Procesor Raspberry PI Vision (SpartaCam): 8 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

System procesora wizyjnego Raspberry PI dla Twojego robota FIRST Robotics Competition

O PIERWSZYM

Z Wikipedii, bezpłatnej encyklopedii

FIRST Robotics Competition (FRC) to międzynarodowe zawody robotyki szkół średnich. Każdego roku zespoły uczniów szkół średnich, trenerów i mentorów pracują przez okres sześciu tygodni nad budową robotów do grania, które ważą do 120 funtów (54 kg). Roboty wykonują takie zadania, jak wbijanie piłek do bramek, wrzucanie dysków do bramek, dętki na stojakach, wieszanie na drążkach i wyważanie robotów na równoważniach. Gra wraz z wymaganym zestawem zadań zmienia się co roku. Zespoły otrzymują standardowy zestaw części, ale mają również ograniczony budżet i są zachęcane do kupowania lub wytwarzania specjalistycznych części.

Tegoroczna gra (2020) NIESKOŃCZONE DOŁADOWANIE. Gra Infinite Recharge obejmuje dwa sojusze po trzy drużyny, z których każda kontroluje robota i wykonuje określone zadania na polu, aby zdobywać punkty. Gra koncentruje się wokół futurystycznego motywu miasta, obejmującego dwa sojusze składające się z trzech drużyn, z których każda rywalizuje o wykonanie różnych zadań, w tym strzelanie kulkami piankowymi znanymi jako Power Cells do wysokich i niskich celów, aby aktywować generator tarczy, manipulowanie panelem sterowania, aby aktywować tę tarczę, i powrót do Generatora Tarczy, aby zaparkować lub wspiąć się na koniec meczu. Celem jest zasilenie i aktywacja tarczy, zanim mecz się skończy, a asteroidy uderzą w FIRST City, futurystyczne miasto wzorowane na Gwiezdnych Wojnach.

Co robi system procesorów wizyjnych Raspberry PI?

Kamera będzie mogła skanować boisko i namierzać lokalizacje, w których dostarczane są elementy gry lub muszą być umieszczone w celu zdobycia punktów. Zespół posiada 2 przyłącza, zasilanie i Ethernet.

Cele widzenia na boisku są obrysowane taśmą odblaskową, a światło będzie odbijać się z powrotem do obiektywu kamery. Pi działający na otwartym kodzie źródłowym z Chameleon Vision (https://chameleon-vision.readthedocs.io/en/latest/…) przetworzy widok, podświetli go, doda nakładki obrazu i wyjściową wysokość, odchylenie, kontur i pozycję jako wartości tablicy uporządkowane według x i y w metrach i kąta w stopniach wraz z innymi danymi za pośrednictwem tabeli sieciowej. Informacje te zostaną wykorzystane w oprogramowaniu do sterowania naszym robotem w trybie autonomicznym, a także do celowania i strzelania z naszego strzelca z wieżyczką. Inne platformy oprogramowania mogą być uruchamiane na Pi. FRC Vision można zainstalować, jeśli Twój zespół już zainwestował czas oprogramowania w tę platformę.

Nasz budżet w tym roku był napięty, a zakup aparatu Limelight 399,00 USD (https://www.wcproducts.com/wcp-015) nie był w kartach. Pozyskując wszystkie materiały eksploatacyjne od Amazona i korzystając z drukarki 3D Team 3512 Spartatroniks, udało mi się zapakować niestandardowy system wizyjny za 150,00 USD. Niektóre elementy były dostarczane luzem, a zbudowanie drugiego koprocesora wymagałoby tylko kolejnego Raspberry Pi, kamery PI i wentylatora. Z pomocą CAD jednego z zespołów Mentorów (dziękujemy Matt) obudowa PI została stworzona przy użyciu Fusion 360.

Dlaczego po prostu nie użyć Pi z tanią obudową, podłączyć kamerę USB, dodać światło pierścieniowe, zainstalować Chameleon vision i gotowe, prawda? Cóż, chciałem więcej mocy i mniej kabli oraz współczynnik chłodu niestandardowego systemu.

