หุ่นยนต์แสดงตนเสมือน: 15 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

หุ่นยนต์เคลื่อนที่นี้โต้ตอบกับสภาพแวดล้อมทางกายภาพ โดยแสดงถึง "การมีอยู่เสมือน" ของบุคคลที่ควบคุมมันจากระยะไกล ทุกคนสามารถเข้าถึงได้จากทุกที่ในโลก เพื่อแจกจ่ายขนมและเล่นกับคุณ

งานที่นี่ได้รับการพัฒนาโดยคนสองคน (หนึ่งในเยอรมนีและอีกหนึ่งในสหรัฐอเมริกา) เพื่อพยายามก้าวข้ามวิธีการสื่อสารทางอินเทอร์เน็ตแบบเดิมด้วยการสร้างอินเทอร์เฟซทางกายภาพสำหรับการโต้ตอบระยะไกล เนื่องจากโควิด-19 ยังคงส่งผลกระทบต่อโลก และทุกคนมีหน้าที่รับผิดชอบในการจำกัดการสัมผัสทางกายภาพของเราต่อผู้คน เราจึงพยายามนำการเชื่อมต่อที่จับต้องได้ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของปฏิสัมพันธ์ทางกายกลับมา

โดยอิงตาม ESP32-Camera-Robot-FPV-Teacher-Entry Instructable ที่สอนได้และปรับเปลี่ยนเพื่อรวมเซ็นเซอร์วัดระยะทาง เครื่องจ่ายยา และความสามารถในการ "ควบคุมจากที่ใดก็ได้ในโลก" เพื่อให้คุณมีการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตที่ค่อนข้างเสถียร

เสบียง

โครงการนี้มี 4 ส่วนหลัก ได้แก่ รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่ เครื่องจ่ายชิป จอยสติ๊ก และการตั้งค่าการสื่อสารผ่านเครือข่าย

รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่

• เขียงหั่นขนม
• มอเตอร์ขับเคลื่อน 2 ล้อและชุดหุ่นยนต์แชสซี (รวมล้อ มอเตอร์ DC บอร์ดยึด และสกรู)
• Arduino Mega 2560 (หากคุณสร้างโดยไม่มีเซ็นเซอร์วัดระยะทางหรือ Chip Dispenser Uno จะมีพินเพียงพอ)
• (3) แบตเตอรี่ 9V (มีเพิ่มอีกเล็กน้อยเพราะคุณจะทำการดีบั๊ก)
• LM2596 โมดูลจ่ายไฟ DC/DC Buck 3A Regulator (หรือใกล้เคียง)
• โมดูล Wifi ESP32-CAM
• FT232RL FTDI USB to TTL Serial Converter (สำหรับการเขียนโปรแกรม ESP32-CAM)
• HC-SR04 เซ็นเซอร์ระยะอัลตราโซนิก
• ตัวขับมอเตอร์ L298N
• (3) ไฟ LED (สีใดก็ได้)
• (3) ตัวต้านทาน 220 โอห์ม

เครื่องจ่ายชิป

• (2) SG90 เซอร์โว
• กระดาษแข็ง / กระดาษแข็ง

จอยสติ๊ก

• Arduino Uno
• โมดูลจอยสติ๊ก
• Mini Breadboard, (1) LED, (1) ตัวต้านทาน 220 โอห์ม (อุปกรณ์เสริม)

อื่น

สายจัมเปอร์สำหรับเขียงหั่นขนมจำนวนมากกระดาษแข็งพิเศษ / เทปกระดาษแข็งกรรไกรไม้บรรทัด / เทปวัดขนาดเล็กไขควง Philips ไขควงแบนขนาดเล็ก

อดทน =)

