Controlando o robô aspirador “Roomba” com Arduino e Android

O Create 2 é uma plataforma robusta e relativamente barata para o desenvolvimento de projetos na área da robótica (pelo menos nos EUA, onde custa cerca de US $ 200). O Create2 é na verdade um Robô Aspirador de pó “Roomba” da série 660 restaurado que permite uma variedade de métodos de programação. No Brasil, mais e mais se torna comum este tipo de eletrodomésticos ( e só esperar a mãe sair de casa e fazer alguma experiências com o rapaz 😉

Para começar, usei um Arduino e um aplicativo Android para poder mover o robô por aí. Neste primeiro tutorial, explorarei como conectar o Arduino com o Roomba via porta serial e como comandar seus motores, LEDs e som. Em projectos futuros, explorarei seus sensores e usarei um Raspberry Pi para conectar o Roomba com a internet.

Abaixo, um rápido vídeo mostrando os meus primeiros resultados programando o Roomba:

Passo 1: Lista de Materiais

• iRobot “Roomba”Create2
• Arduino UNO
• módulo Bluetooth HC-06
• Botão (“Push0Button”)
• Protobard e cabos de conecção.

 

Passo 2: O Roomba Create2

O Roomba é um robô do tipo diferencial, com 2 rodas e um “caster”

 

 

Sua velocidade vai até 500 mm/s e pode ser comandado para ir tanto para a frente como para trás.

 

Para sinalização, podemos contar com 4 displays de sete segmentos e 5 LEDs:

• Limpar (Clean)
• Local (Spot)
• Doca (Dock)
• Aviso (Warning)
• Sugeira (Dirt / Debris)

Como sensores internos, temos entre outros:

• Detector de degrau (Cliff) (4 à frente)
• Detectores de colisão (2 na frente)
• Codificadores de giro das rodas

 

Para a programação, deve ser usado o documento de referencia: iRobot® Create® 2 Open Interface (OI) .

O Roomba  possui 3 modos de programação:

• Modo de segurança (Safe):
  Libera o controle total do Roomba, com a excepção das seguintes condições de segurança:
  • Carregador de batería conectado e ligado.
  • A detecção de uma queda de roda (ocorre quando se “levanta o Roomba do chão”).
  • A detecção de um degrau de escada por exemplo, enquanto se move para a frente (ou movendo-se para trás com um raio de giro pequeno).

Se uma das condições de segurança acima ocorrem enquanto o Roomba está em modo de segurança, Roomba para todos os motores e reverte para o modo passivo.

• Modo passivo (Passive):
  Ao enviar o comando Iniciar (“Start”) ou qualquer um dos comandos do modo de limpeza (por exemplo, “Spot”, “Clean”, “Seek Dock”), o Roomba entra em modo passivo. Quando o Roomba está em modo passivo, você pode solicitar e receber dados utilizando qualquer um dos comandos de sensores, mas você não pode mudar os parâmetros de comando dos atuadores (motores, som, luzes, saídas digitais, etc.) .

• Modo completo (Full):
  Libera o controle completo do Roomba, a  todos os seus atuadores e a todas as condições de segurança que são restritos quando o robô está em modo de segurança descritas no modo Safe.

Passo 3: A ligação em série

Para a comunicação entre o Roomba e o Arduino, será utilizada a porta serial de ambos. Por padrão, o Roomba se comunica a 115.200 bauds, mas para uma melhor comunicação com o Arduino, vamos modificar-lo para 19.200 bauds.

