ArduFarmBot: Part 2 – “Estação Remota” – IoT

Este post é uma continuação do ArduFarmBot: Controlando um tomateiro com a ajuda de um Arduino e Internet das coisas (IoT)

Na primeira parte do projeto, criamos uma estação local de controle e captura de informações, tais como temperatura, umidade relativa do ar, luminosidade e umidade do solo. Com base nesses dados, o ArduFarmBot decidia automaticamente a quantidade certa (e quando) o tomateiro deveria receber calor e água. A estação local de controle desenvolvida na Parte 1, também permitia a intervenção manual de um operador a fim de controlar tanto a bomba de água quanto a lâmpada elétrica. Nesta  segunda parte, implementaremos uma abordagem “IoT” onde a”intervenção manual” também poderá ser feita remotamente via Internet. O diagrama de blocos mostra como faremos isso:

ardufarmbot_gal_block_diagram

Note-se que os dados capturados serão enviados a um “serviço de armazenamento na nuvem” (no nosso caso Thinkspeak.com). Além disso, um website dedicado, o “Remote Control Page” mostrado no diagrama,  irá monitorar e exibir esses dados em tempo quase real. Esta página também permitirá a ativação remota da bomba e  da lâmpada.

2.1: Lista de materiais

2.2: Completando o Hardware

Para conectar-se o ArduFarmBot à Internet, utilizaremos o ESP8266, um módulo simples, barato e fácil de programar para os projectos envolvendo a Internet das coisas (IoT). A partir da estação local desenvolvida na Parte 1, o único HW adicional necessário é o próprio ESP8266. O diagrama de blocos abaixo, mostra todas as conexões com os pinos do Arduino e dos componentes principais.

ardufarmbot_pin_diagram

O único cuidado que você deve ter é relacionado com o nível de tensão do pino RX do ESP8266, pois ele funciona com 3.3V. Assim, o Pin Rx não deve ser conectado diretamente ao pino Tx do Nano (D3). Um nívelador de tensão deve ser usado. No nosso caso, vamos construir um divisor de tensão para ser usado como um “conversor de nível de tensão”.

Voltage level Converter.png

O esquema eléctrico abaixo, mostra com mais detalhes como se conectar o ESP8266.

ardufarmbot_complete_eletr_diagram

Se você quiser saber mais sobre o ESP8266, consulte meus posts anteriores aqui no Blog:

  1. O ESP8266 parte 1 – Serial WIFI Module
  2. O ESP8266 parte 2 – Web Server
  3. O ESP8266 parte 3 – Acionando LEDs remotamente

Note que estamos usando o ESP8266 conectado aos pinos 2 (Tx) e 3 (Rx) do Nano, utilizando-se da biblioteca “SoftSerial”. Se você quiser “livrar” os pinos digitais, poderá alternadamente usar os pinos 0 e 1 do Nano (Serial por HW). Apenas lembre-se que você deve desligá-los ao enviar o código para Nano.

NOTA: Se você deseja se conectar o “Buzzer”, você deve fazê-lo no pino D17 (o mesmo que o pino A3). É bom ter um alarme sonoro quando ocorra um erro de comunicação. Eu o usei durante a fase de teste, deixando de fora no HW do projecto final (mas o código está preparado para isso). Cabe a você decidir se o insta-la ou não.

O código abaixo pode ser usado para testar e / ou configurar o  ESP8266:

2.3: Conectando o  ESP8266  a internet

Uma vez que o módulo ESP8266 está instalado, o próximo passo é aplicar um “Reset” no pino CH-PD.

/***************************************************
* Reset funtion to accept communication
****************************************************/
void reset8266(void)
{
  pinMode(CH_PD, OUTPUT);
  digitalWrite(CH_PD, LOW);

  delay(300);
  digitalWrite(CH_PD, HIGH);
  Serial.print("8266 reset OK");
  lcd.clear();
  lcd.println("8266 reset OK       ");
}

Após o reset, vamos conectá-lo à rede local  (alterar o no código: username e password, por suas credenciais ) e iniciar o módulo como “Modo Station” (CWMODE = 1):

/***************************************************
* Connect WiFi
****************************************************/
void connectWiFi(void)
{
  sendData("AT+RST\r\n", 2000, DEBUG); // reset
  sendData("AT+CWJAP=\"USERNAME\",\"PASSWORD\"\r\n", 2000, DEBUG); //Connect network
  delay(3000);
  sendData("AT+CWMODE=1\r\n", 1000, DEBUG);
  sendData("AT+CIFSR\r\n", 1000, DEBUG); // Show IP Adress
  lcd.clear();
  lcd.print("8266 Connected");
  Serial.println("8266 Connected");
}

Para enviar dados ao ESP8266, utilizamos a função sendData():

/***************************************************
* Send AT commands to module
****************************************************/

String sendData(String command, const int timeout, boolean debug)
{
  String response = "";
  esp8266.print(command);
  long int time = millis();
  while ( (time + timeout) > millis())
  {
    while (esp8266.available())
    {
      // The esp has data so display its output to the serial window
      char c = esp8266.read(); // read the next character.
      response += c;
    }
  }
  if (debug)
  {
    Serial.print(response);
  }
  return response;
}

As funções acima serão chamadas durante a “fase de setup” de nosso Código. Se tudo foi feito corretamente, você deve ver pelo monitor serial, mensagens semelhantes como as de abaixo:

Picture of The ESP8266 connection

2.4: Data Storage Cloud: O ThinkSpeak.com

Todos os dados capturados pelo ArduFarmBot serão enviados para a nuvem, utilizando-se um serviço gratuito proporcionado pelo “ThinkSpeak.com“.

No “Loop ()”, depois de capturar os dados com readSensors (),  chamaremos uma função específica para carregar os dados capturados: updateDataThingSpeak ();

/***************************************************
* Transmit data to thingspeak.com
****************************************************/
void updateDataThingSpeak(void)
{
  startThingSpeakCmd ();
  
  cmd = msg ;
  cmd += "&field1=";     //field 1 for DHT temperature
  cmd += tempDHT;
  cmd += "&field2=";    //field 2 for DHT humidity
  cmd += humDHT;
  cmd += "&field3=";    //field 3 for LDR luminosity
  cmd += lumen;
  cmd += "&field4=";    //field 4 for Soil Moisture data 
  cmd += soilMoist;
  cmd += "&field5=";    //field 5 for PUMP Status
  cmd += pumpStatus;
  cmd += "&field6=";    //field 6 for LAMP Status
  cmd += lampStatus;
  cmd += "\r\n";

  sendThingSpeakCmd();
}

A fim de enviar esses dados, a primeira coisa a fazer é iniciar a comunicação com o ThingSpeak.com. Faremos isso, usando-se da função:startThingSpeakCmd ();

/***************************************************
* Start communication with ThingSpeak.com
****************************************************/
void startThingSpeakCmd(void)
{
  cmd = "AT+CIPSTART=\"TCP\",\"";
  cmd += IP;
  cmd += "\",80";
  esp8266.println(cmd);
  delay(2000);
  if(esp8266.find("Error"))
  {
    Serial.println("ESP8266 START ERROR");
    return;
  }
  Serial.println("Thinkspeak Comm Started");
  cmd ="";
}

Uma vez que o canal esteja aberto com o ThingSpeak e o string “cmd”  esteja montado com os dados, é hora de fazer o upload de tudo isso no canal correspondente do ThingSpeak usando-se da função:sendThingSpeakCmd();

/***************************************************    
* Update channel ThingSpeak.com
****************************************************/
String sendThingSpeakCmd(void)
{
  esp8266.print("AT+CIPSEND=");
  esp8266.println(cmd.length());
  if(esp8266.find(">")){
    esp8266.print(cmd);
    Serial.println("");
    Serial.println("");
    Serial.println(cmd);
    delay(500);
   
    String messageBody = "";
    while (esp8266.available()) 
    {
      String line = esp8266.readStringUntil('\n');
      if (line.length() == 1) 
      { //actual content starts after empty line (that has length 1)
        messageBody = esp8266.readStringUntil('\n');
        Serial.print("Message received: ");
        Serial.println(messageBody);
      }
    }
    return messageBody;
  }
  else{
    esp8266.println("AT+CIPCLOSE");
    Serial.println("ESP8266 CIPSEND ERROR: RESENDING"); //Resend...
    error=1;
    return "error";
  }
}

As funções acima foram baseadas em um tutorial muito bom desenvolvido por Michalis Vasilakis. Para mais detalhes, consulte:

Arduino IOT: Temperature and Humidity ( with ESP8266 WiFi).

A foto abaixo mostra o canal ArduFarmBot no site do ThingSpeak.com:

Picture of Cloud Storage Data: The ThinkSpeak.com

2.5: Comandando os atuadores a partir da web

Neste momento, estamos subindo (“Upload”) e armazenando todos os dados coletados na nuvem. Isto é muito útil para a monitoração remota, mas o que aconteceria se com base nesses dados gostaríamos de acionar a bomba ou a Lâmpada, independente do programa automático local? Para fazer isso, além do “Upload”, também faremos um “Download” de dados a partir da nuvem, informando ao controlador como agir basedo nesses dados (comandos).