Pi 4 używa 3 amperów, jeśli działa z pełnym otworem, to znaczy, jeśli wykorzystuje większość swoich portów, Wi-Fi i wyświetla wyświetlacz. Nie robimy tego w naszych robotach, ale porty USB w roboRIO https://www.ni.com/en-us/support/model.roborio.ht… są oceniane na 900 mA, moduł regulatora napięcia (VRM) 5 V dostarcza do 2 amperów szczytowo, 1,5 ampera limit, ale jest to wspólne złącze, więc jeśli inne urządzenie jest na szynie 5 woltów, istnieje możliwość wyłączenia zasilania. VRM dostarcza również 12 V przy 2 amperach, ale używamy obu połączeń do zasilania naszego radia za pomocą kabla POE i połączenia beczkowego w celu zapewnienia nadmiarowości. Niektórzy inspektorzy FRC nie zezwalają na podłączenie tam niczego poza tym, co jest wydrukowane na VRM. Tak więc 12 woltów z PDP na 5-amperowym wyłączniku to miejsce, w którym należy zasilać Pi.

12 V jest dostarczane przez wyłącznik 5 A na panelu dystrybucji zasilania (PDP), jest konwertowane na 5,15 V za pomocą konwertera LM2596 DC na DC. Przetwornica Buck dostarcza 5 woltów przy 3 amperach i utrzymuje regulację do 6,5 wolta na wejściu. Ta 5-woltowa magistrala dostarcza następnie zasilanie do 3 podsystemów, matrycy pierścieniowej LED, wentylatora, Raspberry Pi.

Kieszonkowe dzieci

• 6-pakowy konwerter LM2596 DC na DC Moduł obniżający napięcie zasilania 3,0-40V do 1,5-35V (6 sztuk) 11,25 USD
• Noctua NF-A4x10 5V, cichy wentylator Premium, 3-pinowy, wersja 5V (40x10mm, brązowy) 13,95 USD
• Karta SanDisk Ultra 32GB microSDHC UHS-I z adapterem - 98MB/s U1 A1 - SDSQUAR-032G-GN6MA $7.99
• Moduł kamery Raspberry Pi V2-8 megapikseli, 1080p 428.20
• Radiator GeeekPi Raspberry Pi 4, 20 sztuk aluminiowych radiatorów Raspberry Pi z taśmą termoprzewodzącą dla Raspberry Pi 4 Model B (płytka Raspberry Pi nie jest dołączona) $7.99
• Raspberry Pi 4 Model B 2019 Czterordzeniowy 64-bitowy WiFi Bluetooth (4 GB) 61,96 USD
• (Opakowanie 200 sztuk) Tranzystor 2N2222, Tranzystor 2N2222 do-92 NPN 40V 600mA 300MHz 625mW Przez otwór 2N2222A 6,79 USD
• EDGELEC 100 szt. Rezystor 100 omów 1/4 W (0,25 W) ± 1% Tolerancja Rezystor stały z metalową folią 5,69 USD https://smile.amazon.com/gp/product/B07QKDSCSM/re… Waycreat 100 szt. 5 mm zielone diody LED Jasne diody LED dla Lampy żarówkowe o wysokiej intensywności Super jasne oświetlenie Elementy elektroniczne Diody lamp $6,30
• J-B Weld Plastic Bonder 5,77 USD

Krok 1: Prototyp 1

Pierwszy test w opakowaniu:

Zespół miał Pi 3 z poprzedniego roku, który był dostępny do testów. Dodano kamerę pi, obwód DC-DC buck/boost i lampkę pierścieniową Andymark.https://www.andymark.com/products/led-ring-green.

