Procesor videnia Raspberry PI (SpartaCam): 8 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Systém procesora videnia Raspberry PI pre vášho robota FIRST Robotics Competition

O PRVOM

Z Wikipédie, encyklopédie zadarmo

FIRST Robotics Competition (FRC) je medzinárodná súťaž robotiky na stredných školách. Tímy študentov stredných škôl, trénerov a mentorov každý rok počas šesťtýždňového obdobia pracujú na stavbe robotov na hranie hier, ktoré vážia až 54 kg. Roboti plnia úlohy, ako je napaľovanie loptičiek do bránok, lietanie kotúčov do bránok, duší na stojany, zavesenie na tyče a vyvažovanie robotov na kladinách. Hra sa spolu s požadovaným súborom úloh každoročne mení. Tímy síce majú k dispozícii štandardnú sadu náhradných dielov, ale majú aj rozpočet a sú vyzývaní, aby si kúpili alebo vyrobili špecializované diely.

Tohtoročná hra (2020) Nekonečné NABÍJANIE. Hra Infinite Recharge zahŕňa dve aliancie po troch tímoch, pričom každý tím ovláda robota a plní konkrétne úlohy na poli, aby získal body. Hra sa sústreďuje na futuristickú mestskú tému zahŕňajúcu dve aliancie pozostávajúce z troch tímov, z ktorých každý súťaží v plnení rôznych úloh, vrátane strieľania penových loptičiek známych ako Power Cells na vysoké a nízke ciele na aktiváciu generátora štítu, manipuláciu s ovládacím panelom na aktiváciu tohto štítu, a návrat do generátora štítu, aby na konci zápasu zaparkoval alebo vyliezol. Cieľom je energizovať a aktivovať štít pred koncom zápasu a asteroidy zasiahnuť FIRST City, futuristické mesto podľa vzoru Hviezdnych vojen.

Čo robí procesorový systém videnia Raspberry PI?

Kamera bude schopná skenovať hracie pole a cieľové miesta, kde sú dodané hracie figúrky alebo ktoré je potrebné umiestniť na bodovanie. Zostava má 2 pripojenia, napájanie a ethernet.

Zrakové ciele na ihrisku sú naznačené retro-reflexnou páskou a svetlo sa bude odrážať späť do objektívu fotoaparátu. Pi s otvoreným zdrojovým kódom od Chameleon Vision (https://chameleon-vision.readthedocs.io/en/latest/…) spracuje zobrazenie, zvýrazní ho, pridá prekrytia obrazu a výstupnú rozteč, vybočenie, obrys a polohu ako hodnoty poľa zoradené podľa x a y v metroch a uhly v stupňoch spolu s inými údajmi prostredníctvom sieťovej tabuľky. Tieto informácie budú použité v softvéri na ovládanie nášho robota v autonómnom režime, ako aj na zameranie a vystrelenie nášho strelca s vežou. Na Pi je možné spustiť ďalšie softvérové platformy. Víziu FRC je možné nainštalovať, ak váš tím do tejto platformy už investoval čas softvéru.

Náš rozpočet bol tento rok napätý a kúpa fotoaparátu Limelight za 399,00 dolárov (https://www.wcproducts.com/wcp-015) nebola na kartách. Získaním všetkého spotrebného materiálu od Amazonu a pomocou 3D tlačiarne Team 3512 Spartatroniks som dokázal zabaliť vlastný systém videnia za 150,00 dolárov. Niektoré položky prišli hromadne, vybudovanie druhého koprocesora by vyžadovalo iba ďalší Raspberry Pi, PI kameru a ventilátor. S pomocou CAD od jedného z tímov mentorov (ďakujem Matt) bol kryt PI vytvorený pomocou Fusion 360.

Prečo nepoužiť Pi s lacným krytom, zapojiť USB kameru, pridať kruhové svetlo, nainštalovať Chameleon víziu a hotovo, nie? Chcel som viac výkonu a menej káblov a chladiaci faktor vlastného systému.