Criemos para isso, campos específicos em nosso canal ThinkSpeak para comandar os atuadores:

  • Field 7:
    • Data = 1 ==> PUMP should be Turn ON
    • Data = 0 ==> PUMP should be Turn OFF
  • Field 8:
    • Data = 1 ==> LAMP should be Turn ON
    • Data = 0 ==> LAMP should be Turn OFF

OK, mas como configurar esses campos diretamente no ThingSpeak? Podemos fazê-lo, por exemplo, escrevendo um “plugin” diretamente para ThinksPeak, ou podemos usar um site externo para fazê-lo (esta será a nossa escolha). De qualquer forma, em ambos os casos, você deverá usar um comando como o de abaixo:

api.thingspeak.com/update?key=YOUR_WRITE_KEY&field7=1

Com o comando acima, por exemplo (e usando a sua chave de escrita de canal), você vai escrever “1” no Field 7, o que significa que a bomba deve ser ligada. Você pode facilmente testá-lo, escrevendo a linha de comando acima no seu navegador, o campo correspondente no seu canal será alterado. Como um retorno, o navegador irá mostrar uma página em branco com um único número no canto superior esquerdo, correspondente à entrada de dados sequencial no seu canal.

Até agora, 50% do trabalho está feito! Agora você deverá ler este “comando” (conteúdo  do campo), na estação local do ArduFarmBot .

O comando para fazer isso é mostrado abaixo. Ele vai obter o último dado que foi escrito no campo específico (que em nosso caso será um “comando”).

api.thingspeak.com/channels/CHANNEL_ID/fields/7/last

Da mesma forma como fizemos antes, você poderá testar a linha de comando, usando seu navegador. Neste caso, o navegador irá mostrar-lhe o dado armazenado esse campo específico. Veja abaixo:

Picture of Commanding the actuators from the web

Voltando à “terra”, escreveremos uma função que lerá este “último campo”:

/***************************************************
* Read data from field7 of thingspeak.com
****************************************************/
int readLastDataField7()
{
  startThingSpeakCmd ();

  // "GET /channels/CHANNEL_ID/fields/7/last";
  cmd = msgReadLastDataField7; 
  cmd += "\r\n";

  String messageDown = sendThingSpeakCmd();
  Serial.print("Command received: ");
  Serial.println(messageDown[7]);
  
  int command = messageDown[7]-48; 
  return command;
}

A função acima retornará o dado contido no Field 7 (“1” ou “0”). Uma função semelhante deve ser escrita para o Field 8.

Uma vez que já possuímos o conteúdo de ambos os campos, devemos utilizá-los em uma função que comandará os atuadores de maneira semelhante ao que fizemos com a “função de comando manual”:

/***************************************************
* Receive Commands from thingSpeak.com
****************************************************/
void receiveCommands()
{
  field7Data = readLastDataField7();
  if (field7Data == 1) 
  {
    digitalWrite(PUMP_PIN, HIGH);
    pumpStatus = 1;
    showDataLCD();
  }
  if (field7Data == 0) 
  {
    digitalWrite(PUMP_PIN, LOW);
    pumpStatus = 0;
    showDataLCD();
  }

  delay (500); 
  
  field8Data = readLastDataField8();
  if (field8Data == 1) 
  {
    digitalWrite(LAMP_PIN, HIGH);
    lampStatus = 1;
    showDataLCD();
  }
  if (field8Data == 0) 
  {
    digitalWrite(LAMP_PIN, LOW);
    lampStatus = 0;
    showDataLCD();
  }
  delay (500); 
}

Assim, a partir de agora você pode usar a linha de comando no seu navegador para ligar / desligar a bomba e a lâmpada remotamente. Abaixo, se pode ver como o comando recebido aparecerá no monitor serial:

Download command.png

Outra consideração importante é a “coordenação” entre o comando local e o remoto. Teremos de alterar a função readLocalCmd () para que também atualizemos os Fields7  e 8 do Thinkspeak respectivamente,  como o estado da bomba e da lâmpada:

field7Data = pumpStatus;

field8Data = lampStatus;

Agora “filed7Data” e “field8Data” estão em sincronia com os comandos da página web e também com as ações de comando locais quando você pressiona um botão. Então, vamos atualizar a função aplyCmd (), que é a responsável para ligar / desligar os atuadores:

/***************************************************
* Receive Commands and act on actuators
****************************************************/
void aplyCmd()
{
  if (field7Data == 1) digitalWrite(PUMP_PIN, HIGH);
  if (field7Data == 0) digitalWrite(PUMP_PIN, LOW);
  
  if (field8Data == 1) digitalWrite(LAMP_PIN, HIGH);
  if (field8Data == 0) digitalWrite(LAMP_PIN, LOW);
}

Quando você começar seus testes,  perceberá que qualquer comando executado manualmente no local ou via web, será superado pelas ações automáticas definidas pela função autoControlPlantation(). Neste ponto, você deve considerar quem será o “chefe” (ou patroa…), o qual terá a última palavra! Em nosso caso definiremos o seguinte:

  • Em cada ciclo de loop, que é quase “sempre”, verificamos se um botão local é pressionado
  • Aproximadamente a cada minuto, faremos um “pooling” no ThinkSpeak e verificamos se existe um nova ordem manual desde lá.
  • Aproximadamente  a cada 10 minutos, leremos os sensores, atualizando os dados no ThinkSpeak e mais importante,  executamos as medidas automáticas, que serão tomadas independente das que foram selecionados manualmente e será aquela que irá ser mantido.

Você pode alterar a lógica da maneira que melhor se adapte ao seu projeto. Essa é a coisa boa sobre o uso de um processador programável, como o Arduino para controlar coisas!

Assim, 2 temporizadores serão utilizados agora, um para agrupar os comandos remotos e outro para ler os sensores (o mesmo que foi utilizado anteriormente):

long sampleTimingSeconds = 75; // ==> ******** Define Sample time in seconds to read sensores *********
int reverseElapsedTimeSeconds = 0;
long startTiming = 0;
long elapsedTime = 0;
long poolingRemoteCmdSeconds = 20; // ==> ******** Define Pooling time in seconds for new ThingSpeak commands *********
long startRemoteCmdTiming = 0;  
long elapsedRemoteCmdTime = 0;

A função loop () deverá ser reescrita da seguinte forma:

void loop() 
{
  elapsedRemoteCmdTime = millis()-startRemoteCmdTiming;   // Start timer for pooling remote commands
  elapsedTime = millis()-startTiming;   // Start timer for measurements
  reverseElapsedTimeSeconds = round (sampleTimingSeconds - elapsedTime/1000);

  readLocalCmd(); //Read local button status
  showDataLCD();

  if (elapsedRemoteCmdTime > (poolingRemoteCmdSeconds*1000)) 
  {
    receiveCommands();
    updateDataThingSpeak();
    startRemoteCmdTiming = millis();
  }
  
  if (elapsedTime > (sampleTimingSeconds*1000)) 
  {
    readSensors();
    autoControlPlantation();
    updateDataThingSpeak();
    startTiming = millis();
  }
}

2.6: Implementação de uma página Web dedicada

Neste ponto o nosso ArduFarmBot está operacional e pode ser controlado a partir da web. Você pode monitorar os dados no site do Thinkspeak e também enviar comandos utilizando-se de um navegador, mas é claro que esta “solução web” não pode ser considerado “elegante”! A melhor maneira de implementar uma solução real para IoT, é desenvolver uma página web completa, a qual além de exibir todos os dados, também possuirá botões para ativação dos atuadores.

Para hospedar nossa página web, escolhí o Byethost, um site gratuito, muito fácil e simples para lidar com suas páginas. Também aproveitei a oportunidade de aplicar neste projecto, o que eu aprendi em uma fantástica especialização on-line no Coursera / Universidade de Michigan:Learn to Design and Create Websites (Construindo um portfólio web ágil e acessível usando HTML5, CSS3 e JavaScript ).

webpage

Não entrarei em detalhes como desenvolver esse tipo de página, uma vez que este não é o propósito central deste tutorial, mas incluirei aqui o HTML, CSS e códigos fonte do JavaScript que desenvolvi exclusivamente para minha página. Uma vez que alguém tenha interesse em como cheguei ao projeto final, podemos discuti-lo utilizando-se do Painel de Comentários no final do post.

É importante reforçar que essa página não trabalha diretamente com a Estação de Controle ArduFarmBot Local. O que ela está fazendo realmente é, interagir com o canal do ThinkSpeak  como descrito abaixo:

  1. Ler dados de sensores dos Fields 1, 2, 3, 4
  2. Ler estado do atuadores  (“Echo”) dos Fields  5 e 6
  3. Armazenar dados (comandos) nos Fields 7 e 8
  4. Ler dados meteorológicos locais (Yahoo)

O item 4 acima não é realmente crucial para o projeto, mas é importante ter dados adicionais disponíveis no caso de você querer tomar algumas ações remotas independente do que está acontecendo localmente com plantação do seu tomate. Outra consideração é que você pode, por exemplo, armazenar esses dados em outro canal ThingSpeak e transferir-los para o Arduino, mostrando dados meteorológicos no display LCD local por exemplo (eu desenvolvi isto em outro projeto que funcionou bem! Deixo aqui como uma sugestão para você).