Existem 2 maneiras de se definir a taxa de transmissão do Roomba :

• Durante o  desligamento do Roomba, continue a manter pressionado o botão central POWER/CLEAN, mesmo após a luz se apagar. Após cerca de 10 segundos, o Roomba tocará uma música com tons descendentes. A partir daí, o Roomba irá comunicar-se a 19.200 bauds até que o processador perda a energia da bateria ou a taxa de transmissão seja explicitamente alterada através de programação.
• Usar o pino 5 no conector Mini-DIN (Baud Rate Change pin) para alterar a taxa de transmissão do Roomba. Depois de ligar o Roomba, espere 2 segundos; em seguida, aplique um pulso de nivel baixo no pin5 três vezes. Cada pulso deve durar entre 50 e 500 milissegundos. O Roomba irá comunicar-se a 19200 bauds até que o processador perca a energia da bateria ou a taxa de transmissão seja explicitamente alterada por SW.

O diagrama abaixo mostra como o Arduino deve ser conectado ao conector Mini-DIN do Roomba:

Par se ter acesso ao Mini-DIN se deve remover a parte superior do Create 2 (capa verde), ou simplesmente fazer um furo na mesma.

Passo 4: Inicializando o Roomba

O primeiro passo a ser feito na programação de um Roomba é:

• “Acordar” o robô
• Iniciar e definir o modo de operação (Safe ou Full)

Para acordar o Roomba, devemos enviar um pulso baixo para o pino 5 do Mini-DIN (detectar dispositivo de entrada), como mostrado na função abaixo (ddPin é o pin 5 do Arduino conectado ao pin% do Roomba):

void wakeUp (void)
{
  digitalWrite(ddPin, HIGH);
  delay(100);
  digitalWrite(ddPin, LOW);
  delay(500);
  digitalWrite(ddPin, HIGH);
  delay(2000);
}

Para iniciar o Roomba, sempre devem ser enviados 2 códigos : “START” [128] e o modo, no nosso caso “modo de segurança” [131]. Se você quizer o “modo completo”, deve enviar o código [132].

void startSafe()
{ 
  Roomba.write(128); //Start
  Roomba.write(131); //Safe mode
  delay(1000);
}

Passo 5: Ligar os LEDs e visor

Ligando os LEDs

Conforme descrito na introdução, o Roomba possui 5 LEDs:

• POWER/CLEAN (bicolor vermelho / verde e intensidade controlada)
• SPOT (Verde, intensidade fixa)
• DOVK (verde, a intensidade fixa)
• WARNING / Check (Laranja, intensidade fixa)
• DIRT (azul, intensidade fixa)

Todos os LEDs podem ser comandados usando o código [139]

Para controlar o LED POWER/CLEAN, você deve enviar dois bytes de dados para o Roomba: “cor” e “intensidade”.

• Cor:
  • Verde = 0
  • Laranja = 128
  • vermelho = 255
• Intensidade:
  • Min = 0
  • Max = 255

A função setPowerLED (byte setColor, byte setIntensity) faz isso automaticamente:

void setPowerLED(byte setColor, byte setIntensity)
{
    color = setColor;
    intensity = setIntensity;
    Roomba.write(139);
    Roomba.write((byte)0x00);
    Roomba.write((byte)color);
    Roomba.write((byte)intensity);
}

Por exemplo, para acender o  LED POWER com cor de laranja  e na metade de sua intensidade maxima, você pode chamar a função como abaixo:

setPowerLED (128, 128);

Para acender os restantes 4 LEDs, devem ser utilizadas as funções:

   setDebrisLED (ON);

   setDockLED (ON);

   setSpotLED (ON);

   setWarningLED (ON);

Todas as funções acima tem um código semelhante a este:

void setDebrisLED(bool enable)
{
  debrisLED = enable;
  Roomba.write(139);
  Roomba.write((debrisLED ? 1 : 0) + (spotLED ? 2 : 0) + (dockLED ? 4 : 0) + (warningLED ? 8 : 0));
  Roomba.write((byte)color);
  Roomba.write((byte)intensity);
}

Basicamente, a diferença estará na linha:

debrisLED = enable;

 

 

 

a qual deverá ser alterada permitindo (“enabling”) que cada um dos outros LEDs (spotLED, dockLED, warningLED) acenda.