W tym czasie nie brałem pod uwagę Pi 4, więc nie martwiłem się potrzebami zasilania. Zasilanie było dostarczane przez USB z roboRIO. Aparat pasuje do etui bez modyfikacji. Lampka pierścieniowa została przyklejona na gorąco do pokrywy obudowy i podłączona do płytki doładowania. Płytka doładowania podłączona do portów GPIO 2 i 6 na 5 woltów, a moc wyjściowa została dostosowana do 12 woltów, aby uruchomić pierścień. Wewnątrz obudowy nie było miejsca na płytę doładowania, więc była ona również przyklejona na gorąco na zewnątrz. Oprogramowanie zostało zainstalowane i przetestowane przy użyciu celów z roku gry 2019. Zespół programistów uniósł kciuki, więc zamówiliśmy Pi 4, radiatory i wentylator. A kiedy my tam byliśmy, zaprojektowano obudowę i wydrukowano w 3D.

Krok 2: Prototyp 2

Wymiary wewnętrzne obudowy były w porządku, ale lokalizacje portów zostały przesunięte, a nie korek pokazowy.

Zostało to ukończone tuż po ujawnieniu nowej gry, aby oprogramowanie mogło przetestować nowe lokalizacje docelowe.

Dobre i złe wieści. Moc pierścienia nie była wystarczająca, gdy byliśmy dalej niż 15 stóp od celu, więc czas na przemyślenie oświetlenia. Ponieważ konieczne były zmiany, uważam to urządzenie za prototyp 2.

Krok 3: Prototyp 3

Prototyp 2 został pozostawiony razem, aby oprogramowanie mogło dalej udoskonalać swój system. W międzyczasie znaleziono kolejne Pi 3 i skleiłem kolejne stanowisko testowe. Miała ona Pi3, kamerę USB Lifecam 3000 przylutowaną bezpośrednio do płyty, konwerter doładowania i ręcznie lutowaną matrycę diod.

Znowu dobre wieści, złe wieści. Tablica może oświetlić cel z odległości ponad 50 stóp, ale straci cel, jeśli kąt odchylenia będzie większy niż 22 stopnie. Dzięki tej informacji można było stworzyć ostateczny system.

Krok 4: Produkt końcowy

Prototyp 3 miał 6 diod oddalonych od siebie o około 60 stopni i skierowanych bezpośrednio do przodu.

Ostateczne zmiany polegały na dodaniu 8 diod rozmieszczonych co 45 stopni wokół obiektywu, z 4 diodami skierowanymi do przodu i 4 diodami nachylonymi o 10 stopni, co daje pole widzenia 44 stopnie. Pozwala to również na zamontowanie obudowy na robocie pionowo lub poziomo. Wydrukowano nową obudowę ze zmianami, aby pomieścić Pi 3 lub Pi 4. Zmodyfikowano lico obudowy dla poszczególnych diod.

Testy nie wykazały żadnych problemów z wydajnością między Pi 3 ani 4, więc otwory w obudowie zostały wykonane, aby umożliwić instalację któregokolwiek Pi. Usunięto tylne punkty mocowania, a także otwory wydechowe w górnej części kopuły. Korzystanie z Pi 3 jeszcze bardziej obniży koszty. Pi 3 działa chłodniej i zużywa mniej energii. W końcu zdecydowaliśmy się użyć PI 3 w celu obniżenia kosztów, a zespół oprogramowania chciał użyć kodu, który działałby na Pi 3, który nie został zaktualizowany dla Pi 4.

Zaimportuj STL do swojej krajalnicy drukarek 3D i gotowe. Ten plik jest w calach, więc jeśli masz fragmentator taki jak Cura, prawdopodobnie będziesz musiał przeskalować część do %2540, aby przekonwertować ją na metryczną. Jeśli masz Fusion 360, plik.f3d możesz zmodyfikować do własnych potrzeb. Chciałem dołączyć plik.step, ale instrukcje nie pozwolą na przesłanie plików.

Potrzebne podstawowe narzędzia:

• Narzędzia do ściągania izolacji
• Szczypce
• Lutownica
• Rurki termokurczliwe
• Nożyce do drutu
• Lut bezołowiowy
• Strumień
• Pomocne dłonie lub kleszcze
• Opalarka

Krok 5: Okablowanie macierzy diod

Uwaga dotycząca bezpieczeństwa:

LutownicaNigdy nie dotykaj elementu lutownicy….400°C!(750°F)

Trzymaj przewody do podgrzania pęsetą lub zaciskami.