2.7: A Matriz Sensor-Atuador

Picture of Return to the brain. A Sensor-Actuator Matrix approach

Na primeira parte deste projeto, definimos algumas considerações preliminares sobre como os atuadores devem agir em função da leitura dos sensores. Naquele caso, fizemos unicamente opções simples, mas o que vai acontecer se tivermos uma situação mais complexa? Várias condições diferentes? O que iremos desenvolver aqui é uma nova abordagem que chamaremos de “Matriz Sensor – Atuador”.

Em uma planilha foram definidas para cada sensor, as diferentes condições possíveis  e como deveria ser a respectiva saída dos atuadores. O resultado pode ser observado na planilha Excel abaixo.

Matrix.png

Na planilha Excel, existem duas Tabs. Uma com filtro como mostrado acima e outra que além da seleção, te permite obter o “codigo”binário que deverá ser carregado na varíavel da Matriz.

New Matrix Setup.png

Uma vez definida, a matriz deverá ser carregada em nosso código. Um array de 18 linhas e 10 colunas foi criado para este propósito:

//                       +---SOIL----+-LIGHT-+---TEMP---+---ACTUAT----+
 //                        SL  SM  SH  LL  LH  TL  TM  TH   Pump   Lamp
boolean SDf [18] [10] = {{  1,  0,  0,  0,  1,  0,  0,  1,    1,    0 }, 
                          { 1,  0,  0,  0,  1,  0,  1,  0,    1,    0 }, 
                          { 1,  0,  0,  0,  1,  1,  0,  0,    1,    1 }, 
                          { 1,  0,  0,  1,  0,  0,  0,  1,    1,    0 }, 
                          { 1,  0,  0,  1,  0,  0,  1,  0,    1,    0 }, 
                          { 1,  0,  0,  1,  0,  1,  0,  0,    0,    1 }, 
                          { 0,  1,  0,  0,  1,  0,  0,  1,    0,    0 }, 
                          { 0,  1,  0,  0,  1,  0,  1,  0,    0,    0 }, 
                          { 0,  1,  0,  0,  1,  1,  0,  0,    0,    1 }, 
                          { 0,  1,  0,  1,  0,  0,  0,  1,    0,    0 }, 
                          { 0,  1,  0,  1,  0,  0,  1,  0,    0,    1 }, 
                          { 0,  1,  0,  1,  0,  1,  0,  0,    0,    1 }, 
                          { 0,  0,  1,  0,  1,  0,  0,  1,    0,    0 }, 
                          { 0,  0,  1,  0,  1,  0,  1,  0,    0,    0 },
                          { 0,  0,  1,  0,  1,  1,  0,  0,    0,    1 },
                          { 0,  0,  1,  1,  0,  0,  0,  1,    0,    0 },
                          { 0,  0,  1,  1,  0,  0,  1,  0,    0,    1 },
                          { 0,  0,  1,  1,  0,  1,  0,  0,    0,    1 },
                         };

Para trabalhar com a Matrix, criou-se a função defSensorStatus (). Esta função testa para cada linha se a condição das 8 primeiras colunas são TRUE. Se sim, as condições definidas nas 2 últimas colunas são executadas.

por exemplo:

if (1 and 0 and 0 and 0 and 1 and 0 and 0 and 1) { pumpStatus = 1; lampStatus = 0}

else if (1 and 0 and 0 and 0 and 1 and 0 and 1 and 0) { pumpStatus = 1; lampStatus = 0}

e assim por diante …

Dentro da função acima outra array é criada com o estado de cada leitura do sensor:

boolean snsSts[8]={0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}; // SL, SM, SH, LL, LH, TL, TM, TH

Esta array variável será também utilizado para o registo do LOG.

Segue abaixo a planilha excel:

ARDUFARMBOT SENSOR ACTUATOR MATRIX NEW.xlsx ARDUFARMBOT SENSOR ACTUATOR MATRIX NEW.xlsx

2.8: Otimizando o código

Durante o processo de desenvolvimento do ArduFarmBot percebemos que algumas mudanças na especificação original deveria ser feita:

Display LCD:

O display LCD deve estar apagado por default e a qualquer momento que uma leitura de sensores é necessária, podemos acender-lo. Esta condição foi implementada no código e o botão de leitura de sensores deve ser utilizado no modo “toggle” para ligar / desligar o LCD a qualquer momento. Acender ou apagar o LCD irá automaticamente atualizar as leituras de sensores para a exibição, mas estas leituras não serão utilizadas pelo ArduFarmBot em suas funções regulares.

Configuração inicial:

Quando o ArduFarmBot é ligado (ou depois de um Reset), o LCD irá exibirá configuração  do controlador “Initial Set-up”. Para se iniciar a execução do programa, o botão “Sensores” deve ser pressionado novamante (o LCD se apagará). A informação inicial disponível na tela inicial do LCD será:

  • COLD Temperature (i.e. 12oC)
  • DRY Soil Humidity (i.e. 30%)
  • WET Soil Humidity (i.e. 60%)
  • DARK light (i.e. 40%)
  • P_ON Pump time be ON (i.e. 10s)
  • SCAN Time to read sensors (i.e. 600s)
  • SW_Vertion (i.e. 4.1)
img_0013
Registro do Log:

Para fins de auditoria, criamos um registro com as leituras e atuações do nosso Ardu FarmBot. Em cada ciclo de leitura, a função: storeDataLogEEPROM () é executada:

/***************************************************
* Storage of Log data at Arduino EEPROM
****************************************************/
void storeDataLogEEPROM(void)
{
  for (int i = 0; i<8; i++) 
  {
    logData = logData + (snsSts[i])<< 1;
  }
  EEPROM.write (memoAddr, logData);
  memoAddr++;
  logData = 0;
  logData = logData + pumpStatus;
  logData = logData << 1;
  logData = logData + lampStatus;
  EEPROM.write (memoAddr, logData);
  EEPROM.write (0, memoAddr+1);
  logData = 0; 
  if ((memoAddr+1) == 1023) memoAddr=1;
  else memoAddr++;
} 

Como comentado na última etapa, o que será armazenada na EEPROM do Arduino é o conteúdo, bit a bit do array snsSts[] adicionado do status da bomba e lâmpada. Você pode ver abaixo, o log no monitor serial:

serial-monitor-log

Como já visto na parte 1, para facilidade de entendimento e desenvolvimento, o código para o ArduFarmBot foi divididos em vários arquivos, criados por sua especialidade. Note que 2 novos arquivos foram adicionados nesta segunda parte:

  • communication.ino (ThingSpeak and ESP8266 specific funtions)
  • stationCredentials.h (ThinkSpeak Channel ID and specific Keys for writing on the channel)

Por último, uma vez que o código acabou ficando  com um tamanho razoável, decidi armazenar as constantes na memória flash (programa), em vez de SRAM. Para isso, usei a palavra-chave PROGMEM que é um modificador de variável. Por exemplo, em vez de utilizar:

#define DHTPIN 5, usaremos:

const PROGMEM byte DHTPIN = 5;

O PROGMEN informa ao compilador  para “colocar esta informação na memória flash”, em vez de em SRAM, onde iria normalmente. Você também deve incluir a biblioteca avr/pgmspace.h no arquivo principal do seu código.

Outro bom procedimento para reduzir o uso de SRAM é comentar (ou excluir) todas as linhas de Serial.print () que você usou para a depuração durante o desenvolvimento. Você perceberá que o código usado por exemplo para mostrar o log no monitor serial estará todo “comentado” no código final.

Abaixo você pode encontrará o código completo para o ArduFarmBot. Não se esqueça de alterar os dados no file credentials.h com seu Thinkspeak Channel Id e chave de escrita. Também no communication.ino, entre com seu nome de usuário e senha para conectar o ESP 8266 na Internet.

Abaixo testes do ArduFarmBot e instalação definitiva:fvc1gl0itchfzep-large

Preparando o reservatório de água:

reservatorio

Conectando a bomba dágua: bomba

Germinação (aproximadamente 45 dias):

germinacao 

Seleção melhores mudas e transplante :

transplante

 

2.9: Conclusão

Picture of Conclusion

Isso é tudo, pessoal! ……Por agora!!

Em breve publicaremos a terceira e última parte do nosso projeto que espero seja uma boa receita de pasta ao sugo, mas com molho de tomate orgânico. 😉 !

IMG_0014.JPG

A propósito, na foto abaixo vocês podem ver os primeiros suspiros de vida na plantação do Mauricio e seus tomates alguns meses depois

img_0515

Os arquivos e documentos podem ser encontrados aqui : ArduFarmBot GitHub

Como sempre, espero que este projeto ajude outras pessoas a encontrar seu caminho no apaixonante mundo da eletrônica, do IoT e dos robôs!

Não deixe de visitar e seguir minha página: MJRoBot.org no Facebookcapa-ardufarmbot

Este projeto também está disponível em formato Kindle:

Saludos desde el sur del mundo! 😉

Um abraço e até o próximo post!