Envio de mensagens a serem mostradas

O Roomba possui quatro Displays de 7 Segmentos que você podem ser usados para enviar mensagens de duas maneiras diferentes:

• Código [163]: LEDs com dígitos numéricos (“Raw”)
• Código [164]: LEDs com dígitos ASCII (aproximação de letras e códigos especiais)

Para exibir números é muito facil. Você apenas deve enviar o código [163], seguido dos 4 dígitos a serem  exibidos. A função:

setDigitLEDs (digit1 byte, digit2 byte, digit3 byte, byte digit4)

faz isso para você:

void setDigitLEDs(byte digit1, byte digit2, byte digit3, byte digit4)
{
    Roomba.write(163);
    Roomba.write(digit1);
    Roomba.write(digit2);
    Roomba.write(digit3);
    Roomba.write(digit4);
}

Por exemplo, para exibir “1, 2, 3, 4”, basta chamar a função:

setDigitLEDs(1, 2, 3, 4);

 

Com o código [164], é possível aproximação de envio de ASCII.

A função: setDigitLEDFromASCII(byte digit, char letter) faz isso para nós:

void setDigitLEDFromASCII(byte digit, char letter)
{
  switch (digit){
  case 1:
    digit1 = letter;
    break;
  case 2:
    digit2 = letter;
    break;
  case 3:
    digit3 = letter;
    break;
  case 4:
    digit4 = letter;
    break;
  }
  Roomba.write(164);
  Roomba.write(digit1);
  Roomba.write(digit2);
  Roomba.write(digit3);
  Roomba.write(digit4);
}

Para simplificar, criei uma nova função que pode ser utilizada para enviar os 4 dígitos ao mesmo tempo:

void writeLEDs (char a, char b, char c, char d)
{
  setDigitLEDFromASCII(1, a);
  setDigitLEDFromASCII(2, b);
  setDigitLEDFromASCII(3, c);
  setDigitLEDFromASCII(4, d);
}

Por exemplo, para exibir “STOP”, você deve chamar a função:

  writeLEDs ( 's', 't', 'o', 'p');

 

Passo 6: Pilotando o Roomba pela casa

Para sua mobilidade, o Roomba possui 2 motores DC independentes que podem ser programados para rodar a uma velocidade de até 500 mm/s. Existem vários comandos que podem ser usados para dirigir o robô. Os principais são:

1. Código [137]: Drive ==> devem ser enviados: +/- velocidade em mm/s e +/- Radius em mm
2. Código [145]: Direct Drive ==> deve ser enviado velocidade à Esquerda/Direita em mm/s (+ para a frente e – para trás)
3. Código [146]: Drive PWM ==> devem ser enviados +/- dados PWM individualmente para as rodas esquerda e direita.

Abaixo o código para essas 3 opções descritas anteriormente:

void drive(int velocity, int radius)
{
  clamp(velocity, -500, 500); //def max and min velocity in mm/s
  clamp(radius, -2000, 2000); //def max and min radius in mm
  
  Roomba.write(137);
  Roomba.write(velocity >> 8);
  Roomba.write(velocity);
  Roomba.write(radius >> 8);
  Roomba.write(radius);
}

//---------------------------------------------------------------

void driveWheels(int right, int left)
{
  clamp(right, -500, 500);
  clamp(left, -500, 500);
  
  Roomba.write(145);
  Roomba.write(right >> 8);
  Roomba.write(right);
  Roomba.write(left >> 8);
  Roomba.write(left);
  }

//---------------------------------------------------------------
void driveWheelsPWM(int rightPWM, int leftPWM)
{
  clamp(rightPWM, -255, 255);
  clamp(leftPWM, -255, 255);
  
  Roomba.write(146);
  Roomba.write(rightPWM >> 8);
  Roomba.write(rightPWM);
  Roomba.write(leftPWM >> 8);
  Roomba.write(leftPWM);
}

