PLANTAR ROBÔ: 10 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Todo mundo gosta de ter plantas em casa, mas às vezes, com nossa vida agitada, não encontramos tempo para cuidar bem delas. A partir desse problema, tivemos uma ideia: por que não construir um robô que cuidasse disso para nós?

Este projeto consiste em uma planta-robô que se cuida. A planta está integrada no robô e será capaz de se regar e encontrar luz evitando obstáculos. Isso foi possível usando vários sensores no robô e na planta. Este Instructable visa guiá-lo através do processo de criação de um robô de planta para que você não precise se preocupar com suas plantas todos os dias!

Este projeto faz parte da Bruface Mechatronics e foi realizado por:

Mercedes Arévalo Suárez

Daniel Blanquez

Baudouin Cornelis

Kaat Leemans

Marcos Martínez Jiménez

Basile Thisse

(Grupo 4)

Etapa 1: LISTA DE COMPRAS

Aqui está uma lista de todos os produtos de que você precisará para construir este robô. Para cada peça sublinhada, um link está disponível:

Suporte a motores impressos em 3D X1 (cópia em 3D)

Rodas impressas em 3D + conexão roda-motor X2 (cópia em 3D)

Pilhas AA Nimh X8

Rolo de papel abrasivo X1

Arduino Mega X1

Roda de rodízio de bola X1

Porta-bateria X2

Placa de ensaio para testes X1

Placa de ensaio para soldar X1

Motores DC (com codificador) X2

Dobradiças X2

Higrômetro X1

Resistores dependentes de luz X3

Jumpers masculino e feminino

Blindagem do motor X1

Planta X1 (você decide)

Vaso X1

Suporte de planta X1 (impresso em 3D)

Tubo de plástico X1

Resistores de diferentes valores

Raspadinha X1

Parafusos

Sensores Sharp X3 (GP2Y0A21YK0F 10-80 cm)

Switch X1

Bomba de água X1

Tanque reservatório de água (pequena Tupperware) X1

Fios

Observe que essas escolhas são resultado de restrições de tempo e orçamento (3 meses e 200 €). Outras escolhas podem ser feitas a seu próprio critério.

EXPLICAÇÃO DAS DIFERENTES ESCOLHAS

Arduino Mega sobre Arduino Uno: Em primeiro lugar, devemos também explicar a razão de termos usado o Arduino. Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de código aberto que permite aos usuários criar objetos eletrônicos interativos. É muito popular entre experts e novatos, o que contribui para encontrar muitas informações sobre o assunto na Internet. Isso pode ser útil quando houver um problema com seu projeto. Escolhemos um Arduino Mega em vez de um Uno porque ele tem mais pinos. Na verdade, para o número de sensores que usamos, um Uno não oferece pinos suficientes. Um Mega também é mais poderoso e pode ser útil se adicionarmos algumas melhorias, como um módulo WIFI.

Baterias Nimh: A primeira ideia foi usar baterias LiPo como em muitos projetos robóticos. LiPo tem uma boa taxa de descarga e são facilmente recarregáveis. Mas logo percebemos que o LiPo e o carregador eram muito caros. As únicas outras baterias adequadas para este projeto foram a Nimh. Na verdade, eles são baratos, recarregáveis e leves. Para alimentar o motor, precisaremos de 8 deles para atingir uma tensão de alimentação de 9,6 V (descarregada) a 12 V (totalmente carregada).

Motores DC com encoders: Considerando o objetivo principal deste atuador, fornecer energia rotacional às rodas, escolhemos dois motores DC em vez de servo motores que possuem limitação no ângulo de rotação e são projetados para tarefas mais específicas onde a posição precisa ser definida com precisão. O fato de ter codificadores também adiciona a possibilidade de ter uma precisão maior se necessário. Observe que finalmente não usamos os codificadores porque percebemos que os motores eram muito semelhantes e não precisávamos que o robô seguisse precisamente uma linha reta.

Existem muitos motores DC no mercado e estávamos procurando um que se encaixasse no nosso orçamento e robô. Para satisfazer essas restrições, dois parâmetros importantes nos ajudaram a escolher o motor: o torque necessário para mover o robô e a velocidade do robô (para encontrar as rpm necessárias).