Obrigado

Marcelo e Maurício

Controlando o robô aspirador “Roomba” com Arduino e Android

Como um dos vencedores do concurso “Robotics 2016” do Instructables, recebi como prêmio da empresa iRobot, um robô aspirador Roomba Create2. Neste post, vou contar um pouco de minhas primeiras aventuras com o garoto!

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
BoM

  • 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”

Roomba Wheels

 

 

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:Create-Sensors-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:

Serial_Conn

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;

 

IMG_4305

 

 

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');

 

IMG_4304

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

IMG_4307

 

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.

Serial_BT_Conn

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!

Não deixe de visitar e seguir minha página: MJRoBot.org no Facebook

Saludos desde o sur do mundo! 😉

Até o próximo post!

Um abraço e obrigado

Marcelo

Eletrônica embarcada do “Mars Rover tupiniquin” recebe prêmio no INTERNET OF THINGS CONTEST 2016

A eletrônica embarcada utilizada em meu projeto “Mars Rover tupiniquin”, participou do INTERNET OF THINGS CONTEST 2016 do INSTRUCTABLES.COM , onde logrou-se ser um dos finalistas da competição. O projeto foi um dos ganhadores na categoria “Runner up”, o que me deixou muito contente, pois a competição contou com projetos estupendos!

 

O vídeo abaixo mostra o RPi capturando dados de humidade e temperatura enviando-os para o site thingspeak.com

 

A lista completa dos projetos pode ser encontrada no site:

http://www.instructables.com/contest/iot2016/entries/

IMG_4153

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Obrigado e um abraço

Marcelo

“Raqueando” o carrinho de controle remoto

Neste projeto, vamos desarmar um carrinho de controle remoto, substituindo sua eletrônica por um microprocessador Arduino controlado por dispositivo Android.

Sempre que passo em uma loja de brinquedos e vejo carrinhos de controle remoto na vitrine, fico doido para levar-los para casa, deve ser porque tinha adoração por este tipo de brinquedo, mas por falta de opções e grana, não cheguei a ter um quando criança. Para compensar e ter uma desculpa para comprar um 😉 vamos desmontar um desses, “raqueando” suas principais partes e substituindo a eletrônica embarcada original por um microcontrolador tipo Arduino facilmente comandado a distância por um dispositivo Android. Com isso, ficará muito fácil adicionar ao carrinho novas funcionalidades, sensores, etc. É uma forma muito barata de se construir um robô para uso didático.

O vídeo abaixo, mostra como ficará o projeto final:

O MJRoBot Autobot em ação

Conhecendo o carrinho

IMG_2430

O primeiro passo será desarmar o carrinho para se ter uma idéia de como ele funciona, o que se aproveitará e o que se deve ser adicionado:

Na parte inferior da carcaça, estão os os dois motores (frontal e traseiro), o compartimento da bateria (recarregável, 5V) e o modulo eletrônico.  Na parte superior da carcaça, está a antena (placa de cobre conectada a um cabo negro) e os 4 LEDs que funcionam como os faróis dianteiros e traseiros. Cada LED está conectado separadamente por um par de fios. Com esse arranjo, se pode:

  • Acender os faróis (acender os dois LEDs frontais)
  • Dar pisca (acender os LEDs esquerdos ou direitos)
  • Sinalizar uma frenagem  (acender os dois LEDs traseiros)

O diagrama em blocos da eletrônica original é:

Original Block Diagram

Em relação a mobilidade, nos projetos anteriores de robôs utilizamos a técnica de “Differential Steering” onde variando-se o sentido de giro das rodas, varia-se a direção do rob0, mas aqui se pode ver que o carrinho, apesar de também possuir dois motores DC , possui uma confirmação diferente de motores:

FullSizeRender 15.jpgO motor frontal, não possui nenhum controle de velocidade ou posição, sendo utilizado apenas para virar o carrinho “à direita”ou “à esquerda”, movendo-se simultaneamente todo o conjunto rodas/eixo frontal (mais ou menos como em um automóvel). Em geral o carrinho sempre se move para a frente em linha reta e o motor está desligado, deixando assim as rodas livres. Um comando para “virar à esquerda” pVersion 2or exemplo, fará o motor girar, fazendo o mecanismo de engrenagens como um todo se mover para a esquerda. Enquanto o motor estiver alimentado o mecanismo ficará nessa posição limite e o carrinho continuará “virando à esquerda”).

Turn_Left

IMG_3511

 

O motor traseiro está acoplado a um sistema redutor de velocidade por engrenagens e fornece torque variável as rodas traseiras (conjunto fixo). Pode-se assim variar a velocidade, mas não a direção (as duas rodas sempre girarão em um mesmo sentido).

Raqueando a eletrônica embarcada

Uma vez que tudo foi identificado, é a hora de remover a eletrônica original, deixando somente os cabos dos motores e bateria. Como não vou voltar a usar a carcaça superior por enquanto, não me preocuparei com os LEDs originais.

No lugar do módulo eletrônico, usaremos um Arduino Uno, que será o responsável pela lógica do processamento, acionando os motores, LEDs e um Buzzer. O controle remoto que antes era conseguido por um sistema receptor de RF de 27MHz será agora substituído pelo modulo HC-06, o qual se comunicará com um dispositivo Android. A bateria original do carrinho será mantida exclusivamente para a alimentação dos motores via a H-Bridge L293D, pois os motores DC além de consumirem bastante corrente geram ruído devido a suas escovas. Pela maneira que o carrinho foi construído, o motor frontal consome bastante energia no momento em que recebe um comando de virar para um dos lados, pois seu eixo será travado e o consumo de corrente será alto. Para o Arduino usaremos uma bateria de 9V (Vin), sendo que o modulo HC-06 será alimentado pela saída de 5V do Arduino).

O novo diagrama de blocos para implementação do circuito é:

Block Diagram

Neste ponto é importante testar os motores individualmente. Usando uma bateria, alimente o motor e observe para que lado lado ele gira. Inverta a bateria e repita o teste anotando as cores dos fios:

No caso de meu carrinho, temos:

Front Motor:

  • Yellow: LEFT
  • White: RIGH

Rear Motor:

  • Green: Backward
  • Blue: Forward

Montagem Final

O circuito (as cores dos fios do motor não são as corretas):

circuit

O HW do novo carrinho à controle remoto está pronto para seus primeiros testes. Agora, falta implementar o SW e o aplicativo Android.

O Aplicativo Android

MJRoBot BT Icon

Para controlar o carrinho, usaremos uma App que desenvolvi utilizando o MIT AppInventor 2: “MJRoBot BT Remote Control”. A app pode ser baixada gratuitamente da loja da Google através do link: MJRoBot BT Remote Control

A app possui uma interface simples, permitindo o envio de comandos ao modulo de BT tanto em modo TEXT, como diretamente via botões pre-programados (cada vez que um botão é pressionado, um caracter é enviado):

Screenshot_2015-12-11-20-24-01w: Forward

s: Backward

d: Right

a: Left

f: Stop

p: ON/OFF

m: Manual / Automatic

+: Speed+

-: Speed-

 

Também existe uma janela de texto para mensagens recebidas do modulo BT. Esta característica é bem importante durante a fase de testes, pois pode ser usada da mesma maneira que o “Serial monitor”.

O Diagrama de blocos para o projeto no MIT appInventor2:

app_Blocks

O Código Arduino

O bloco principal do código é bem simples:

void loop() 
{
   checkBTcmd(); // verify if a command is received from BT remote control
   receiveCmd ();
 
   if (turnOn) manualCmd ();
   else stopRobot ();
}

A primeira coisa a se fazer é verificar se existe algum novo comando BT chegando. Quem checará isso é a função “checkBTcmd()”:

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

A variável “turnOn” é utilizada para ligar ou desligar o carrinho. A função “receiveCmd()” será a encarregada de definir o status dessa variável em função do comando recebido do modulo BT. Observe que pela lógica usada, cada vez que o botão vermelho com o símbolo de “POWER” é pressionado, o caracter “p” será enviado pelo app e a a variável “turnOn”, mudará se valor (de 1 para 0 e vice e versa):

void receiveCmd ()
{
   switch (command)
   {
     case 'p':  
        turnOn = !turnOn;
        command = 0;
        analogWrite(ledStatus, turnOn*128); // Robot ON - Led ON
        beep(outBuz, 1000, 100);
        BT1.print(" COMMAND ON/OFF");
        BT1.println('\n');
        delay(200); //Delay to call attention to mode change
        break;
 
     case 'm': //not used here
        break;
    } 
}

Voltando ao loop principal, enquanto a variável “turnOn” é HIGH (1), a função “manualCmd()” executará um comando, dependendo do caracter recebido:

void manualCmd()
{
   switch (command)
   {
     case 'f': 
        moveStop(); //turn off both motors
        state = command;
        break;

     case 'w': 
        moveForward(); 
        state = command; 
        break;

     case 'd': 
        moveRight();
        break;

     case 'a': 
        moveLeft();
        break;
 
     case 's': 
        moveBackward();
        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;
    }
}

Por exemplo, se o comando “w” é recebido a função específica para mover o carrinho para a frente “moveForward()” é executada.