Pi 4 používa 3 ampéry, ak beží v plnom prúde, teda ak používa väčšinu svojich portov, wifi a displej. Nerobíme to na našich robotoch, ale USB porty na roboRIO https://www.ni.com/en-us/support/model.roborio.ht… sú dimenzované na 900 ma, regulátor napätia modulárny (VRM)) 5 volty dodávajú špičku až 2 ampéry, limit 1,5 ampéra, ale je to zdieľaný konektor, takže ak je na 5 voltovej zbernici iné zariadenie, existuje možnosť vypnutia. VRM tiež dodáva 12 voltov pri 2 ampéroch, ale obe pripojenia používame na napájanie nášho rádia pomocou kábla POE a sudového pripojenia na redundanciu. Niektorí inšpektori FRC nedovolia tam zapojiť nič iné ako to, čo je vytlačené na VRM. Takže 12 voltov z PDP na 5 -ampérovom ističi je miesto, kde je potrebné napájať Pi.

12 voltov je napájaných 5 -ističovým ističom na paneli distribúcie energie (PDP) a je konvertovaný na 5,15 voltov pomocou prevodníka LM2596 DC to DC Buck Converter. Konvertor Buck dodáva 5 voltov pri 3 ampéroch a zostáva v regulácii až do vstupu 6,5 voltov. Táto 5 -voltová zbernica potom poskytuje napájanie 3 subsystémom, LED kruhovému poľu, ventilátoru, Raspberry Pi.

Zásoby

• 6-dielny konvertor buck LM2596 na jednosmerný prúd z DC na DC 3,0-40 V až 1,5-35 V (6 balení) za 11,25 USD
• Noctua NF-A4x10 5V, tichý ventilátor Premium, 3-kolíkový, 5V verzia (40x10mm, hnedá) 13,95 dolárov
• Karta SanDisk Ultra 32 GB microSDHC UHS-I s adaptérom-98 MB/s U1 A1-SDSQUAR-032G-GN6MA 7,99 dolárov
• Modul kamery Raspberry Pi V2-8 megapixelov, 1080p 428,20
• Chladič GeeekPi Raspberry Pi 4, hliníkové chladiče Raspberry Pi 20PCS s tepelne vodivou lepiacou páskou pre Raspberry Pi 4 Model B (doska Raspberry Pi nie je súčasťou dodávky) 7,99 $
• Raspberry Pi 4 Model B 2019 Quad Core 64 Bit WiFi Bluetooth (4 GB) 61,96 dolárov
• (Balenie 200 kusov) Tranzistor 2N2222, tranzistor 2N2222 až 92 NPN 40V 600mA 300MHz 625mW dierou 2N2222A 6,79 dolárov
• EDGELEC 100ks 100 ohmový rezistor 1/4w (0,25 W) ± 1% tolerancia Pevný kovový filmový odpor 5,69 $ https://smile.amazon.com/gp/product/B07QKDSCSM/re… Waycreat 100PCS 5mm zelená LED dióda svieti jasne emitujúcimi LED diódami pre Žiarivky s vysokou svietivosťou a vysokým jasom Elektronické súčiastky Diódy žiarovky 6,30 dolárov
• J-B Weld Plastic Bonder 5,77 dolárov

Krok 1: Prototyp 1

Prvý test v balení:

Tím mal Pi 3 z predchádzajúceho roka, ktorý bol k dispozícii na testovanie. Bola pridaná pí kamera, DC-DC buck/boost obvod a kruhové svetlo Andymark.

V tejto dobe som neuvažoval o Pi 4, takže som sa nebál o napájacie potreby. Napájanie bolo dodávané cez USB z roboRIO. Kamera sa zmestila do puzdra bez úprav. Prstencové svetlo bolo za tepla prilepené k krytu puzdra a zapojené do posilňovacej dosky. Doska boostu sa zapojila do portov GPIO 2 a 6 na 5 voltov a výstup sa upravil až na 12 voltov, aby sa spustil kruh. Vnútri skrinky nebol priestor na posilňovaciu dosku, takže bol tiež za tepla prilepený zvonku. Softvér bol nainštalovaný a testovaný pomocou cieľov z herného roku 2019. Softvérový tím zdvihol palec hore, a tak sme si objednali Pi 4, chladiče a ventilátor. A keď sme tam boli, bola ohrada navrhnutá a vytlačená 3D.