Note que a função “clamp” define os valores máximos e mínimos que são permitidos para como entrada. Essa função é definida no arquivo rombaDefines.h :

  #define clamp(value, min, max) (value < min ? min : value > max ? max : value)

Usando os códigos descritos acima, funções mais simples podem ser criadas para mover o Roomba:

void turnCW(unsigned short velocity, unsigned short degrees)
{
   drive(velocity, -1);
   clamp(velocity, 0, 500);
   delay(6600);
   drive(0,0);
}

//---------------------------------------------------------------
void turnCCW(unsigned short velocity, unsigned short degrees)
{
   drive(velocity, 1); 
   clamp(velocity, 0, 500);
   delay(6600);
   drive(0,0);
}

//---------------------------------------------------------------
void driveStop(void)
{
 drive(0,0);
}

//---------------------------------------------------------------
void driveLeft(int left)
{
 driveWheels(left, 0);
}

//---------------------------------------------------------------
void driveRight(int right)
{
 driveWheels(0, right);
}

Note-se que para se obter um valor de ângulo correto, o argumento da função “delay” deve ser calculada especificamente para uma dada velocidade (o método de tentativa e erro é a melhor opção aqui).

Abaixo alguns exemplos que podem ser utilizados para testar os motores:

  turnCW (40, 180); // girar no sentido horário em 180 graus e parar

  driveWheels (20, -20); // girar sobre seu eixo ("spin") a uma velocidade de 20mm/s

  driveLeft (20); // Virar à esquerda a uma velocidade de 20mm/s

 

Para testar os motores, é bom adicionar um botão externo (no meu caso ligado ao Arduino pino 12), de modo a que você possa baixar o código para o Arduino, iniciando o Roomba, mas parando a execução até que o botão seja é pressionado.

 

Abaixo, simples exemplo de um código de testes para os motores utilizando-se Arduino (observe que para o codigo ser executado, funções e definições discutidas nos steps anteriores deverão ser utilizadas):

#include "roombaDefines.h"
#include <SoftwareSerial.h>

// Roomba Create2 connection
int rxPin=10;
int txPin=11;
SoftwareSerial Roomba(rxPin,txPin);

//---------------------------------------------
void setup() 
{
   Roomba.begin(19200);
 
   pinMode(ddPin, OUTPUT);
   pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP); // connected to Arduino pin 12 and used for "starting"

   delay(2000);
 
   wakeUp (); // Wake-up Roomba
   startSafe(); // Start Roomba in Safe Mode

   while (digitalRead(buttonPin)) { } // wait button to be pressed to continous run code
 
   turnCW (40, 180); //test Roomba spin clock-wise 180 degrees and stop
}

//---------------------------------------------
void loop() 
{
}

Passo 7: Controlando Roomba via Bluetooth

Para completar a nossa primeira parte do projeto, vamos instalar um módulo Bluetooth (HC-06) para a nosso Arduino. O diagrama abaixo mostra como fazê-lo.

Normalmente, o HC-06 é fornecido de fábrica com uma taxa de transmissão de 9600 bauds. É importante que você o altere para 19.200, de maneira a ser compatível com a velocidade de comunicação utilizada pelo Arduino-Roomba. Você pode fazer isso enviando um comando AT para o módulo (AT + BAUD5 onde “5” é o código para 19.200).

Se você tem alguma dúvida sobre como o HC-06 trabalha, por favor dê uma olhada no meu tutorial: Conectando “coisas” através do Bluetooth

Para guiar o Roomba, vamos utilizar um aplicativo genérico para controle de robôs móveis que desenvolvi a partir do MIT AppInventor 2: “MJRoBot BT Remote Control”. O aplicativo pode ser baixado gratuitamente a partir da loja Google.