Gąbkę czyszczącą należy utrzymywać w stanie wilgotnym podczas użytkowania.

Zawsze umieszczaj lutownicę na stojaku, gdy nie jest używana.

Nigdy nie kładź go na stole warsztatowym.

Wyłącz urządzenie i odłącz, gdy nie jest używane.

Lut, topnik i środki czyszczące

Nosić okulary ochronne.

Lut może „pluć”.

W miarę możliwości używaj lutów bez kalafonii i ołowiu.

Rozpuszczalniki czyszczące przechowywać w butelkach dozujących.

Zawsze myj ręce mydłem i wodą po lutowaniu.

Pracuj w dobrze wentylowanych pomieszczeniach.

OK, zabierajmy się do pracy:

Czoło obudowy zostało nadrukowane z otworami na diody pod kątem 0, 90, 180, 270 punktów pochylonych pod kątem 10 stopni na zewnątrz. Dołki o 45, 135, 225, 315 punktach są proste.

Umieść wszystkie diody w czole obudowy, aby sprawdzić rozmiar otworu 5 mm. Ścisłe dopasowanie pozwoli utrzymać diody skierowane pod odpowiednim kątem. Długim przewodem na diodzie jest anoda, do każdej diody przylutuj rezystor 100 omów. Przylutuj wyprowadzenia diody i rezystora zamykając się i zostawiając długi wyprowadzenie po drugiej stronie rezystora (patrz zdjęcia). Przetestuj każdą kombinację przed przejściem dalej. Bateria AA i 2 przewody pomiarowe będą słabo świecić diodę i sprawdzić, czy masz prawidłową polaryzację.

Umieść combo diody/rezystora z powrotem w obudowie i umieść przewody w zygzakowaty wzór, tak aby każdy przewód rezystora dotykał następnego rezystora, tworząc pierścień. Przylutuj wszystkie wyprowadzenia. Zmieszałbym trochę spoiny J-B Plastic Bonder (https://www.amazon.com/J-B-Weld-50133-Tan-1-Pack) i epoksydową kombinację diody/rezystora na miejscu. Rozważałem super klej, ale nie byłem pewien, czy cyjanoakrylan zaparuje soczewkę diody. Zrobiłem to pod koniec całego lutowania, ale żałuję, że nie zrobiłem tego tutaj, aby zmniejszyć frustrację, gdy diody nie trzymają się podczas lutowania. Żywica epoksydowa tworzy się w około 15 minut, więc jest to dobre miejsce na przerwę.

Teraz wszystkie przewody katodowe można lutować razem, tworząc pierścień - lub uziemiający. Dodaj 18 przewodów w kolorze czerwonym i czarnym do pierścienia diodowego. Przetestuj kompletną macierz za pomocą zasilacza 5 V, ładowarka USB dobrze się do tego nadaje.

Krok 6: Okablowanie Buck/Boost

Przed okablowaniem w konwerterze Buck będziemy musieli ustawić napięcie wyjściowe. Ponieważ używamy PDP do zasilania 12 woltów, podłączyłem bezpośrednio do portu PDP, zabezpieczonego przy 5 amperach. Podłącz woltomierz do wyjścia płytki i zacznij obracać potencjometr. Minie kilka tur, zanim zobaczysz zmianę, ponieważ płyta jest fabrycznie testowana do pełnej wydajności, a następnie pozostawiona przy tym ustawieniu. Ustaw na 5,15 wolta. Ustawiamy kilka miliwoltów wysoko, aby dopasować się do tego, czego Pi oczekuje od ładowarki USB i dowolnego ładowania linii z wentylatora i układu diod. (Podczas początkowych testów widzieliśmy uciążliwe wiadomości od Pi narzekającego na niskie napięcie magistrali. Wyszukiwanie w Internecie dało nam informację, że Pi spodziewa się więcej niż 5,0 woltów, ponieważ większość ładowarek wydaje nieco więcej, a typowy zasilacz dla Pi to ładowarka USB.)