ขั้นตอนที่ 1: รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่

แชสซีของ Robot Car ทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มเคลื่อนที่ โดยมี Arduino MEGA เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์หลักที่ขับเคลื่อนมอเตอร์ อ่านค่าเซ็นเซอร์ และสั่งงานเซอร์โว การดำเนินการส่วนใหญ่ดำเนินการโดยให้ Arduino MEGA รับคำสั่งผ่านการสื่อสารแบบอนุกรมที่ส่งจาก ESP32-CAM ในขณะที่ ESP32 ให้สตรีมแบบสดของกล้องเพื่อควบคุมหุ่นยนต์ ฟังก์ชันอื่นของมันคือการจัดการการเชื่อมต่อแบบไร้สายระหว่างหุ่นยนต์และเซิร์ฟเวอร์ ซึ่งทำให้ผู้ใช้สามารถควบคุมหุ่นยนต์ได้จากทุกที่ในโลก ESP32 รับคำสั่งจากหน้าเว็บผ่านการกดปุ่มและส่งไปยัง Arduino MEGA เป็นค่าถ่าน ตามมูลค่าที่ได้รับ รถจะวิ่งไปข้างหน้า ถอยหลัง ฯลฯ เนื่องจากการควบคุมระยะไกลผ่านอินเทอร์เน็ตขึ้นอยู่กับปัจจัยภายนอกมากมาย รวมถึงเวลาแฝงสูง คุณภาพการสตรีมที่ไม่ดี และแม้แต่การตัดการเชื่อมต่อ เซ็นเซอร์ระยะห่างจึงถูกรวมไว้เพื่อป้องกันไม่ให้หุ่นยนต์ชน ลงในวัตถุ *เนื่องจากความต้องการพลังงานที่สูงและผันผวนของชิป ESP32 ขอแนะนำให้ใช้ตัวควบคุมการจ่ายไฟกับพลังงานแบตเตอรี่ (ดูแผนภาพการเดินสายไฟ)

ขั้นตอนที่ 2: รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่ - แผนภาพวงจร

เราจะแนะนำคุณเกี่ยวกับการประกอบทีละขั้นตอนนี้

ขั้นตอนที่ 3: รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่ - การประกอบ (มอเตอร์)

หลังจากที่คุณประกอบแชสซี 2WD เราเริ่มต้นด้วยการเชื่อมต่อมอเตอร์และแบตเตอรี่กับ Arduino MEGA ผ่านไดรเวอร์ L298N

ขั้นตอนที่ 4: รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่ - การประกอบ (เซ็นเซอร์วัดระยะ)

เนื่องจากมีส่วนประกอบค่อนข้างน้อยในการเชื่อมต่อ ให้เพิ่มเขียงหั่นขนม เพื่อให้เราสามารถเชื่อมต่อพลังงานและกราวด์ที่ใช้ร่วมกันได้ง่ายขึ้น หลังจากที่เราจัดระเบียบสายไฟใหม่แล้ว ให้เชื่อมต่อเซ็นเซอร์วัดระยะและติดไว้ที่ด้านหน้าของหุ่นยนต์

ขั้นตอนที่ 5: รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่ - การประกอบ (ESP32 CAM)

ถัดไป เชื่อมต่อโมดูล ESP32-CAM และแก้ไขใกล้กับเซ็นเซอร์ระยะห่างใกล้กับด้านหน้าของหุ่นยนต์ โปรดจำไว้ว่าส่วนประกอบที่ค่อนข้างกินไฟนี้ต้องใช้แบตเตอรี่และตัวควบคุม DC

ขั้นตอนที่ 6: รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่ - การประกอบ (เครื่องจ่ายชิป)

ตอนนี้ มาเพิ่มเครื่องจ่ายเศษชิป (เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ในหัวข้อ "เครื่องจ่ายเศษ") ต่อเซอร์โวสองตัวตามแผนภาพ Fritzing และแก้ไขตัวจ่ายที่ส่วนท้ายของหุ่นยนต์

ขั้นตอนที่ 7: รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่ - การประกอบ (คุกกี้!)

ในที่สุด เราก็เพิ่มขนมเข้าไปในเครื่องจ่าย!