Krok 2: Prototyp 2

Vnútorné rozmery krytu boli v poriadku, ale umiestnenia portov boli odsadené, nie ako zátka.

Toto bolo dokončené tesne po odhalení novej hry, aby softvér mohol testovať proti novým cieľovým miestam.

Dobré správy a zlé správy. Prstencový svetelný výkon nebol dostačujúci, keď sme boli viac ako 15 stôp od cieľa, takže je čas premyslieť osvetlenie. Pretože boli potrebné zmeny, považujem tento agregát za prototyp 2.

Krok 3: Prototyp 3

Prototyp 2 bol ponechaný pohromade, aby softvér mohol pokračovať v zdokonaľovaní ich systému. Medzitým sa našiel ďalší Pi 3 a ja som dláždil ďalšie testovacie lôžko. Mal to Pi3, USB lifecam 3000 priamo spájkovaný s doskou, zosilňovač a ručne spájkované diódové pole.

Opäť dobré správy, zlé správy. Pole by mohlo rozsvietiť cieľ zo vzdialenosti 50+stôp, ale stratilo by cieľ, ak by bol mimo uhol väčší ako 22 stupňov. S touto informáciou by mohol byť vytvorený konečný systém.

Krok 4: Konečný produkt

Prototyp 3 mal 6 diód vzdialených približne 60 stupňov a smerujúcich priamo pred seba.

Poslednými zmenami bolo pridanie 8 diód rozmiestnených 45 stupňov od seba okolo šošovky so 4 diódami otočenými dopredu a 4 diódami vyklopenými o 10 stupňov, čo poskytuje zorné pole 44 stupňov. To tiež umožňuje, aby bol kryt na robota namontovaný buď vertikálne alebo horizontálne. Vytlačil sa nový kryt so zmenami tak, aby vyhovovali Pi 3 alebo Pi 4. Predná časť krytu bola upravená pre jednotlivé diódy.

Testovanie nepreukázalo žiadne problémy s výkonom medzi Pi 3 ani 4, takže boli urobené otvory v kryte, aby bolo možné nainštalovať buď Pi. Boli odstránené body zadného uchytenia, ako aj výfukové otvory v hornej časti kupoly. Používanie Pi 3 ďalej zníži náklady. Pi 3 beží chladnejšie a spotrebúva menej energie. Nakoniec sme sa rozhodli použiť PI 3 na úsporu nákladov a softvérový tím chcel použiť nejaký kód, ktorý by bežal na Pi 3, ktorý nebol aktualizovaný pre Pi 4.

Importujte STL do krájača na 3D tlačiarne a môžete ísť. Tento súbor je v palcoch, takže ak máte krájač ako Cura, pravdepodobne budete musieť časť zmeniť na %2540, aby ste ho mohli previesť na metrické hodnoty. Ak máte Fusion 360, súbor.f3d je možné upraviť podľa vlastných potrieb. Chcel som zahrnúť súbor.step, ale inštrukcie neumožňujú nahrávanie súborov.

Potrebné základné nástroje:

• Odizolovače drôtov
• Kliešte
• Spájkovačka
• Teplom zmrštiteľné hadičky
• Strihač káblov
• Bezolovnatá spájka
• Flux
• Pomocné ruky alebo kliešte
• Tepelná pištoľ

Krok 5: Zapojenie diódového poľa

Bezpečnostné upozornenie:

Spájkovačka Nikdy sa nedotýkajte prvku spájkovačky….400 ° C! (750 ° F)

Drôty, ktoré sa majú ohrievať, držte pinzetou alebo svorkami.

Počas používania udržujte čistiacu špongiu mokrú.

Pokiaľ spájkovačku nepoužívate, vždy ju vráťte na stojan.