Em caso “powerOn” esteja em HIGH e a tecla “POWER” seja pressionada, a variável “powerOn”, passará a LOW e a função “stopRobot()” será a executada ao invés de “manualCmd()”. Esta função garante que o motor traseiro esteja parado, os LEDs apagados e variáveis zeradas.

void stopRobot ()
{
   digitalWrite(ledBlue, LOW);
   digitalWrite(ledRed, LOW);
 
   state = 0;
   moveStop(); //turn off both motors
}

Acionando os motores DC via H-Bridge

Os motores frontal e traseiro estão ligados a ponte-H como mostrado abaixo:

H-Bridge

e a cada um dos pinos do Arduino, os quais deverão ser definidos como OUTPUT, será atribuído uma variável:

const int rearMtFw = 4;     // Rear Motor - FW
const int rearMtBw = 7;     // Rear Motor - BW
const int rearMtEne = 6;    // Rear Motor - enable
const int frontMtLeft = 2;  // Front Motor - turn Left
const int frontMtRight = 3; // Front Motor - turn right 
const int frontMtEne = 5;   // Front Motor enable

Por exemplo, se desejamos mover o carrinho para a frente, a função “moveForward()” deverá colocar o pino 4 en HIGH e o pino 7 em LOW, isso fará com que a corrente flua “no sentido horário”, como mostrado no diagrama abaixo:

FW example H-Bridge

O pino 6 é o “enable”, somente quando ele estiver em “HIGH”, a ponte permitirá o fluxo de corrente pelo motor. Como este pino possui característica PWM, a velocidade com que o motor girará, dependerá do valor da variável “motorSpeed”, no pino 6 (valor de 0 255).

A função também deverá garantir que o motor frontal “gire livremente”, e para isso o pino 5, que é o pino de “enable” deverá estar em LOW (o status dos pinos 2 e 3 não importam, uma vez que o enable está el LOW). O LED vermelho, que funciona como “luz de ré”, deverá sempre estar apagado quando o carrinho se move para a frente:

void moveForward() // rear motor FW
{ 
   analogWrite(rearMtEne, motorSpeed);
   digitalWrite(rearMtFw, HIGH);
   digitalWrite(rearMtBw, LOW);
 
   digitalWrite(frontMtEne, LOW);
   digitalWrite(ledRed, LOW);
   delay(5);
}

por analogia, é obvio que para o carrinho “mover para trás”, basta que o motor gire na direção contrária. Para isto, o pino 4 deverá estar em LOW e o pino 7 em HIGH. Note que nesse caso a “luz de ré”, deverá estar acesa. A função neste caso será:

void moveBackward() // rear motor BW
{ 
   analogWrite(rearMtEne, motorSpeed);
   digitalWrite(rearMtFw, LOW);
   digitalWrite(rearMtBw, HIGH);
 
   digitalWrite(frontMtEne, LOW);
   digitalWrite(ledRed, HIGH);
   delay(5);
}

O mesmo raciocínio pode ser utilizado para o motor frontal, somente que nesse caso, não existe controle de velocidade. Colocando o pino 2 (enable) em HIGH habilita o motor a “tentar girar”, para um lado ou para outro dependendo do status dos pinos 2 e 3:

void moveLeft() // front motor left
{ 
   digitalWrite(frontMtEne, HIGH);
   digitalWrite(frontMtLeft, HIGH);
   digitalWrite(frontMtRight, LOW);
   digitalWrite(ledRed, LOW);
   delay(10);
}

//************************************//

void moveRight() // front motor right
{ 
   digitalWrite(frontMtEne, HIGH);
   digitalWrite(frontMtLeft, LOW);
   digitalWrite(frontMtRight, HIGH);
   digitalWrite(ledRed, LOW);
   delay(10);
}

Para parar o carrinho, basta colocar todas as saídas da ponte relativas ao motor traseiro em LOW, o que “travará” o eixo do motor (o motor frontal basta o enable estar em LOW):

void moveStop() //turn off rear motor
{ 
   analogWrite(rearMtEne, LOW);
   digitalWrite(rearMtFw, LOW);
   digitalWrite(rearMtBw, LOW);
 
   digitalWrite(frontMtEne, LOW);
   digitalWrite(ledRed, LOW);
   delay(5);
}

No link abaixo, você poderá encontrar o código completo para o Arduino:

Codigos para o Arduino

Conclusão

IMG_2488

O carrinho está devidamente raqueado e pronto para ganhar o mundo! Agora o céu é o limite! Comece, por exemplo instando sensores para evitar obstáculos, um HC-04 (ultra-som)  funcionará bem, como vimos no caso do “Mars Rover” tupiniquim. Crie um novo comando e envie o “caracter” via texto (ou use o botão Man/Auto: caracter “m”, para o robô executar outras fincões (buzina, por exemplo).

servo frontalOutra idéia interessante é melhorar a “dirigibilidade” do carrinho. O motor DC frontal poderia ser substituído por um servo de 180o que movimentaria o conjunto frontal de maneira linear, obtendo-se assim ângulos de virada variáveis. A foto ao lado é de um exemplo que encontrei a web. Não é exatamente o mecanismo de meu carrinho, mas mas mostra como poderia ficar.

 

That’s all folks!

Como sempre, espero que este projeto ajude outras pessoas a encontrar seu caminho no apaixonante mundo da eletrônica e dos robôs!

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Saludos desde el sur del mundo! 😉

Um abraço e até o próximo post!

Obrigado

O Mars Rover Tupiniquim aterrisa em Londres!

A edição de maio da revista britânica MagPi publicou uma matéria muito legal sobre meu Projeto “Mars Rover Tupiniquin”. Para quem não conhece, a MagPi é a revista oficial do RapsberryPi. Você pode baixar grátis as edições da revista em PDF.

A edição de maio (45) pode ser baixada no link: https://raspberrypi.org/magpi-issues/MagPi45.pdf

Espero que gostem!

(A repórter trocou o meu nome por “Marcio”, mas está valendo! 😉

IMG_0471

IMG_0472

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Saludos desde el sur del mundo! 😉

Um abraço e obrigado

Marcelo

Robô explorador de labirintos, utilizando Inteligência Artificial com Arduino

Esta é a segunda e última parte de um projeto mais complexo, que explora a potencialidade de um robô seguidor de linha. Nesta etapa, aplicaremos conceitos de inteligência artificial na exploração de labirintos, implementando algoritmos que nos ajudarão a encontrar o caminho da saída mais curto e rápido.

Este projeto foi desenvolvido a partir de meu último tutorial: “Rex”, um robô que nunca perde a linha! Depois de se conseguir desenvolver um robô com capacidade para seguir linhas, o próximo passo natural é sem dúvida, dar-lhe algum grau de inteligência. Assim, nessa etapa, o nosso querido “Rex, o Robô” tentará encontrar uma forma de escapar de um “labirinto” tomando o caminho mais curto e o mais rápido possível.
A propósito, Rex odeia o Minotauro….. 😉

A maioria dos labirintos, por mais complexa sua concepção possa parecer, foram essencialmente formados a partir de uma parede contínua com muitos cruzamentos e bifurcações. Se a parede circundante do objectivo final de um labirinto está ligado ao perímetro do labirinto na entrada, o labirinto sempre poderá ser resolvido mantendo-se uma mão em contacto com a parede, não importando os muitos desvios que possam existir. Estes labirintos “simples” são conhecido como “Simply-connected” ou “perfeitos”, ou em outras palavras, que não contêm loops.

Voltando ao nosso projeto, ele será dividido em duas partes:

1. (Primeira passada): O robô encontrará o seu caminho para sair de um labirinto perfeito desconhecido. Não importa onde você o colocar dentro do labirinto, ele sempre encontrará uma “solução de saída”.

2. (Segunda passada): Uma vez que o robô encontrou uma possível solução para sair do labirinto, ele deve otimizar-la, encontrando o caminho mais curto para ir do início ao fim.

O vídeo abaixo, mostra um exemplo do robô encontrando seu caminho para sair do labirinto (chegar “ao final”). Na primeira vez que o robô explora o labirinto, é claro que vai perder muito tempo “pensando” sobre o que fazer em todo e qualquer cruzamento. Para testar as possibilidades, ele tomará vários caminhos errados e becos sem saída, o que faz com que ele escolha caminhos mais longos e execute várias  “marcha-rés” desnecessárias.