ขั้นตอนที่ 8: รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่ - รหัส Arduino

RobotCar_Code เป็นรหัสที่คุณต้องโหลดบน Arduino Mega

นี่คือวิธีการทำงาน: Arduino ฟังไบต์ที่ส่งจาก ESP32 ผ่านการสื่อสารแบบอนุกรมบนแถบความถี่ 115200 ตามไบต์ที่ได้รับ รถจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ถอยหลัง ซ้าย ขวา ฯลฯ โดยส่งแรงดันไฟฟ้าสูงหรือต่ำไปยังมอเตอร์เพื่อควบคุมทิศทาง รวมทั้งตัวแปร PWM ระหว่าง 0-255 เพื่อควบคุมความเร็ว เพื่อหลีกเลี่ยงการชนกัน รหัสนี้จะอ่านค่าที่เข้ามาจากเซ็นเซอร์ระยะทางด้วย และหากระยะทางน้อยกว่าเกณฑ์ที่กำหนด หุ่นยนต์จะไม่เคลื่อนที่ไปข้างหน้า สุดท้าย หาก Arduino ได้รับคำสั่งให้จ่ายขนม มันจะเปิดใช้งานเซอร์โวใน Chip Dispenser

ขั้นตอนที่ 9: รถหุ่นยนต์เคลื่อนที่ - รหัส ESP32

ESP32 ช่วยให้สามารถสื่อสารระหว่างเซิร์ฟเวอร์และ Arduino ผ่าน Wifi มันถูกตั้งโปรแกรมแยกต่างหากจาก Arduino และมีรหัสของตัวเอง:

• ESP32_Code.ino เป็นรหัสสำหรับ ESP32 เพื่อส่งข้อมูลไปยัง Arduino
• app_httpd.cpp เป็นรหัสที่จำเป็นสำหรับเว็บเซิร์ฟเวอร์ ESP32 เริ่มต้นและตั้งค่าฟังก์ชันให้ฟังการกดปุ่ม ดีสำหรับการดีบักและทดสอบบน wifi ในพื้นที่ ไม่ได้ใช้สำหรับการสื่อสารภายนอกเครือข่ายท้องถิ่น
• camera_index.h คือโค้ด html สำหรับเว็บแอปพลิเคชันเริ่มต้น
• camera_pins.h กำหนดพินขึ้นอยู่กับรุ่น ESP32

รหัส ESP32 ใช้ไลบรารี Wifi และโปรแกรมเสริม ESP32 ซึ่งสามารถติดตั้งใน Arduino IDE ได้โดยทำตามขั้นตอนเหล่านี้:

1. ใน Arduino IDE ให้ไปที่ File > Preferences
2. จากนั้นในแท็บการตั้งค่าภายใต้ URL ตัวจัดการบอร์ดเพิ่มเติมให้ป้อน "https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json" ต่อไปนี้
3. ตอนนี้เปิด Boards Manager แล้วไปที่ Tools > Board > Boards Manager แล้วค้นหา ESP32 โดยพิมพ์ "ESP32"
4. คุณควรเห็น "esp32 โดย Espressif Systems" คลิกติดตั้ง
5. ตอนนี้ควรติดตั้งโปรแกรมเสริม ESP32 แล้ว ในการตรวจสอบให้กลับไปที่ Arduino IDE และไปที่ Tools> Board และเลือก "ESP32 Wrover Module"
6. ไปที่ Tools > Upload Speed อีกครั้ง แล้วตั้งค่าเป็น "115200"
7. สุดท้าย ไปที่ Tools > Partition Scheme และตั้งค่าเป็น "Huge APP (3MB No OTA/1MB SPIFFS)
8. เมื่อคุณทำเสร็จแล้ว ฉันแนะนำให้ทำตามบทช่วยสอนนี้โดย RandomNerdTutorials ซึ่งจะอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการตั้งค่า ESP32 ให้เสร็จสิ้นและอัปโหลดโค้ดด้วย FTDI ProgrammerProgramming the ESP32

ขั้นตอนที่ 10: เครื่องจ่ายชิป

Chip Dispenser เป็นส่วนเสริมราคาไม่แพงสำหรับหุ่นยนต์เคลื่อนที่ทำให้สามารถส่งผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นและมีปฏิสัมพันธ์กับผู้คน / สัตว์โดยทิ้งของอร่อยไว้ ประกอบด้วยกล่องกระดาษแข็งด้านนอกที่มีเซอร์โว 2 ตัวติดตั้งอยู่ภายใน รวมทั้งตลับกระดาษแข็งภายในที่บรรจุสิ่งของต่างๆ (เช่น ขนมหรือขนมสำหรับสุนัข) เพื่อแจกจ่าย เซอร์โวตัวหนึ่งทำหน้าที่เป็นประตูในขณะที่อีกตัวผลักรายการออก

