOI e nos permitir fazer o login e conduzir o robô quando quisermos. Para conseguir isso, um Arduino Pro Micro executa um programa especial que liga o SOLARBOI nos primeiros 5 minutos de cada hora. Se fizermos login no robô a partir do Controle da Missão, ele permanecerá ativado, permitindo-nos executar a missão. Se não detectar uma conexão, ele desligará o Raspberry Pi para economizar energia e aproveitar ao máximo a energia solar disponível. O GPS também é usado para garantir que o Controle da Missão esteja sempre ciente da posição do SOLARBOI. Dirigindo no campo na calada da noite, pode ser muito difícil navegar apenas por pistas visuais. Assim, o GPS nos permite manter uma posição fixa do robô e alcançar nossos objetivos nas regiões regionais da Austrália.

Etapa 2: Etapa 2: o software

Obviamente, é muito bom ter um veículo espacial, mas ele precisa de um software para fazê-lo funcionar. O software SOLARBOI está em constante desenvolvimento, permitindo melhor desempenho e melhorando a facilidade de uso ao longo do tempo.

O rover usa Raspbian, o sistema operacional padrão do Raspberry Pi Zero. O Mission Control é executado no Windows. Isso causa alguns problemas com vários utilitários do Linux que precisam ser especialmente instalados no Mission Control. No final das contas, no entanto, essa configuração nos permitiu dirigir muitos quilômetros bem-sucedidos com o SOLARBOI, e faz um bom trabalho. O vídeo é transmitido do robô de volta para o Controle da Missão via Gstreamer. É difícil de usar e não está bem documentado para o iniciante. No entanto, ele nos permite ter um fluxo de áudio e vídeo de baixa latência do robô que é bom o suficiente para que possamos dirigir sem muitos problemas. Ocorrem quedas e há algum atraso, mas quando você está construindo robôs pioneiros para explorar o campo, você tira o melhor proveito do que tem! O streaming é feito em H264 nativo da câmera Raspberry Pi, para evitar colocar muita carga no Pi Zero pela transcodificação em tempo real. O controle do robô é feito por meio de código Python customizado, com uma arquitetura servidor / cliente. Usando bibliotecas como PiGPIO e Servoblaster, somos prontamente capazes de controlar o sistema de acionamento do robô e outras funções em tempo real. A instalação é fácil, graças ao ecossistema Raspberry Pi bem desenvolvido.

Usamos uma variedade de bibliotecas em Python para exibir a telemetria na tela. O mais importante é MatPlotLib, que traça nossos gráficos de bateria no Mission Control que nos permite monitorar o desempenho do SOLARBOI durante uma missão ao vivo.

Etapa 3: Etapa 3: as coisas que você aprende apenas no campo

Nenhum plano sobrevive ao primeiro contato com o inimigo, como dizem. Exatamente dessa maneira, a SOLARBOI passou por muitos testes em suas tentativas de navegar até uma caixa telefônica antiquada nas profundezas da zona rural de Nova Gales do Sul. Essas são lições que geralmente só podem ser aprendidas no campo e que aprendemos da maneira mais difícil. A discrição é uma preocupação primordial. Se o robô se destaca de seu entorno, ele pode ser facilmente encontrado por transeuntes enquanto carrega durante o dia. Devido ao pequeno tamanho e peso da plataforma, SOLARBOI poderia ser roubado ou destruído prontamente, falhando assim sua missão. Este é um risco que corremos sempre que implantamos na selva. Para atenuar isso, SOLARBOI é pintado com um acabamento verde monótono na tentativa de se misturar. Encontrar um espaço seguro para carregar com bastante luz solar, mas com visibilidade mínima, é um desafio contínuo. Apesar das fortes credenciais offroad do SOLARBOI, ele não é capaz de superar todos os obstáculos em seu caminho. No passado, tivemos problemas em ficar preso em pedras ou bater em pequenas árvores. Na maioria das vezes, isso se deve a uma câmera com um campo de visão ruim, baixos níveis de luz à noite e extremo cansaço por parte do operador. Nossas atualizações para melhores faróis e lentes olho de peixe visam evitar esse problema no futuro. Progresso lento e constante, em vez de velocidade total, também é um bom mantra para se evitar colidir com objetos quando você está dirigindo com um atraso de vídeo de 500 ms. Simplesmente implantar no país traz seus próprios problemas. Isso significa que o hardware do SOLARBOI deve estar em excelente forma, para que uma jornada de muitas horas até a área de implantação não seja em vão. Isso nos custou muito combustível e tempo em missões anteriores, e algo que pretendemos evitar com testes rigorosos no futuro. No entanto, é algo a se considerar ao implantar um robô longe do campo. Finalmente, boas instalações no Controle da Missão são obrigatórias. O caffiene deve estar disponível para manter a equipe atenta e alerta, bem como água para manter a hidratação adequada. Telemetria clara e atualizada também é útil para diagnosticar problemas rapidamente, e um feed de vídeo de baixa latência livre de falhas é o melhor para uma direção suave no deserto australiano. Isso também permite que o motorista aproveite ao máximo a velocidade do SOLARBOI, quando necessário, para evitar carros, animais selvagens ou Shackleton the Cat, que conhecemos na Missão 1. No geral, SOLARBOI tem muito mais a fazer em missões futuras e, idealmente, vai passar muitos meses no campo explorando por toda parte. Para acompanhar a jornada do SOLARBOI, acompanhe no Twitch.tv e no Youtube e aproveite as missões abaixo! Como sempre, haverá mais aventuras à medida que SOLARBOI se desenvolve e viaja cada vez mais longe de casa!