Durante esta”1ª passada”, o robô irá acumulando experiências, “tomando notas” sobre os diferentes cruzamentos e eliminando os atalhos ruins. Em sua “segunda passada”, o robô irá direta e rapidamente ao final do labirinto sem qualquer erro ou dúvida. Ao longo deste tutorial,  exploraremos em detalhes como fazê-lo:

LISTA DE MATERIAIS:

A lista de materiais é basicamente a mesmo que usamos com robô seguidor de linha, exceto que foram incluídos 2 Sensores adicionais para uma melhor precisão na detecção da cruzamentos a esquerda e a direita. O preço final do robô, continua barato (cerca de US$85,00):

  • Corpo (pode ser adaptado para as suas necessidades):
    • 2 quadrados de madeira (80x80mm)
    • 3 Grampos de papel
    • 2 rodas de madeira (diâmetro: 50 mm)
    • 1 roda “solta” (Caster)
    • 9 Elásticos
    • Fita 3M “Command”
    • Articulações plásticas para fixação do sensor
  • Protoboard e fiação
  • 2 conjuntos de baterias (4XNi-metal hidreto) –  5V cada conjunto
  • 2 Servos de Rotação Contínua (SM-S4303R)
  • Arduino Nano
  • Módulo Bluetooth  HC-06
  • 5 sensores x Linha (TCRT5000 4CH Infrared Linha Pista Seguidor Módulo Sensor + 1 sensor de Pista independente)
  • 2 sensores ZX03 (baseado no TCRT5000) Reflective Infrared Sensors (saída analógica)
  • 1 LED
  • 1 Botão

ALTERAÇÕES AO CORPO DO ROBÔ

Retirar o conjunto original dos 5 Sensores e fixar os novos sensores reflectivos aos extremos esquerdo e direito da barra de suporte plástica.

É aconselhável manter os 7 sensores o mais alinhado possível.

Instalação e testes dos novos sensores

A nova matriz de 7 sensores, é montado de forma a que os 5 originais sejam utilizados exclusivamente para o controlo PID e detecção da “linha completa” (explicado mais adiante) e que os novos 2 sensores somente para a detecção dos cruzamentos a esquerda e a direita.

Como uma rápida revisão, vamos lembrar como os 5 sensores originais “digitais” trabalham:

Se um sensor está centrado em relação à linha preta, este irá produzir um sinal HIGH. Por outro lado, o espaço entre os sensores devem ser calculados de tal modo a permitir que dois sensores possam cobrir a largura total da linha preta produzindo assim um sinal HIGH simultaneamente em ambos os sensores.

Como os 2 novos sensores “analógicos” trabalham:

Se um dos sensores está centrado em relação à linha preta, o resultado observado na saída do ADC interno do Arduino será geralmente menor que “100” (lembre-se que o ADC produz uma saída que vai de 0 a 1023). Sobre superfícies mais claras, o valor de saída deverá ser maior (500 a 600 sobre papel branco, por exemplo). Estes valores devem ser testado em diferentes situações de luz de superfície e de materiais para se definir a constante LIMIAR (“THRESHOLD”) correta a ser usada (ver o quadro aqui).

Abaixo, o diagrama mostrando os componentes conectados ao Arduino:

Maze Solver Circuit

Olhando o código do Arduino, cada um dos sensores será definido com um nome específico:

// LFSensor more to the Left is "0"
const int lineFollowSensor0 = 12; //Using Digital input
const int lineFollowSensor1 = 18; //Using Analog Pin A4 as Digital input
const int lineFollowSensor2 = 17; //Using Analog Pin A3 as Digital input
const int lineFollowSensor3 = 16; //Using Analog Pin A2 as Digital input
const int lineFollowSensor4 = 19; //Using Analog Pin A5 as Digital input

const int farRightSensorPin = 0; //Analog Pin A0
const int farLeftSensorPin = 1; //Analog Pin A1

 

Recordando, as possíveis combinações de saída para a matriz de 5 sensores original do seguidor de linha são:

  • 0 0 0 0 1
  • 0 0 0 1 1
  • 0 0 0 1 0
  • 0 0 1 1 0
  • 0 0 1 0 0
  • 0 1 1 0 0
  • 0 1 0 0 0
  • 1 1 0 0 0
  • 1 0 0 0 0

Com a adição dos 2 novos sensores, as suas saídas possíveis são:

  • Sensor Esquerdo: Saída Analógica maior ou menor do que o valor definido de THRESHOLD
  • Sensor Direito: Saída Analógica maior ou menor do queo valor definido de THRESHOLD

A fim de armazenar os valores de cada um dos sensores uma variável tipo matriz  (Array) é criada para os sensores digitais originais 5:

int LFSensor[5]={0, 0, 0, 0, 0};

E duas variáveis do tipo inteiras para os 2 novos sensores analógicos:

int farRightSensor = 0;
int farLeftSensor = 0;

As variáveis serão constantemente actualizadas dependendo do estado de cada um dos sensores:

LFSensor[0] = digitalRead(lineFollowSensor0);
 LFSensor[1] = digitalRead(lineFollowSensor1);
 LFSensor[2] = digitalRead(lineFollowSensor2);
 LFSensor[3] = digitalRead(lineFollowSensor3);
 LFSensor[4] = digitalRead(lineFollowSensor4);
 
 farRightSensor = analogRead(farRightSensorPin);
 farLeftSensor = analogRead(farLeftSensorPin);

Possuindo 5 sensores, como se viu no projeto do Robô seguidor de linha, se permite a geração de uma “variável de erro” que ajudará a controlar a posição do robô sobre a linha. Essa variável de erro será mantida e uma nova denominada “mode” será incluída para saber se o robô está seguindo uma linha, sobre uma linha contínua, uma intersecção ou fora da linha.

Esta variável “mode” será usada também com os novos sensores de esquerda e direita. Consideremos que os novos sensores da esquerda e da direita geraram 3 estados possíveis: H (maior do que THRESHOLD), L (menor do que oTHRESHOLD) e X (irrelevante). Para as saídas digitais, manteremos “0”, “1” e também introduziremos o “X”:

Intersection

X 1  1  1  1  1 X ==> mode = CONT_LINE; error = 0;
H 0 X X X X L ==> mode = RIGHT_TURN; error = 0;  (Veja o exemplo na imagem acima)
L X X X X 0 H ==> mode = LEFT_TURN; error = 0;
X 0 0 0 0 0 X ==> mode = NO_LINE; error = 0;
H 0 0 0 0 1 H ==> mode = FOLLOWING_LINE; error = 4;
H 0 0 0 1 1 H ==> mode = FOLLOWING_LINE; error = 3;
H 0 0 0 1 0 H ==> mode = FOLLOWING_LINE; error = 2;
H 0 0 1 1 0 H ==> mode = FOLLOWING_LINE; error = 1;
H 0 0 1 0 0 H ==> mode = FOLLOWING_LINE; error = 0;
H 0 1 1 0 0 H ==> mode = FOLLOWING_LINE; error = -1;
H 0 1 0 0 0 H ==> mode = FOLLOWING_LINE; error = -2
H 1 1 0 0 0 H ==> mode = FOLLOWING_LINE; error = -3;
H 1 0 0 0 0 H ==> mode = FOLLOWING_LINE; error = -4;

Assim, a implementação da lógica acima na função:

void readLFSsensors()

irá retornar as variáveis “mode” e “error” que serão utilizados na lógica do programa.

É importante testar a lógica dos sensores antes de seguir com o projeto. A função de teste abaixo está incluída no código e poderá ser usado para fins de ensaio:

void testSensorLogic(void) 
{
    Serial.print (farLeftSensor);
    Serial.print (" <== LEFT RIGH==> ");
    Serial.print (farRightSensor);
    Serial.print (" mode: ");
    Serial.print (mode);
    Serial.print (" error:");
    Serial.println (error);
}

Resolvendo o labirinto – a regra da mão esquerda

Como discutido na introdução deste tutorial, a maioria dos labirintos são essencialmente formados a partir de uma parede contínua com muitos cruzamentos e desvios.

Pesquisando na Wikipedia, aprendemos que “o seguidor da parede” é o algorítmo mais conhecido para percorrer labirintos. É também conhecido como “regra da mão esquerda” ou a “regra da mão direita”. Se o labirinto é simplesmente conectado, isto é, todos as suas paredes são ligadas entre si, mantendo-se uma mão em contato com uma das paredes do labirinto é garantido que chegará a uma saída. Usaremos aqui a “Regra da mão esquerda”.

Em resumo, a regra da mão esquerda pode ser descrito como:

  • Coloque a mão esquerda na parede.
  • Comece a andar para a frente
  • Em cada cruzamento, e ao longo do labirinto, manter a sua mão esquerda tocando na parede à sua esquerda.
  • Eventualmente, você vai chegar ao final do labirinto. Você provavelmente não vai seguir o caminho mais curto e mais direto, mas você chegará lá.