*ขนาดทั้งหมดอยู่ในหน่วยมิลลิเมตร

ขั้นตอนที่ 11: จอยสติ๊ก

แม้ว่าการควบคุมหุ่นยนต์ด้วยแป้นพิมพ์จะเป็นเรื่องสนุก แต่การใช้จอยสติ๊กจะสนุกและเข้าใจง่ายยิ่งขึ้น โดยที่หุ่นยนต์จะตอบสนองโดยตรงตามทิศทางที่คุณกด เนื่องจากหุ่นยนต์ตัวนี้ทำงานผ่านการกดแป้นที่บันทึกไว้บนเว็บเพจ เราจึงต้องใช้จอยสติ๊กเพื่อเลียนแบบแป้นพิมพ์ วิธีนี้ผู้ใช้ที่ไม่มีจอยสติ๊กยังคงสามารถควบคุมหุ่นยนต์ได้โดยตรงจากแป้นพิมพ์ แต่คนอื่นๆ สามารถใช้จอยสติ๊กได้

สำหรับสิ่งนี้ เรามี Arduino Uno เท่านั้นที่ไม่มีความสามารถในการใช้ไลบรารี ดังนั้นเราจึงตั้งโปรแกรมโดยตรงโดยใช้โปรโตคอล USB ที่เรียกว่า Device Firmware Update (DFU) ซึ่งช่วยให้ Arduino สามารถแฟลชด้วยเฟิร์มแวร์คีย์บอร์ด USB HID ทั่วไป. กล่าวอีกนัยหนึ่งเมื่อเสียบ Arduino เข้ากับ usb จะไม่รู้จักว่าเป็น Arduino อีกต่อไป แต่เป็นแป้นพิมพ์!

ขั้นตอนที่ 12: จอยสติ๊ก - แผนภาพวงจร

นี่คือวิธีที่เราต่อสายจอยสติ๊ก

ขั้นตอนที่ 13: จอยสติ๊ก - Keyboard Emulator

เพื่อให้ Arduino Uno เลียนแบบแป้นพิมพ์ คุณต้องตั้งโปรแกรมชิป Atmega16u2 บน Arduino โดยตรงผ่านการอัปเดตเฟิร์มแวร์อุปกรณ์ด้วยตนเอง (DFU) ขั้นตอนต่อไปนี้จะอธิบายกระบวนการสำหรับเครื่อง Windows และหวังว่าคุณจะหลีกเลี่ยงปัญหาบางอย่างที่เราพบ

ขั้นตอนแรกคือการเขียนไดรเวอร์ Atmel usb ไปยัง Arduino ด้วยตนเองเพื่อให้รู้จักว่าเป็น USB ไม่ใช่ Arduino ซึ่งช่วยให้สามารถแฟลชด้วยโปรแกรมเมอร์ FLIP

1. ดาวน์โหลดโปรแกรมเมอร์ FLIP ของ Atmel จากที่นี่
2. เสียบ Arduino Uno. ของคุณ
3. ไปที่ Device Manager และค้นหา Arduino จะอยู่ภายใต้ COM หรืออุปกรณ์ที่ไม่รู้จัก เสียบเข้าและออกเพื่อให้แน่ใจว่านี่คืออุปกรณ์ที่ถูกต้อง
4. เมื่อคุณพบ Arduino Uno ใน Device Manager แล้ว ให้คลิกขวาและเลือก Properties > Driver > Update Driver > Browse My Computer For Driver Software > ให้ฉันเลือกจากรายการไดรเวอร์ที่มีอยู่ในคอมพิวเตอร์ของฉัน > Have Disk > Browse to the ไฟล์ "atmel_usb_dfu.inf" และเลือก ควรอยู่ในโฟลเดอร์ที่ติดตั้ง Atmel FLIP Programmer ของคุณ บนคอมพิวเตอร์ของฉันอยู่ที่นี่: C:\Program Files (x86)\Atmel\Flip 3.4.7\usb\atmel_usb_dfu.inf
5. ติดตั้งไดรเวอร์
6. กลับไปที่ Device Manager คุณจะเห็น "Atmel USB Devices" โดยที่ Arduino Uno ถูกระบุว่าเป็น ATmega16u2!