1) Calcule o rpm

Este robô não precisará quebrar a barreira do som. Para seguir a luz ou seguir alguém numa casa, parece razoável uma velocidade de 1 m / s ou 3,6 km / h. Para traduzir em rpm usamos o diâmetro das rodas: 9cm. As rpm são dadas por: rpm = (60 * velocidade (m / s)) / (2 * pi * r) = (60 * 1) / (2 * pi * 0,045) = 212 rpm.

2) Calcule o torque máximo necessário

Uma vez que este robô irá evoluir em um ambiente plano, o torque máximo necessário é aquele para iniciar o movimento do robô. Se considerarmos que o peso do robô com a planta e cada componente é em torno de 3 quilos e usando as forças de atrito entre as rodas e o solo podemos facilmente encontrar o torque. Considerando um coeficiente de atrito de 1 entre o solo e as rodas: Forças de atrito (Fr) = coeficiente de atrito. * N (onde N é o peso do robô) isso nos dá Fr = 1 * 3 * 10 = 30 N. O torque para cada motor pode ser encontrado da seguinte forma: T = (Fr * r) / 2 onde r é o raio das rodas então T = (30 * 0,045) / 2 = 0,675 Nm = 6,88 kg cm.

Estas são as características do motor que escolhemos: a 6V 175 rpm e 4 kg cm a 12V 350 rpm e 8 kg cm. Sabendo que será alimentado entre 9,6 e 12 V por meio de uma interpolação linear, parece claramente que as restrições acima serão atendidas.

Sensores de luz: Escolhemos resistores dependentes de luz (LDR) porque sua resistência varia rapidamente com a luz e a tensão no LDR pode ser facilmente medida aplicando uma tensão constante em um divisor de tensão que contém o LDR.

Sensores afiados: são usados para evitar obstáculos. Sensores de distância nítidos são baratos e fáceis de usar, tornando-os uma escolha popular para detecção e alcance de objetos. Eles normalmente têm taxas de atualização mais altas e intervalos de detecção máximos mais curtos do que os telêmetros de sonar. Vários modelos diferentes estão disponíveis no mercado com diferentes faixas de operação. Por serem usados para detectar obstáculos neste projeto, escolhemos aquele com uma faixa de operação de 10-80 cm.

Bomba de água: A bomba de água é uma bomba simples e leve e não muito potente compatível com a faixa de tensão dos motores para usar a mesma alimentação para ambos. Outra solução para alimentar a planta com água era ter uma base de água separada do robô, mas é muito mais simples ter uma no robô.

Higrômetro: Um higrômetro é um sensor de umidade a ser colocado no solo. É necessário, pois o robô precisa saber quando a panela está seca para mandar água para ela.

Etapa 2: PROJETO MECÂNICO

Basicamente, o desenho do robô será composto por uma caixa retangular, com três rodas na parte inferior e uma tampa que se abre na parte superior. A planta será colocada em cima com o reservatório de água. O vaso é colocado na fixação do vaso que é aparafusada na prancha superior do robô. O reservatório de água é um pequeno Tupperware riscado na prancha superior do robô e a bomba d'água também está arranhada na parte inferior do reservatório de água para que tudo possa ser facilmente removido ao reabastecer o Tupperware com água. É feito um pequeno furo na tampa do reservatório por causa do tubo de água que vai para o vaso e da alimentação da bomba que vai para a caixa. Um orifício é então feito na prancha superior da caixa e cabos do higrômetro também passam por este orifício.

Primeiramente, queríamos que o robô tivesse um design atraente, por isso decidimos esconder a parte eletrônica dentro de uma caixa, deixando apenas fora da planta e da água. Isso é importante porque as plantas fazem parte da decoração da casa e não devem afetar o espaço visualmente. Os componentes da caixa serão facilmente acessíveis através de uma tampa na parte superior, e as tampas laterais terão os orifícios necessários para que seja fácil, por exemplo, ligar o robô ou conectar o Arduino a um laptop se quisermos para programá-lo novamente.