Portanto, a chave aqui é identificar as intersecções, definindo que medidas tomar com base nas regras acima. Especificamente no nosso tipo de labirinto em 2D , podemos encontrar 8 tipos diferentes de intersecções :

Intersections types

Olhando a imagem acima, podemos perceber que as possíveis ações nos cruzamentos são:

  1. Em um “cruzamento tipo cruz”
    • Vá para a esquerda ou
    • Vá para a direita ou
    • Siga em frente ou
  2. Em um “T”:
    • Vá para a esquerda ou
    • Vá para a direita
  3. Em um “virar somente a direita”:
    • Vá para a direita
  4. Em um “virar somente a esquerda”:
    • Vá para a esquerda
  5. Em um a frente ou esquerda:
    • Vá para a esquerda ou
    • Siga em frente
  6. Em um a frente ou ou a direita:
    • Vá para a direita ou
    • Siga em frente
  7. Em um beco sem saída:
    • Volte
  8. No final do labirinto:
    • Pare

Aplicando-se  a “regra da mão esquerda” a lista acima, será reduzida a apenas uma opção para uma cada uma das possibilidades:

  1. Em um “cruzamento tipo cruz”
    • Vá para a esquerda
  2. Em um “T” (Transversal):
    • Vá para a esquerda
  3. Em um “virar somente a direita”:
    • Vá para a direita
  4. Em um “virar somente a esquerda”:
    • Vá para a esquerda
  5. Em um a frente ou esquerda:
    • Vá para a esquerda
  6. Em um a frente ou ou a direita:
    • Siga em frente
  7. Em um beco sem saída:
    • Volte
  8. No final do labirinto:
    • Pare

Estamos quase lá. Quando o robô atinge um beco sem saída é fácil identificá-lo, porque não existem situações ambíguas (já implementamos essa ação com o Robô seguidor de linha). O problema está quando o robô encontra uma “linha” por exemplo, pois a linha pode ser parte de um cruzamento tipo “cruz” (1) ou de um “T” (2) ou mesmo um “Final” (8). Além disso, quando o robô chega a um “virar à esquerda ou à direita”, esses cruzamentos podem ser os do tipo simples (opções 3 ou 4) ou opções que podem ir para a frente (5 ou 6). Para se descobrir exatamente em que tipo de intersecção está o robô, é necessário incorporar um passo adicional: o robô deve “dar um passinho a frente” ou seja rodar o que chamamos de “extra inch” e assim “ver” o que vem por adiante:

Maze4
Em termos de fluxo, todas as acções possíveis podem ser descritas como:

  • Em um beco sem saída:
    • Volte
  • Em uma linha:
    • Executar uma polegada extra
    • Se há uma linha:
      • É uma “cruz” ==> Ir para ESQUERDA
    • Se não houver nenhuma linha:
      • é um “T” ==> Ir para ESQUERDA
    • Se houver outra linha:
      • É o fim de Maze ==> PARAR
  • Em uma curva à direita:
    • Executar uma polegada extra
    • se há uma linha:
      • É ir a frente ou virar a direita ==> ir direto
    • Se não houver nenhuma linha:
      • é um virar obrigatoriamente a direita==> Ir para DIREITA
  • Em uma curva à esquerda:
    • Executar uma polegada extra
    • se há uma linha:
      • É ir a frente ou virar a esquerda ==> virar a esquerda
    • Se não houver nenhuma linha:
      • é um virar obrigatoriamente a esquerda==> Ir para ESQUERDA

Note-se que de facto, no caso de um “virar à esquerda”, você poderá pular o teste porque o robô tomará à esquerda de qualquer maneira. Deixei a explicação mais genérica somente para claridade. No código real ignorarei este teste.

IMG_3474

 

A foto ao lado , é de um labirinto bem simples que desenhei no chão do meu laboratório, usando fita isolante de 18mm (3/4) que uso para testes (ainda bem que minha mãe não viu!!!! ;-0:

Aplicando o algorítmo “Left Hand on the Wall” ao código do Arduino

Uma vez que já temos a função  readLFSsensors () modificada, para incluir os 2 sensores adicionais, podemos também re-escrever a função “Loop” introduzindo o algoritmo como descrito anteriormente:

void loop() 
{
     readLFSsensors(); 
     switch (mode)
     { 
         case NO_LINE: 
            motorStop();
            goAndTurn (LEFT, 180);
            break;
         case CONT_LINE: 
            runExtraInch();
            readLFSsensors();
            if (mode == CONT_LINE) mazeEnd();
            else goAndTurn (LEFT, 90); 
            break;
         case RIGHT_TURN: 
            runExtraInch();
            readLFSsensors();
            if (mode == NO_LINE) goAndTurn (RIGHT, 90); 
            break; 
         case LEFT_TURN: 
            goAndTurn (LEFT, 90); 
            break; 
         case FOLLOWING_LINE: 
            followingLine();
            break; 
 
     }
}

Algumas funções importantes aparecem aqui.

followingLine() é a mesma utilizada com o robô seguidor de linha, que quando se está apenas seguindo uma linha, deve-se: calcular o PID e controlar os motores, dependendo dos valores dos ganhos da malha de controle usando a função: motorPIDcontrol ();

runExtraInch (): vai empurrar o robô para a frente um pouquinho. Quanto o robô se moverá, dependerá do tempo que você usa na função delay(), antes que mande parar os motores.

void runExtraInch(void)
{
    motorPIDcontrol();
    delay(extraInch);
    motorStop();
}

goAndTurn (direction, angle): Esta função é importante, porque você na verdade não pode virar o robô, tão logo perceba o tipo de intersecção em que está. Lembre-se que projectamos um robô do tipo diferencial que, quando faz curvas, “gira em torno do seu eixo”. Assim, para sair de um cruzamento, girar 90 graus e continuar movendo-se sobre a linha, o centro das rodas deve obrigatoriamente estar alinhado com o centro da intersecção. Uma vez que a linha dos sensores está à frente do eixo das rodas, o robô deve mover-se para a frente para alinhá-los. Os moteres devem funcionar por um tempo “t” dependendo da distância entre a linha dos sensores e o eixo dos motores ( “d”), velocidade e tamanho das rodas. Esta constante de tempo “t” é  no código: adjGoAndTurn, que deve ser ajustada dependendo de seu projeto:

Turn_Explanation

void goAndTurn(int direction, int degrees)
{
    motorPIDcontrol();
    delay(adjGoAndTurn);
    motorTurn(direction, degrees);
}

Neste ponto, o robô já está “resolvendo um labirinto”!  Você acabou de terminar o “Primeiro Passo”. Não importa onde você começar dentro de um labirinto, você chegará ao final.

Abaixo, um vídeo mostrando um teste para esta fase do projeto:

Tomando nota do Caminho

Consideremos o exemplo abaixo:

Maze1

Partindo do ponto escolhido, o robô encontrará 15 Interseções antes de chegar ao final do labirinto:

  1. Esquerda (L)
  2. Back (B)
  3. Esquerda (L)
  4. Esquerda (L)
  5. Esquerda (L)
  6. Back (B)
  7. Reto (S)
  8. Back (B)
  9. Esquerda (L)
  10. Esquerda (L)
  11. Back (B)
  12. Reto (S)
  13. Esquerda (L)
  14. Esquerda (L)
  15. Fim

O que deve ser feito em qualquer um desses cruzamentos é “salvar a decisão tomada” na mesma sequência em que aconteça. Para isso, vamos criar uma nova variável (matriz) que irá armazenar o caminho que o robô tenha tomado:

A variável path[] e 2 índices variáveis, serão utilizados em conjunto para se gravar os passos:

char path[100] = "";
unsigned char pathLength = 0; // the length of the path
int pathIndex = 0; // used to reach an specific array element.

Voltando ao exemplo, uma vez percorrido todo o circuito, as variáveis ficariam:

path = [LBLLLBSBLLBSLL] e  pathLengh = 14

Simplificando (otimizando) o Caminho

Voltemos ao nosso exemplo. Olhando para o primeiro grupo de cruzamentos, percebemos que o primeiro ramo esquerdo é na verdade um “Dead End”, e assim, se o robô em vez de um “lateral-esquerdo-esquerdo” apenas tivesse seguido reto nesse primeiro cruzamento, uma grande quantidade de energia e tempo seriam salvas! Em outras palavras, uma sequência do tipo “LBL”, de facto, seria o mesmo que “S”.

Maze2

Isso é exatamente como o caminho completo pode ser otimizado. Se você analisar todas as possibilidades onde um “U turn” (back) é utilizado, o conjunto de 3 cruzamentos onde o”U-Turn” ( “B”) aparece  (“xBx”) poderá ser reduzido para apenas um.

A descrição acima é apenas um exemplo, abaixo podemos encontrar a lista completa de possibilidades:

LBR = B
LBS = R
RBL = B
SBL R =
SBS = B
LBL = S

Aplicando-se as substituições acima para o caminho completo de nosso exemplo, podemos reduzi-lo a:

path = [LBLLLBSBLLBSLL] ==> LBL = S

path = [SLLBSBLLBSLL] ==> LBS = R

path = [SLRBLLBSLL] ==> RBL = B

path = [SLBLBSLL] ==> LBL = S

path = [SSBSLL] ==> SBS = B

path = [SBLL] ==> SBL = R

path = [RL]

Olhando para o exemplo, é muito claro que se o robô gira para a DIREITA logo no primeiro cruzamento e depois disso, à esquerda, ele chegará ao final do labirinto pelo caminho mais curto!

Maze3

A primeira passada será consolidada na função mazeSolve (). Esta função é, de facto, a função loop () utilizada anteriormente, onde se incorporaram as etapas de armazenamento e otimização do caminho. Quando a primeira passada termina, a variavel path[] conterá o caminho já optimizado.

