SOLARBOI - un rover solare 4G per esplorare il mondo!: 3 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Fin da quando ero giovane, ho sempre amato esplorare. Nel corso degli anni, ho visto molte build di auto telecomandate controllate tramite WiFi e sembravano abbastanza divertenti. Ma sognavo di andare molto oltre, nel mondo reale, ben oltre i confini della mia casa, della mia strada o persino del mio sobborgo. Desideravo costruire un robot che potesse andare ben oltre. Per fare questo, ho montato un robot equipaggiato con una fotocamera, una connessione dati 4G e un sistema di energia solare in grado di consentire missioni di giorni, settimane o addirittura mesi. Ora trasmetto regolarmente missioni in diretta su Twitch.tv e SOLARBOI fa la sua parte nel cercare di addentrarsi nella campagna australiana più di quanto qualsiasi robot abbia mai fatto prima! L'obiettivo di SOLARBOI è essere lasciato in una cittadina di campagna australiana e navigare verso l'esterno, verso la campagna e verso altre destinazioni. Non può ricevere assistenza esterna nella sua missione, altrimenti è considerata fallita. Deve farsi strada, chilometro dopo chilometro, per giorni e settimane, contando solo sul sole per ricaricarsi e sulla rete 4G per la comunicazione alla base. Anche se le basi del progetto sembrano facili, realizzarlo è incredibilmente difficile! Questa guida serve a spiegare le basi di come funziona SOLARBOI e a presentare idee su come creare al meglio una piattaforma robotica che possa sopravvivere all'aperto per settimane e settimane. Non è un esatto manuale passo passo su come crearne uno tuo; invece, è un punto di partenza che puoi usare per esplorare le tue build e i tuoi progetti.

Passaggio 1: Passaggio 1: l'hardware

Prima di tutto, avrai bisogno di un telaio per il tuo robot. Mentre molti sperimentano progetti di rover stampati in 3D, ho scelto di utilizzare un giocattolo caro dalla mia infanzia. Il Radio Shack RAMINATOR sembrava bello, con grandi pneumatici, trazione integrale e sospensioni funzionanti fuori dalla scatola. Sebbene sia ottimizzato per la velocità rispetto alla coppia, ho deciso che sarebbe stato perfetto come base per il mio progetto di rover. Dopo aver strappato l'hardware RC di livello giocattolo, ho sostituito il motore con un ESC spazzolato Hobbyking, mentre ho rimosso la configurazione dello sterzo originale e l'ho sostituita con un servo robusto. Sono state installate batterie ai polimeri di litio per dare a SOLARBOI la potenza di guidare per ore alla volta.

Con la meccanica fuori mano, il comando e il controllo sono la prossima considerazione importante. Per questo, ho optato per un Raspberry Pi Zero. Progettato per sorseggiare una piccola quantità di energia, è compatibile con le periferiche USB ed è perfetto per un progetto connesso a Internet. Come bonus, funziona bene con la periferica della fotocamera Raspberry Pi, fondamentale per darci una visione dell'ambiente circostante del robot quando siamo sul campo. Ho scelto un obiettivo per fotocamera fish-eye per SOLARBOI, che ci offre una bella visione ampia per aiutare a navigare nel mondo in generale. Per una connessione alla base di casa, ci affidiamo a un dongle 4G, che ci fornisce l'elevata larghezza di banda di cui abbiamo bisogno per inviare comandi al robot e ricevere indietro il video.

L'energia solare è la chiave della missione di SOLARBOI, da cui il nome. Viene montato un pannello solare da 20W per sfruttare al meglio il sole disponibile, anche nelle giornate più nuvolose che soleggiate. Viene utilizzato per caricare le batterie durante il giorno, in modo che SOLARBOI possa poi guidare di notte, lontano da sguardi indiscreti e intrusi maliziosi. Ovviamente, anche con il Pi Zero a bassa potenza che gestisce lo spettacolo, non possiamo lasciarlo acceso tutto il tempo altrimenti scarreremmo le batterie troppo velocemente. Pertanto, il Pi deve essere spento per la maggior parte del tempo, ma acceso a intervalli regolari per segnalare la posizione di SOLARBOI e consentirci di accedere e guidare il robot quando lo desideriamo. Per ottenere ciò, un Arduino Pro Micro esegue un programma speciale che accende SOLARBOI per i primi 5 minuti di ogni ora. Se accediamo al robot da Mission Control, rimarrà acceso, permettendoci di eseguire la missione. Se non rileva una connessione, riaccende il Raspberry Pi per risparmiare energia e sfruttare al massimo l'energia solare disponibile. Il GPS viene utilizzato anche per assicurarsi che il Mission Control sia sempre a conoscenza della posizione di SOLARBOI. Guidando in campagna nel cuore della notte, può essere molto difficile orientarsi con i soli segnali visivi. Pertanto, il GPS ci consente di mantenere un punto fisso sulla posizione del robot e di raggiungere i nostri obiettivi in profondità nell'Australia regionale.