ตอนนี้คอมพิวเตอร์รู้จัก Arduino Uno เป็นอุปกรณ์ USB แล้ว เราจึงสามารถใช้โปรแกรมเมอร์ FLIP เพื่อแฟลชมันด้วยไฟล์แยกกัน 3 ไฟล์และเปลี่ยนเป็นคีย์บอร์ด

หากคุณถอดปลั๊ก Arduino Uno หลังจากส่วนแรก ให้เสียบกลับเข้าไปใหม่

1. เปิด FLIP
2. รีเซ็ต Arduino Uno โดยเชื่อมต่อพลังงานกับกราวด์ชั่วครู่
3. คลิก การเลือกอุปกรณ์ (ไอคอนเหมือนไมโครชิป) และเลือก ATmega16U2
4. คลิก Select a Communication Medium (ไอคอนเหมือนสาย usb) และเลือก USB หากคุณทำส่วนแรกอย่างถูกต้อง ปุ่มสีเทาอื่นๆ จะสามารถใช้งานได้
5. ไปที่ ไฟล์ > โหลดไฟล์ Hex > และอัปโหลดไฟล์ Arduino-usbserial-uno.hex
6. ในหน้าต่าง FLIP คุณจะเห็นสามส่วน: Operations Flow, FLASH Buffer Information และ ATmega16U2 ใน Operations Flow ให้เลือกช่อง Erase, Program และ Verify จากนั้นคลิก Run
7. เมื่อกระบวนการนี้เสร็จสิ้น ให้คลิก Start Application ในส่วน ATmega16U2
8. เสียบวงจร Arduino โดยถอดปลั๊กออกจากคอมพิวเตอร์แล้วเสียบกลับเข้าไปใหม่
9. รีเซ็ต Arduino Uno โดยเชื่อมต่อพลังงานกับกราวด์ชั่วครู่
10. เปิด Arduino IDE และอัปโหลดไฟล์ JoyStickControl_Code.ino ไปยังบอร์ด
11. เสียบวงจร Arduino โดยถอดปลั๊กออกจากคอมพิวเตอร์แล้วเสียบกลับเข้าไปใหม่
12. รีเซ็ต Arduino โดยเชื่อมต่อพลังงานกับกราวด์ชั่วครู่
13. กลับไปที่ FLIP ตรวจสอบให้แน่ใจว่า Device Selection ระบุว่า Atmega16U2
14. คลิกเลือกสื่อการสื่อสารและเลือก USB
15. ไปที่ ไฟล์ > โหลดไฟล์ Hex > และอัปโหลดไฟล์ Arduino-keyboard-0.3.hex
16. ในหน้าต่าง FLIP คุณจะเห็นสามส่วน: Operations Flow, FLASH Buffer Information และ ATmega16U2 ใน Operations Flow ให้เลือกช่อง Erase, Program และ Verify จากนั้นคลิก Run
17. เมื่อกระบวนการนี้เสร็จสิ้น ให้คลิก Start Application ในส่วน ATmega16U2
18. เสียบวงจร Arduino โดยถอดปลั๊กออกจากคอมพิวเตอร์แล้วเสียบกลับเข้าไปใหม่
19. ตอนนี้เมื่อคุณไปที่ Device Manager ควรมี HID Keyboard Device ใหม่ภายใต้ Keyboards
20. เปิดแผ่นจดบันทึกหรือโปรแกรมแก้ไขข้อความใดๆ แล้วเริ่มขยับจอยสติ๊ก คุณควรเห็นการพิมพ์ตัวเลข!