Nikdy ju nedávajte na pracovný stôl.

Keď zariadenie nepoužívate, vypnite ho a odpojte od siete.

Spájka, tavidlo a čistiace prostriedky

Noste ochranu očí

Spájka môže „pľuvať“.

Všade, kde je to možné, používajte bezolovnaté a bezolovnaté spájky.

Čistiace rozpúšťadlá uchovávajte v dávkovacích fľašiach.

Po spájkovaní si vždy umyte ruky mydlom a vodou.

Pracujte v dobre vetraných priestoroch.

Dobre, poďme do práce:

Na prednú stranu krytu boli vytlačené diódy s diódami 0, 90, 180, 270 bodov a sú prevýšené o 10 stupňov von. Otvory v 45, 135, 225, 315 bodoch sú rovné.

Umiestnite všetky diódy do čela krytu a overte veľkosť otvoru 5 mm. Pevné uchytenie zaistí, že diódy budú smerovať do správneho uhla. Dlhým vodičom na dióde je anóda, ku každej dióde spájkujte odpor 100 ohmov. Spájkovacie vodiče diódy a odporu sa zatvoria a ponechajú dlhý vodič na druhej strane rezistora (pozri fotografie). Pred pokračovaním vyskúšajte každé kombo. Batéria AA a 2 testovacie káble diódu slabo osvetlia a overia, či máte správnu polaritu.

Kombinované diódy/rezistory vložte späť do krytu a vodiče umiestnite cik-cak, aby sa každý vodič rezistora dotkol ďalšieho rezistora a vytvoril krúžok. Spájkujte všetky zvody. Namiešal by som nejaký J-B zvarový plastový spojovač (https://www.amazon.com/J-B-Weld-50133-Tan-1-Pack) a epoxidovo kombinoval diódu/odpor na mieste. Uvažoval som o super lepidle, ale nebol som si istý, či kyanoakrylát zahmlí diódovú šošovku. Urobil som to na konci celého spájkovania, ale prial by som si, aby som to urobil tu, aby som znížil frustráciu, keď diódy počas spájkovania nebudú držať na svojom mieste. Epoxid sa pripraví asi za 15 minút, takže je to dobré miesto na prestávku.

Teraz je možné všetky katódové zvody spájkovať dohromady a vytvoriť tak - alebo uzemňovací krúžok. Pridajte k diódovému krúžku červené a čierne vodiče 18. Vyskúšajte kompletné pole pomocou 5 -voltového zdroja napájania, na to slúži USB nabíjačka.

Krok 6: Zapojenie/zosilnenie zapojenia

Pred zapojením do prevodníka Buck budeme potrebovať nastaviť výstupné napätie. Pretože pomocou PDP napájame 12 voltov, zapojil som ich priamo do portu PDP, poisteného pri 5 ampéroch. Pripojte voltmetr k výstupu dosky a začnite otáčať potenciometrom. Bude to trvať niekoľko otáčok, kým uvidíte zmenu, pretože doska je od výroby testovaná na plný výkon a potom ponechaná pri tomto nastavení. Nastavte na 5,15 voltov. Nastavujeme niekoľko milivoltov vysoko, aby zodpovedali tomu, čo Pi očakáva od nabíjačky USB a akéhokoľvek načítania linky z poľa ventilátorov a diód. (Počas počiatočného testovania sme videli nepríjemné správy od Pi, ktoré sa sťažovali na nízke napätie zbernice. Internetové vyhľadávanie nám poskytlo informácie, že Pi očakáva viac ako 5,0 voltov, pretože väčšina nabíjačiek vydáva o niečo viac a typický zdroj napájania pre Pi je USB nabíjačka.)