Następnie musimy przygotować sprawę:

Konwerter złotówki i Pi są utrzymywane za pomocą 4-40 śrub maszynowych. Wiertło #43 jest idealne do tworzenia precyzyjnych otworów do podklejania 4-40 gwintów. Przytrzymaj konwerter Pi i buck do wsporników, zaznacz, a następnie wywierć wiertłem #43. Wysokość wystających pozwala na wystarczającą głębokość kopania bez przechodzenia przez plecy. Wybij otwory gwintownikiem 4-40. Śruby samogwintujące użyte w plastiku dobrze by się tutaj sprawdziły, ale miałem dostępne 4-40 śrub, więc tego właśnie użyłem. Śruby są potrzebne, aby umożliwić dostęp do karty SD (obudowa ta nie zapewnia zewnętrznego dostępu do karty).

Następny otwór do wywiercenia jest przeznaczony na kabel zasilający. Wybrałem punkt w dolnym rogu, aby biegł wzdłuż boku kabla Ethernet na zewnątrz i z boku, a następnie pod Pi wewnętrznie. Użyłem ekranowanego kabla 2-żyłowego, ponieważ jest to to, co miałem pod ręką, każda para przewodów o średnicy 14 będzie działać. Jeśli używasz pary przewodów bez płaszcza, umieść od 1 do 2 warstw termokurczliwych na przewodzie w miejscu, w którym wchodzi on do obudowy, w celu ochrony i odciążenia. Rozmiar otworu należy określić na podstawie wyboru drutu.

Teraz możesz przylutować przewody do linii wejściowych na przetworniku DC-DC. Połączenia są opisane na płytce. Czerwony przewód do in+ Czarny przewód do in-. Wychodząc z płytki przylutowałem 2 krótkie gołe przewody, aby działały jako słupek do związania wentylatora, Pi i tranzystora.

Krok 7: Ostateczne okablowanie i żywica epoksydowa

Tylko 4 połączenia są wykonane do Pi. Przewód taśmowy uziemienia, zasilania, sterowania diodami LED i interfejsu kamery.

3 piny użyte na Pi to 2, 6 i 12.

Przetnij czerwony, czarno-biały drut na 4 cale. Zdejmij 3/8 cala izolacji z obu końców przewodów, cynowych końców przewodów i cynowych kołków na Pi.

• Przylutuj czerwony drut do pinu GPIO 2 poślizg 1/2 cala rurki termokurczliwej, aby nagrzać.
• Przylutuj czarny drut do pinu GPIO 6 poślizg 1/2 cala rurki termokurczliwej poddaje ciepło.
• Przylutuj biały drut do pinu GPIO 12 poślizg 1/2 cala rurki termokurczliwej poddaje ciepło.
• Przylutuj czerwony drut, aby wyrzucić +
• Przylutuj czarny drut, aby wyrzucić-
• Dodaj 1 cal termokurczliwy do białego drutu i przylutuj do rezystora 100 omów i od rezystora do bazy tranzystora. Zaizoluj folią termokurczliwą.
• Emiter tranzystora do Bucka -
• Kolektor tranzystorowy po stronie katody układu diodowego
• Matryca diodowa Anoda/Rezystor do Buck +
• Wentylator czerwony przewód do wypinania +
• Wentylator czarny drut do wyrzucania-

Ostatnie połączenie:

Wciśnij kabel interfejsu kamery. Połączenie kablowe wykorzystuje złącze ZIF (Zero siły wkładania). Czarny pasek na górze złącza należy podnieść, kabel umieścić w gnieździe, a następnie wcisnąć złącze w dół, aby zablokować go na miejscu. Uważaj, aby nie zacisnąć kabla, ponieważ ślad w izolacji może pęknąć. Również złącze musi być włożone prosto w celu wyrównania kabla taśmowego ze stykami.

Sprawdź swoją pracę pod kątem zabłąkanych pasm drutu i kropelek lutowniczych, odetnij nadmiar długości na słupkach lutowniczych Buck.

Jeśli jesteś zadowolony ze swojej pracy, wentylator i kamerę można zaimpregnować na miejscu. Wystarczy kilka kropli w rogach.