หากคุณต้องการเปลี่ยนรหัสในร่าง Arduino เช่น การเขียนคำสั่งใหม่ไปยังจอยสติ๊ก คุณจะต้องแฟลชทั้ง 3 ไฟล์ในแต่ละครั้ง

ลิงก์ที่มีประโยชน์บางอย่าง: ไม่พบ Arduino DFUatLibUsbDfu.dll

โปรแกรมจำลองแป้นพิมพ์นี้อิงตามบทช่วยสอนนี้โดย Michael เมื่อวันที่ 24 มิถุนายน 2012

ขั้นตอนที่ 14: การสื่อสารผ่านเครือข่าย

ในการรับสตรีมวิดีโอและส่งคำสั่งไปยังหุ่นยนต์จากทุกที่ในโลก เราต้องการวิธีรับข้อมูลเข้าและออกจาก ESP32-CAM ซึ่งทำได้ในสองส่วน คือ ตัวจัดการการเชื่อมต่อบนเครือข่ายภายในของคุณ และเซิร์ฟเวอร์สาธารณะ ดาวน์โหลดสามไฟล์เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้:

• Handlers.py: ถ่ายทอดข้อมูลจาก ESP32-CAM และเซิร์ฟเวอร์สาธารณะ (ทดสอบบน Python 3.8)
• Flask_app.py: กำหนดวิธีที่แอปของคุณตอบสนองต่อคำขอที่เข้ามา
• Robot_stream.html: แสดงวิดีโอในเบราว์เซอร์ของคุณและฟังคำสั่งผ่านแป้นพิมพ์ / จอยสติ๊ก (ทดสอบบน Chrome)

ตัวจัดการการเชื่อมต่อคุณสามารถเขียนโค้ดนี้ได้โดยตรงใน app_httpd.cpp แต่เพื่อการดีบักที่ง่ายขึ้น เราใช้สคริปต์ Python ที่ทำงานบนพีซีที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายเดียวกัน เปิด handlers.py และอัปเดตที่อยู่ IP และชื่อผู้ใช้เป็นของคุณเอง เท่านี้คุณก็พร้อมแล้ว สตรีมจะเริ่มขึ้นเมื่อคุณเรียกใช้ไฟล์นี้

เซิร์ฟเวอร์สาธารณะ ในการเข้าถึงทุกอย่างบนอินเทอร์เน็ต คุณสามารถเริ่มเซิร์ฟเวอร์ด้วย PaaS ที่คุณเลือกได้ ใน pythonanywhere (PA) การตั้งค่านี้ใช้เวลาน้อยกว่า 5 นาที:

1. ลงทะเบียนสำหรับบัญชีและเข้าสู่ระบบ
2. ไปที่แท็บ "เว็บ" แล้วกด "เพิ่มเว็บแอปใหม่" เลือก Flask และ Python 3.6
3. คัดลอก flask_app.py ลงในไดเร็กทอรี /mysite
4. คัดลอก robot_stream.html ลงในไดเร็กทอรี /mysite/templates
5. คลิก “โหลดซ้ำ”

และ…คุณพร้อมแล้ว!

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: เวิร์กโฟลว์เครือข่ายนี้รวดเร็วและเรียบง่าย แต่ยังห่างไกลจากอุดมคติ RTMP หรือซ็อกเก็ตจะเหมาะสมกว่าสำหรับการสตรีม แต่ไม่รองรับบน PA และต้องมีประสบการณ์กับการตั้งค่าเครือข่ายและเซิร์ฟเวอร์ ขอแนะนำให้คุณเพิ่มกลไกความปลอดภัยบางอย่างเพื่อควบคุมการเข้าถึง

ขั้นตอนที่ 15: รวมทุกอย่างเข้าด้วยกัน

ตอนนี้ เปิดหุ่นยนต์ของคุณ เรียกใช้ handlers.py บนคอมพิวเตอร์ (เชื่อมต่อกับเครือข่ายเดียวกันกับหุ่นยนต์) และคุณสามารถควบคุมหุ่นยนต์จากเบราว์เซอร์ตาม URL ที่คุณตั้งค่าได้จากทุกที่ที่คุณต้องการ (เช่น