Os componentes da caixa são: o Arduino, o controlador do motor, os motores, o LDR, os suportes de pilhas, a placa de ensaio e as dobradiças. O Arduino é montado em pequenos pilares para que sua parte inferior não seja danificada e o controlador do motor seja montado na parte superior do Arduino. Os motores são aparafusados às fixações do motor e as fixações dos motores são aparafusadas à prancha inferior da caixa. Os LDRs são soldados em um pequeno pedaço de placa de ensaio. Mini tábuas de madeira são coladas a esta placa de ensaio para aparafusá-la às faces laterais do robô. Existe um LDR na frente, um do lado esquerdo e outro do lado direito para que o robô possa saber a direção com a maior quantidade de luz. Os suportes de pilhas são riscados na face inferior da caixa para removê-los facilmente e trocar as pilhas ou recarregá-las. Em seguida, a breadboard é aparafusada à prancha inferior com pequenos pilares triangulares com orifícios no formato do canto da breadboard para apoiá-la. Por fim, as dobradiças são aparafusadas na face posterior e na face superior.

Na face frontal, três objetos cortantes serão aparafusados diretamente para detectar e evitar o melhor possível os obstáculos.

Embora o desenho físico seja importante não podemos esquecer a parte técnica, estamos construindo um robô e deve ser prático e na medida do possível devemos otimizar o espaço. Esta é a razão de se optar pelo formato retangular, foi a melhor forma encontrada para organizar todos os componentes.

Por fim, para a movimentação, o dispositivo terá três rodas: duas motorizadas padrão na parte traseira e uma rodinha de bolas na frente. Eles são exibidos em uma unidade de três ciclos, configuração, direção dianteira e direção traseira.

Etapa 3: PEÇAS DE FABRICAÇÃO

A aparência física do robô pode ser alterada com base no seu interesse. Desenhos técnicos são fornecidos, o que pode funcionar como um bom aterramento ao projetar o seu próprio.

Peças cortadas a laser:

Todas as seis partes que compõem a caixa do robô foram cortadas a laser. O material usado para isso é madeira reciclada. Esta caixa também pode ser feita de acrílico, que é um pouco mais cara.

Peças impressas em 3D:

As duas rodas padrão colocadas na parte traseira do robô foram impressas em 3D em PLA. A razão é que a única maneira de encontrar rodas que atendessem a todas as necessidades (encaixe nos motores DC, tamanho, peso …) era projetá-las nós mesmos. A fixação do motor também foi impressa em 3D por motivos de orçamento. Em seguida, o suporte do vaso de plantas, os pilares que sustentam o Arduino e os cantos que sustentam a placa de ensaio também foram impressos em 3D porque precisávamos de um encaixe de forma particular em nosso robô.

Etapa 4: ELETRÔNICA

Sensores de ponta: os sensores de ponta têm três pinos. Dois deles são para alimentação (Vcc e Ground) e o último é o sinal medido (Vo). Para alimentação temos a tensão positiva que pode estar entre 4,5 e 5,5 V então usaremos os 5V do Arduino. Vo será conectado a um dos pinos analógicos do Arduino.

Sensores de luz: Os sensores de luz precisam de um pequeno circuito para funcionar. O LDR é colocado em série com um resistor de 900 kOhm para criar um divisor de tensão. O aterramento é conectado no pino do resistor não conectado ao LDR e os 5V do Arduino são conectados ao pino do LDR não conectado ao resistor. O pino do resistor e o LDR conectados um ao outro são ligados a um pino analógico do Arduino para medir essa tensão. Esta tensão irá variar entre 0 e 5 V com 5 V correspondendo à luz total e perto de zero correspondendo ao escuro. Em seguida, todo o circuito será soldado em um pedacinho de placa de ensaio que pode caber nas pranchas laterais do robô.

Baterias: As baterias são compostas por 4 pilhas entre 1,2 e 1,5 V cada, portanto entre 4,8 e 6V. Colocando dois porta-estacas em série, temos entre 9,6 e 12 V.