O aplicativo tem uma interface simples, o que lhe permite enviar comandos para o módulo de BT em ambos, modo texto ou directamente através de botões pré-programados (cada vez que um botão é pressionado, um caracter é enviado):

• w: Foreward
• s: Backward
• d: Right
• a: Left
• f: Stop
• p: ON / OFF (não utilizado nesta primeira parte)
• m: manual / automatic (utilizado para reiniciar o Roomba caso ele esteje em modo de segurança e encontre um obstáculo como um degrau por exemplo)
• +: Velocidade Up
• -: Speed -Down

Você também pode enviar outros comandos como texto, se necessário. Há também uma janela de texto para exibição de mensagens recebidas a partir do módulo de BT. Esta característica é muito importante durante a fase de testes, pode ser usada da mesma forma que o “Serial Monitor” do PC.

A função loop () do código será a responsável pela “escuta” do dispositivo bluetooth e dependendo do comando recebido, tomar uma ação:

void loop() 
{
   checkBTcmd(); // verify if a comand is received from BT remote control
   manualCmd ();
}

A função checkBTcmd () é mostrada abaixo:

void checkBTcmd() // verify if a command is received from BT remote control
{ 
  if (BT1.available()) 
  { 
    command = BT1.read();
    BT1.flush();
   }
}

Uma vez que um comando é recebido, a função manualCmd () irá tomar as medidas apropriadas:

void manualCmd()
{
  switch (command)
  {
     case 'm': 
        startSafe();
        BT1.print("Roomba BT Ctrl OK - Safe mode");
        BT1.println('\n');
        command = 'f';
        playSound (3);
        break;
 
     case 'f': 
        driveStop(); //turn off both motors
        writeLEDs ('s', 't', 'o', 'p');
        state = command;
        break;

     case 'w': 
        drive (motorSpeed, 0); 
        writeLEDs (' ', 'g', 'o', ' ');
        state = command; 
        break;

     case 'd': 
        driveRight(motorSpeed);
        writeLEDs ('r', 'i', 'g', 'h');
        break;

     case 'a': 
        driveLeft(motorSpeed);
        writeLEDs ('l', 'e', 'f', 't');
        break;
 
     case 's': 
        drive (-motorSpeed, 0);
        writeLEDs ('b', 'a', 'c', 'k');
        state = command;
        break;

     case '+': 
        if (state == 'w')
        {
          motorSpeed = motorSpeed + 10;
          if (motorSpeed > MAX_SPEED) 
          { 
             motorSpeed = MAX_SPEED;
           } 
           command = 'w';
         } else {command = state;}
         break;

     case '-': 
 
        if (state == 'w')
        {
          motorSpeed = motorSpeed - 10;
        } 
        if (motorSpeed < MIN_SPEED ) 
        {    
          motorSpeed = MIN_SPEED;
         }
         command = state;
         break;
     }
}

Passo 8: Conclusão

O código Arduino completo e  documentos relacionados podem ser encontrados em meu depositário do GitHub: Roomba_BT_Ctrl.

Observe que nem todos os atuadores e sensores do Roomba foram discutidos neste tutorial. Existem outros motores utilizados especificamente para a limpeza, LEDs utilizados para a programação, botões, sensores, etc.

Várias das funções que criei em meu programa foram baseados na biblioteca Create 2 desenvolvida por Dom Amato. Você pode baixar a biblioteca completa através do link: https://github.com/brinnLabs/Create2.

 

Minha intenção aqui foi deixar as coisas simples, procurando dar o pontapé inicial para o desenvolvimento de projetos baseados no robô aspirador Roomba. No futuro, pretendo publicar outros tutoriais, usando um Raspberry-Pi, conectando o Roomba à internet, ler seus sensores, etc.

Como sempre, espero que este projeto possa ajudar outras pessoas a encontrar o seu caminho no excitante mundo da eletrônica e da robótica!

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Saludos desde o sur do mundo! 😉

Até o próximo post!

Um abraço e obrigado

Marcelo