Uma nova variável é introduzida para sinalizar o final da “passada”:

unsigned int status = 0; // solving = 0; reach end = 1

Abaixo a função completa para a primeira etapa do programa:

void mazeSolve(void)
{
   while (!status)
   {
      readLFSsensors(); 
      switch (mode)
      { 
         case NO_LINE: 
            motorStop();
            goAndTurn (LEFT, 180);
            recIntersection('B');
            break;
         case CONT_LINE: 
            runExtraInch();
            readLFSsensors();
            if (mode != CONT_LINE) {goAndTurn (LEFT, 90); recIntersection('L');} // or it is a "T" or "Cross"). In both cases, goes to LEFT
            else mazeEnd(); 
            break;
         case RIGHT_TURN: 
            runExtraInch();
            readLFSsensors();
            if (mode == NO_LINE) {goAndTurn (RIGHT, 90); recIntersection('R');}
            else recIntersection('S');
            break; 
         case LEFT_TURN: 
            goAndTurn (LEFT, 90); 
            recIntersection('L');
            break; 
         case FOLLOWING_LINE: 
            followingLine();
            break; 
 
       }
   }
}

Aqui uma nova função foi introduzida: recIntersection (direction)

Esta função será a usada para armazenar as decisões tomadas nos cruzamentos e também para chamar outra importante função: simplifyPath(), que irá otimizando “em tempo real” o grupo de 3 cruzamentos envolvendo “U-Turn”, como vimos anteriormente.

void recIntersection(char direction)
{
    path[pathLength] = direction; // Store the intersection in the path variable.
    pathLength ++;
    simplifyPath(); // Simplify the learned path.
}

O crédito para a criação da função simplifyPath () é de Patrick McCabe. Eu apenas a incluí ao meu código (para mais detalhes, visite patrickmccabemakes.com):

void simplifyPath()
{
   if(pathLength < 3 || path[pathLength-2] != 'B') // only simplify the path if the second-to-last turn was a 'B'
   return;
   int totalAngle = 0;
   int i;
   for(i=1;i<=3;i++)
   {
     switch(path[pathLength-i])
     {
        case 'R':
           totalAngle += 90;
           break;
        case 'L':
           totalAngle += 270;
           break;
        case 'B':
           totalAngle += 180;
           break;
      }
    }
    totalAngle = totalAngle % 360;  // Get the angle as a number between 0 and 360 degrees.
    switch(totalAngle) // Replace all of those turns with a single one.
    {
       case 0:
          path[pathLength - 3] = 'S';
          break;
       case 90:
          path[pathLength - 3] = 'R';
          break;
       case 180:
          path[pathLength - 3] = 'B';
          break;
       case 270:
          path[pathLength - 3] = 'L';
          break;
     }
     pathLength -= 2; // The path is now two steps shorter.
}

A segunda passada: resolvendo o labirinto o mais rápido possível!

O programa principal: loop () é bem simples:

void loop() 
{
    ledBlink(1);
    readLFSsensors(); 
    mazeSolve(); // First pass to solve the maze
    ledBlink(2); // end 1st pass
    
    while (digitalRead(buttonPin) && !mode) { }
    pathIndex = 0;
    status = 0;
    mazeOptimization(); //run the maze as fast as possible
    ledBlink(3); // end of 2nd pass. Maze solved!
}

Assim, quando a primeira passada termina, o que devemos fazer é apenas “alimentar” o robô com o caminho otimizado. Ele vai começar a percorrer o labirinto novamente e quando uma intersecção for encontrado, ele não mais tomará decisões, mas simplesmente seguirá o que está armazenado na variável path [].

Para a segunda passada usamos a função mazeOptimization(), que por sua vez, chama a função mazeTurn(path[]) que comandará os movimentos do robô nessa segunda passada:

void mazeOptimization (void)
{
   while (!status)
   {
      readLFSsensors(); 
      switch (mode)
      {
         case FOLLOWING_LINE:
            followingLine();
            break; 
         case CONT_LINE:
            if (pathIndex >= pathLength) mazeEnd (); 
            else {mazeTurn (path[pathIndex]); pathIndex++;}
            break; 
         case LEFT_TURN:
            if (pathIndex >= pathLength) mazeEnd (); 
            else {mazeTurn (path[pathIndex]); pathIndex++;}
            break; 
         case RIGHT_TURN:
            if (pathIndex >= pathLength) mazeEnd (); 
            else {mazeTurn (path[pathIndex]); pathIndex++;}
            break; 
      } 
   } 
}
void mazeTurn (char dir) 
{
   switch(dir)
   {
      case 'L': // Turn Left
         goAndTurn (LEFT, 90); 
         break; 
      case 'R': // Turn Right
         goAndTurn (RIGHT, 90); 
         break; 
      case 'B': // Turn Back
         goAndTurn (RIGHT, 180); 
         break; 
      case 'S': // Go Straight
         runExtraInch(); 
         break;
    }
}

A segunda passada está feita!

O vídeo abaixo mostra o exemplo trabalhado aqui completo, onde Rex encontra seu caminho para livrar-se do Minotauro! 😉

O código Arduino completo para este projeto, poderá ser encontrado no link abaixo:

Codigo para o Arduino

Usando o aplicativo Android para o ajuste

A App Android desenvolvido para o projeto do Robô seguidor de Linha também pode ser usado aqui.  O código Arduino apresentado na última etapa já inclui comunicação com o dispositivo Android, mas se não quiser usar-lo não há problema, porque o código é “transparente”.

Eu usei bastante o dispositivo Android durante o projeto para enviar dados de teste do robô para o dispositivo, utilizando-se o campo de “Mensagem recebida”.

Diversas variáveis devem ser bem definidas, a fim de garantir que o robô gire corretamente. Os mais importantes estão abaixo (os marcados em negrito tive mudar-los várias vezes):

const int power = 250;
const int iniMotorPower = 250;
const int adj = 0;
float adjTurn = 8;
int extraInch = 200;
int adjGoAndTurn = 800;
const int THRESHOLD = 150;
float Kp=50;
float Ki=0;
float Kd=0;

CONCLUSÃO

Esta é a segunda e última parte de um projeto complexo, explorando a potencialidade de um robô seguidor de linha, onde aplicando-se conceitos de inteligência artificial se conseguiu explorar labirintos,  encontrando o caminho da saída mais curto e rápido.

Espero que esse trabalho possa contribuir para que outras pessoas possam aprender mais sobre eletrônica, robôs, Arduino, etc.

Não deixe de visitar e seguir minha página: MJRoBot.org no Facebook

Saludos desde el sur del mundo! 😉

Um abraço e até o próximo post!

Obrigado

Marcelo

O braço robótico – Introdução

O objetivo desse tutorial é desenvolver passo a passo um projeto para o controle e programação de um braço robótico, simulando as funções básicas de um robô industrial.

Especificações:

  • O robô deverá ter duas funções básicas:
    • Programa: gravar posições do braço em 3 dimensões
    • Run: executar o programa de trabalho (ou seja, executar em sequencia as posições gravadas na etapa de programa.
  • O robô executará o programa até que o comando de “abortar” seja utilizado.
  • O projeto deverá controlar robots de 3 ou 4 DOF (“Degrees of Freedom”).
  • O robô deverá ser controlado em modo “local” e “remoto” (via celular)
  • Durante o programa se poderá mudar o controle de “local” a “remoto” e vice-e-versa.
  • Deverá possuir sinalização tanto visual (LEDS e display) quanto sonora
  • Deverá possuir função de alarme acionado remotamente.

O projeto:

O diagrama abaixo mostra o “Bill of Material” que será utilizado no projeto:

Robot Arm Project diagram

Para o projeto, optarei pelo Arduino MEGA para não ter que me preocupar com o número de portas I/Os. O UNO funcionaria sem problemas, mas se deveria utilizar algum método de expansão de portas. Existem várias opções que podem ser facilmente encontradas na internet, como um decodificador 74138 por exemplo (veja o site: “Expandindo os I/Os do Arduino”).

Para a rede Bluetooth utilizarei o HC-06 (o qual explico em detalhes no tutorial “Conectando “coisas” através do Bluetooth”).

MJRoBot Arm Ctrl iconA app Android utilizado para o “modo  remoto”, foi desenvolvida utilizando-se a ferramenta  MIT appinventor2, uma plataforma tão poderosa quanto simples para esse tipo de app baseado no Android. No futuro pretendo explorar a criação de apps desse tipo aqui no Blog. Por enquanto, a app está disponível para ser baixada gratuitamante na loja da Google:  MJRoBot Arduino Arm Robot Control.

Os vídeos abaixo dão uma idéia de como deverá ficar o projeto final:

Primeiro protótipo sendo programado em “modo local”:

O robô programado de maneira remota via rede Bluetooth:

 

Nos próximos posts, detalharei os passos necessários para o desenvolvimento do projeto.

Como sempre, espero que este projeto ajude outras pessoas a encontrar seu caminho no apaixonante mundo da eletrônica, robótica e do IoT!

Não deixe de visitar e seguir minha página: MJRoBot.org no Facebook

“Saludos desde el sur del mundo!” 😉

Um abraço e até o próximo post!

Obrigado

Marcelo

FullSizeRender 23Em tempo: aproveito e deixo aqui um abraço para duas pessoas muito queridas, meu tio Ítalo que já não está aqui entre nós, que além de me ensinar a jogar Xadrez quando garoto, me deixou de presente essas peças que utilizei no vídeo. O outro abraço vai para o meu sogro Mathias, que muito carinhosamente presenteou-me com o tabuleiro e com as peças do jogo que haviam se perdido com o tempo (tudo feito por ele).