Passaggio 2: Passaggio 2: il software

Ovviamente, va tutto bene avere un rover, ma ha bisogno di un software per farlo funzionare. Il software di SOLARBOI è in costante sviluppo, consentendo migliori prestazioni e migliorando la facilità d'uso nel tempo.

Il rover utilizza Raspbian, il sistema operativo predefinito del Raspberry Pi Zero. Mission Control funziona su Windows. Ciò causa alcuni problemi con varie utility Linux che devono essere installate appositamente su Mission Control. Alla fine, tuttavia, questa configurazione ci ha permesso di percorrere molti chilometri con successo con SOLARBOI e fa bene il lavoro. Il video viene trasmesso in streaming dal robot a Mission Control tramite Gstreamer. È difficile da usare e non ben documentato per i principianti. Tuttavia, ci consente di avere un flusso audio e video a bassa latenza dal robot che è abbastanza buono da permetterci di guidare senza troppi problemi. Si verificano abbandoni e c'è un certo ritardo, ma quando costruisci i primi robot al mondo per esplorare la campagna, trai il meglio da ciò che hai! Lo streaming viene eseguito in H264 nativo dalla fotocamera Raspberry Pi, per evitare di caricare troppo il Pi Zero mediante transcodifica al volo. Il controllo del robot avviene tramite codice Python personalizzato, con un'architettura server/client. Utilizzando librerie come PiGPIO e Servoblaster, siamo prontamente in grado di controllare il sistema di azionamento del robot e altre funzioni in tempo reale. L'installazione è un gioco da ragazzi, grazie all'ecosistema Raspberry Pi ben sviluppato.

Usiamo una varietà di librerie in Python per visualizzare la telemetria sullo schermo. La cosa più importante è MatPlotLib, che traccia i grafici della nostra batteria in Mission Control che ci consentono di monitorare le prestazioni di SOLARBOI durante una missione dal vivo.

Passaggio 3: Passaggio 3: le cose che impari solo sul campo

Nessun piano sopravvive al primo contatto con il nemico, come si suol dire. Proprio in questo modo, SOLARBOI ha subito molte prove nei suoi tentativi di navigare verso una cabina telefonica vecchio stile nel profondo del Nuovo Galles del Sud rurale. Queste sono lezioni che spesso possono essere apprese solo sul campo, e quelle che abbiamo imparato nel modo più duro. La furtività è di primaria importanza. Se il robot si distingue dall'ambiente circostante, può essere facilmente individuato dai passanti durante la ricarica durante il giorno. A causa delle ridotte dimensioni e del peso della piattaforma, SOLARBOI potrebbe essere facilmente rubato o distrutto, fallendo così la sua missione. Questo è un rischio che corriamo ogni volta che ci dispieghiamo in natura. Per mitigare ciò, SOLARBOI è dipinto in una finitura verde grigia nel tentativo di mimetizzarsi. Trovare uno spazio sicuro per caricare con molta luce solare ma visibilità minima è una sfida continua. Nonostante le solide credenziali fuoristrada di SOLARBOI, non è in grado di superare tutti gli ostacoli nel suo percorso. In passato abbiamo avuto problemi a rimanere bloccati su rocce o a schiantarci contro piccoli alberi. Il più delle volte, questo è dovuto a una telecamera con un campo visivo scarso, bassi livelli di luce di notte e un'estrema stanchezza da parte dell'operatore. I nostri aggiornamenti a fari e obiettivi fisheye migliori mirano a evitare questo problema in futuro. Il progresso lento e costante, piuttosto che la velocità assoluta, è anche un buon mantra da seguire per evitare di sbattere contro gli oggetti durante la guida con un ritardo video di 500 ms. La semplice distribuzione nel paese porta i suoi problemi. Significa che l'hardware di SOLARBOI deve essere in perfetta forma, per evitare che un viaggio di molte ore nell'area di installazione sia vano. Questo ci è costato molta benzina e tempo nelle missioni passate, e qualcosa che intendiamo evitare con test rigorosi in futuro. Tuttavia, è qualcosa da considerare quando si schiera un robot lontano. Infine, le buone strutture del Mission Control sono un must. Caffiene deve essere a disposizione per mantenere l'equipaggio attento e vigile, così come l'acqua per mantenere la corretta idratazione. Una telemetria chiara e aggiornata è anche utile per diagnosticare rapidamente i problemi e un feed video a bassa latenza privo di interruzioni è il migliore per una guida fluida nella natura australiana. Ciò consente inoltre al conducente di sfruttare al meglio la velocità di SOLARBOI, ove necessario, per sfuggire alle auto di passaggio, alla fauna selvatica o al gatto Shackleton, che abbiamo incontrato nella missione 1. Nel complesso, SOLARBOI ha molto più da fare nelle missioni future e, idealmente, trascorrerà molti mesi sul campo esplorando in lungo e in largo. Per seguire il viaggio di SOLARBOI, seguici su Twitch.tv e Youtube e goditi le missioni qui sotto! Come sempre, ci saranno altre avventure in arrivo mentre SOLARBOI si sviluppa e viaggia sempre più lontano da casa!