Bomba de água: A bomba de água possui uma conexão (tomada de força) do mesmo tipo da alimentação do Arduino. O primeiro passo é cortar a conexão e desnudar o fio para ter o fio de aterramento e o fio de tensão positiva. Como queremos controlar a bomba, vamos colocá-la em série com um transistor de corrente controlável usado como uma chave. Em seguida, um diodo será colocado em paralelo com a bomba para evitar correntes reversas. A perna inferior do transistor é conectada ao terreno comum do Arduino / baterias, a do meio a um pino digital do Arduino com um resistor de 1kOhm em série para transformar a tensão do Arduino em corrente e a perna superior ao cabo preto do a bomba. Em seguida, o cabo vermelho da bomba é conectado à tensão positiva das baterias.

Motores e blindagem: A blindagem precisa ser soldada, é enviada sem solda. Feito isso, ele é colocado no Arduino, encaixando todos os cabeçalhos do escudo nos pinos do Arduino. O escudo será alimentado com as baterias e, em seguida, alimentará o Arduino se um jumper estiver ativado (pinos laranja na figura). Tenha cuidado para não colocar o jumper quando o Arduino for alimentado por outro meio que não a blindagem, pois o Arduino alimentaria a blindagem e poderia queimar a conexão.

Placa de ensaio: todos os componentes agora serão soldados na placa de ensaio. O solo de um porta-estacas, o Arduino, o controlador do motor e de todos os sensores serão soldados na mesma linha (em nossas linhas de protoboard têm o mesmo potencial). Em seguida, o cabo preto do porta-estacas da segunda estaca será soldado na mesma fileira que o cabo vermelho do porta-estacas da primeira estaca cujo solo já está soldado. Um cabo será então soldado na mesma fileira que o cabo vermelho do porta-estacas da segunda correspondente aos dois em série. Este cabo será conectado a uma extremidade do switch e a outra extremidade será conectada com um fio soldado na placa de ensaio em uma fileira livre. O cabo vermelho da bomba e a alimentação do controlador do motor serão soldados a esta linha (o interruptor não está representado na figura). Então os 5V do Arduino serão soldados em outra fileira e a tensão de alimentação de cada sensor será soldada na mesma fileira. Tente soldar um jumper na placa de ensaio e um jumper no componente quando for possível para que você possa desconectá-los facilmente e a montagem dos componentes elétricos seja mais fácil.

Etapa 5: PROGRAMAÇÃO

Fluxograma do programa:

O programa foi mantido bastante simples usando a noção de variáveis de estado. Como você pode ver no fluxograma, esses estados também induzem uma noção de prioridade. O robô verificará as condições nesta ordem:

1) No estado 2: A planta tem água suficiente com a função umidade_lível? Se o nível de umidade medido pelo higrômetro estiver abaixo de 500, a bomba será operada até que o nível de umidade fique acima de 500. Quando a planta tem água suficiente, o robô vai para o estado 3.

2) No estado 3: Encontre a direção com mais luz. Nesse estado, a planta tem água suficiente e precisa seguir a direção com mais luz, evitando obstáculos. A função light_direction fornece a direção dos três sensores de luz que estão recebendo mais luz. O robô irá operar os motores para seguir essa direção com a função follow_light. Se o nível de luz estiver acima de um certo limite (luz_ suficiente), o robô para para seguir a luz, pois ela tem o suficiente nesta posição (motores_de_parada). Para evitar obstáculos abaixo de 15 cm enquanto segue a luz, um obstáculo funcional foi implementado para retornar a direção do obstáculo. Para evitar obstáculos adequadamente, a função Avoid_obstacle foi implementada. Esta função opera o motor sabendo onde está o obstáculo.

Etapa 6: MONTAGEM

A montagem deste robô é realmente muito fácil. A maioria dos componentes é aparafusada à caixa para garantir que se mantenham no lugar. Em seguida, o suporte de pilhas, o reservatório de água e a bomba são arranhados.

Etapa 7: EXPERIMENTOS

Normalmente, ao construir um robô, as coisas não correm bem. Muitos testes, com as seguintes alterações, são necessários para obter o resultado perfeito. Aqui está uma exibição do processo do robô planta!

O primeiro passo foi montar o robô com motores, Arduino, controlador do motor e sensores de luz com protótipo de protoboard. O robô está apenas indo na direção em que mediu mais luz. Um limite foi decidido a fim de parar o robô se ele tiver luz suficiente. Como o robô escorregava no chão, colocamos lixa nas rodas para simular um pneu.