Krok 8: Oprogramowanie

Podczas utwardzania żywicy epoksydowej możemy pobrać oprogramowanie na kartę SD. będziesz potrzebować adaptera karty SD do podłączenia do komputera (https://www.amazon.com/Reader-Laptop-Windows-Chrom….

Iść do:

www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/ i pobierz Raspbian Buster Lite. Aby sflashować kartę SD za pomocą raspbian, potrzebujesz innego narzędzia programowego BalenaEtcher, które można znaleźć tutaj, Żywica powinna być już wystarczająco utwardzona, aby można było zainstalować kartę SD i przykręcić płytkę buck/boost. Przed założeniem osłony sprawdź, czy żadne przewody nie stykają się z osłoną, a kabel kamery nie dotyka łopatek wentylatora. Po założeniu osłony dmucham na wentylator i patrzę, jak się porusza, aby upewnić się, że nie ma zakłóceń z przewodów lub kabla taśmowego.

Czas na zasilenie:

Przy pierwszym uruchomieniu potrzebny będzie kabel hdmi, jeśli Pi 4 kabel mini hdmi, klawiatura USB i monitor hdmi wraz z połączeniem internetowym. Przewód do zasilacza 12 V, PDP z wyłącznikiem 5 A.

Po zalogowaniu pierwszą rzeczą do zrobienia jest uruchomienie narzędzia konfiguracyjnego. Tutaj można ustawić SSH wraz z włączeniem kamery PI. https://www.raspberrypi.org/documentation/configu… zawiera instrukcje, które pomogą.

Uruchom ponownie przed zainstalowaniem Chameleon Vision

Odwiedź ich witrynę przed użyciem ich oprogramowania, mają mnóstwo informacji. Jedna uwaga, na ich obsługiwanej stronie sprzętu kamera Pi jest pokazana jako nieobsługiwana, ale jest z ich najnowszą wersją. Strona internetowa wymaga aktualizacji.

Ze strony internetowej Chameleon Vision:

Chameleon Vision może działać na większości systemów operacyjnych dostępnych dla Raspberry Pi. Zaleca się jednak zainstalowanie Rasbian Buster Lite, dostępnego tutajhttps://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/. Postępuj zgodnie z instrukcjami, aby zainstalować Raspbian na karcie SD.

Upewnij się, że Raspberry Pi jest połączone przez Ethernet z Internetem. Zaloguj się do Raspberry Pi (nazwa użytkownika pi i hasło raspberry) i uruchom w terminalu następujące polecenia:

$ wget https://git.io/JeDUk -O install.sh

$ chmod +x install.sh

$ sudo./install.sh

$ sudo zrestartuj teraz

Gratulacje! Twoje Raspberry Pi jest teraz skonfigurowane do uruchamiania Chameleon Vision! Po ponownym uruchomieniu Raspberry Pi, Chameleon Vision można uruchomić za pomocą następującego polecenia:

$ sudo java -jar chameleon-vision.jar

Gdy pojawi się nowa wersja Chameleon Vision, zaktualizuj ją, uruchamiając następujące polecenia:

$ wget https://git.io/JeDUL -O update.sh

$ chmod +x update.sh

$ sudo./update.sh

Sterowanie tablicą LED:

Twoja tablica LED nie zaświeci się bez kontroli oprogramowania

Pierwsza robotyka w tym roku ma zasadę przeciwko jasnym diodom LED, ale pozwoli na to, jeśli będzie można je wyłączać i włączać w razie potrzeby. Colin Gideon „SpookyWoogin”, FRC 3223, napisał skrypt Pythona do sterowania diodami LED, który można znaleźć tutaj:

github.com/frc3223/RPi-GPIO-Flash

Ten system będzie również uruchamiał wizję FRC, jeśli Twój zespół już zainwestował czas oprogramowania w tę platformę. Dzięki wizji FRC cała karta SD jest obrazowana, więc nie ma potrzeby pobierania raspbian. Pobierz tutaj

Dzięki temu otrzymasz system wizyjny w fajnej obudowie. Powodzenia na zawodach!

Drugie miejsce w konkursie Raspberry Pi 2020