Em seguida, os sensores afiados foram adicionados à estrutura para tentar evitar obstáculos. Inicialmente, dois sensores foram colocados na face frontal, mas um terceiro foi adicionado no meio porque os sensores pontiagudos têm um ângulo de detecção muito limitado. Por fim, temos dois sensores nas extremidades do robô detectando obstáculos à esquerda ou à direita e um no meio para detectar se há algum obstáculo na frente. Os obstáculos são detectados quando a tensão no objeto cortante ultrapassa um determinado valor correspondente a uma distância de 15cm do robô. Quando o obstáculo está de um lado o robô o evita e quando um obstáculo está no meio o robô para. Observe que os obstáculos abaixo dos agudos não são detectáveis, portanto, os obstáculos precisam ter uma certa altura para serem evitados.

Em seguida, a bomba e o higrômetro foram testados. A bomba está enviando água enquanto a tensão do higrômetro estiver abaixo de um determinado valor correspondente a uma panela seca. Este valor foi medido e determinado experimentalmente por meio de testes com plantas em vasos secos e úmidos.

Finalmente tudo foi testado junto. A planta verifica primeiro se tem água suficiente e depois começa a seguir a luz, evitando obstáculos.

Etapa 8: TESTE FINAL

Aqui estão os vídeos de como o robô finalmente funciona. Espero que goste!

Etapa 9: O QUE APRENDEMOS COM ESTE PROJETO?

Embora o feedback geral desse projeto seja ótimo porque aprendemos muito, ficamos bastante estressados na hora de construí-lo devido aos prazos.

Problemas encontrados

No nosso caso, tivemos vários problemas durante o processo. Alguns deles foram fáceis de resolver, por exemplo, quando a entrega dos componentes atrasava, apenas procurávamos lojas na cidade onde pudéssemos comprá-los. Outros requerem um pouco mais de reflexão.

Infelizmente, nem todos os problemas foram resolvidos. Nossa primeira ideia foi combinar as características dos animais de estimação e das plantas, tirando o melhor de cada uma. Pelas plantas poderíamos fazer, com este robô poderemos ter uma planta que enfeite nossas casas e não teremos que cuidar dela. Mas para os bichinhos, não descobrimos uma maneira de simular a companhia que eles fazem. Pensamos em maneiras diferentes de fazer com que ele acompanhasse as pessoas e começamos a implementar uma, mas faltou tempo para concluí-la.

Outras melhorias

Embora tivéssemos adorado ter tudo o que queríamos, o aprendizado com este projeto foi incrível. Talvez com mais tempo possamos conseguir um robô ainda melhor. Aqui, sugerimos algumas idéias para melhorar nosso robô que talvez alguns de vocês queiram experimentar:

- Adicionando leds de cores diferentes (vermelho, verde, …) que informa ao usuário quando o robô deve ser carregado. A medição da bateria pode ser feita com um divisor de tensão com tensão máxima de 5V quando a bateria está totalmente carregada para medir esta tensão com um Arduino. Em seguida, o led correspondente é ligado.

- Adicionar um sensor de água que informa ao usuário quando o reservatório de água deve ser reabastecido (sensor de altura da água).

- Criação de uma interface para que o robô envie mensagens ao usuário.

E, obviamente, não podemos esquecer o objetivo de fazer com que ele siga as pessoas. Animais de estimação são uma das coisas que as pessoas mais amam, e seria ótimo se alguém conseguisse que o robô simule esse comportamento. Para facilitar, aqui vamos fornecer tudo o que temos.

Etapa 10: Como fazer o robô seguir as pessoas?

Descobrimos que a melhor maneira de fazer isso seria usando três sensores ultrassônicos, um emissor e dois receptores.

Transmissor

Para o transmissor, gostaríamos de ter um ciclo de trabalho de 50%. Para fazer isso, você deve usar um temporizador 555, que tínhamos usado o NE555N. Na foto você pode ver como o circuito deve ser construído. Mas você terá que adicionar um capacitor extra na saída 3, 1µF, por exemplo. Os resistores e capacitores são calculados com as seguintes fórmulas: (fotos 1 e 2)

Como um ciclo de trabalho de 50% é desejável, t1 e t2 serão iguais entre si. Portanto, com um transmissor de 40 kHz, t1 e t2 serão iguais a 1,25 * 10-5 s. Quando você pega C1 = C2 = 1 nF, R1 e R2 podem ser calculados. Pegamos R1 = 15 kΩ e R2 = 6,8 kΩ, certifique-se de que R1> 2R2!

Quando testamos isso no circuito do osciloscópio, obtivemos o sinal seguinte. A escala é de 5 µs / div, então a frequência na realidade será em torno de 43 kHz. (Figura 3)

Receptor

O sinal de entrada do receptor será muito baixo para o Arduino processar com precisão, portanto, o sinal de entrada precisa ser amplificado. Isso será feito criando um amplificador inversor.

Para o opamp, usamos um LM318N, que alimentamos com 0 V e 5 V do Arduino. Para fazer isso, tivemos que aumentar a tensão em torno do sinal que oscila. Nesse caso, será lógico aumentá-lo para 2,5 V. Como a tensão de alimentação não é simétrica, também temos que colocar um capacitor antes do resistor. Desta forma, também fizemos um filtro passa-altas. Com os valores que havíamos usado, a frequência precisava ser superior a 23 kHz. Quando usamos uma amplificação de A = 56, o sinal entraria em saturação, o que não é bom, então usamos A = 18 em seu lugar. Isso ainda será suficiente. (Figura 4)

Agora que temos uma onda sinusal amplificada, precisamos de um valor constante para que o Arduino possa medi-lo. Uma maneira de fazer isso é criar um circuito detector de pico. Dessa forma, podemos ver se o transmissor está mais afastado do receptor ou em um ângulo diferente do que antes por ter um sinal constante e proporcional à intensidade do sinal recebido. Como precisamos de um detector de pico de precisão, colocamos o diodo 1N4148 no seguidor de tensão. Ao fazer isso, não temos perda de diodo e criamos um diodo ideal. Para o opamp, usamos o mesmo da primeira parte do circuito e com a mesma fonte de alimentação, 0 V e 5V.

O capacitor paralelo precisa ter um valor alto, então ele descarregará muito lentamente e ainda vemos o tipo do mesmo valor de pico que o valor real. O resistor também será colocado em paralelo e não ficará muito baixo, caso contrário a descarga será maior. Nesse caso, 1,5µF e 56 kΩ são suficientes. (Figura 5)

Na foto, o circuito total pode ser visto. Onde está a saída, que irá para o Arduino. E o sinal CA de 40 kHz será o receptor, onde a outra extremidade dele será conectada ao solo. (Figura 6)

Como dissemos anteriormente, não conseguimos integrar os sensores no robô. Mas disponibilizamos os vídeos dos testes para mostrar que o circuito funciona. No primeiro vídeo, pode-se ver a amplificação (após o primeiro OpAmp). Já existe um deslocamento de 2,5 V no osciloscópio, então o sinal está no meio, a amplitude varia quando os sensores mudam de direção. Quando os dois sensores estão voltados um para o outro, a amplitude do seio será maior do que quando os sensores estão com um ângulo ou distância maior entre os dois. No segundo vídeo (saída do circuito), pode-se ver o sinal retificado. Novamente, a tensão total será mais alta quando os sensores estiverem frente a frente do que quando não estão. O sinal não é totalmente direto por causa da descarga do capacitor e da volts / div. Pudemos medir um sinal constante diminuindo quando o ângulo ou a distância entre os sensores não era mais ideal.

A ideia era então fazer com que o robô tivesse o receptor e o usuário o transmissor. O robô poderia fazer uma curva sobre si mesmo para detectar em qual direção a intensidade era maior e poderia ir nessa direção. A melhor maneira seria ter dois receptores e seguir o receptor que detecta a maior tensão e uma maneira ainda melhor seria colocar três receptores e colocá-los como o LDR para saber em quais direções o sinal do usuário é emitido (direto, esquerda ou direita).