Ďalej musíme pripraviť prípad:

Konvertor dolára a Pi sa držia 4 až 40 skrutiek do stroja. Vrták #43 je ideálny na vytváranie presných otvorov na lepenie 4–40 závitov. Držte prevodník Pi a Buck na stojane, označte ho a potom vŕtajte vrtákom #43. Výška stojok umožňuje dostatočnú hĺbku kôpru bez toho, aby ste museli úplne prechádzať po chrbte. Klepnite na otvory slepým poklepaním 4-40. Samorezné skrutky používané v plastoch by tu fungovali dobre, ale mal som k dispozícii 4-40 skrutiek, takže som to použil. Na prístup na kartu SD sú potrebné skrutky (s týmto krytom nie je zabezpečený žiadny externý prístup na kartu).

Ďalší otvor na vyvŕtanie je pre váš napájací kábel. V dolnom rohu som vybral bod, aby viedol externe po strane ethernetového kábla a interne pod Pi a potom pod ním. Použil som tienený 2 -žilový kábel, ktorý som mal po ruke. Každý pár vodičov s rozmerom 14 metrov bude fungovať. Ak používate pár plášťov bez plášťa, naneste 1 až 2 vrstvy tepelne zmrštiteľného drôtu na miesto, kde vstupuje do vášho krytu, kvôli ochrane a odľahčeniu napätia. Veľkosť otvoru sa určí podľa vášho výberu drôtu.

Teraz môžete vodiče spájkovať so vstupnými vedeniami prevodníka DC-DC. Pripojenia sú označené na doske. Červený vodič na vstup+ Čierny vodič na vstup. Vychádzajúc z dosky som spájkoval 2 krátke holé vodiče, ktoré slúžili ako drôtený stĺpik na uviazanie vo ventilátore, Pi a tranzistore.

Krok 7: Konečné zapojenie a epoxid

K pí sa uskutočnia iba 4 pripojenia. Plochý kábel uzemnenia, napájania, ovládania LED a rozhrania kamery.

Tri kolíky použité na Pi sú 2, 6 a 12.

Odrežte červený, čierny a biely drôt na 4 palce. Odizolujte 3/8 palca izolácie z oboch koncov drôtov, cínových koncov drôtov a cínových kolíkov na Pi.

• Spájkujte červený drôt na kolík GPIO 2 skĺznutím 1/2 palca zmršťovacej trubice aplikujte teplo.
• Spájkujte čierny drôt na kolík GPIO 6 skĺznutím 1/2 palca zmršťovacej trubice a zahrejte.
• Spájkujte biely drôt na kolík GPIO 12 sklznej 1/2 palca zmršťovacej trubice, aby sa zahrial.
• Spájajte červený drôt+
• Spájkujte čierny drôt na vypnutie-
• Pridajte 1 palcový tepelne zmrštiteľný biely vodič a spájku k odporu 100 ohmov a od rezistora k tranzistorovej základni. Izolujte zmršťovaním za tepla.
• Tranzistorový vysielač do Bucku -
• Tranzistorový kolektor na katódovej strane diódového poľa
• Anóda/rezistor diódy na Buck +
• Ventilátor červený drôt na vypnutie+
• Vyfúknite čierny drôt ventilátorom-

Posledné pripojenie:

Zatlačte kábel rozhrania kamery. Káblové pripojenie používa konektor zif (nulová vkladacia sila). Čierny pásik na vrchu konektora je potrebné zdvihnúť, kábel zasunutý do zásuvky a konektor zasunúť nadol, aby sa zaistil na svojom mieste. Dávajte pozor, aby ste kábel neohýbali, pretože by sa mohla prerušiť stopa v izolácii. Tiež je potrebné vložiť konektor rovno, aby sa vyrovnal plochý kábel s pinmi.

Skontrolujte, či vo vašej práci nie sú uvoľnené pramene drôtov a spájkovacie špajle, zastrihnite nadbytočnú dĺžku na stĺpikoch spájky.

Ak ste so svojou prácou spokojní, ventilátor a fotoaparát je možné epoxidovať na mieste. Stačí pár kvapiek v rohoch.

Krok 8: Softvér

Počas vytvrdzovania epoxidu nechajte dostať softvér na kartu SD. na pripojenie k počítaču budete potrebovať adaptér karty SD (https://www.amazon.com/Reader-Laptop-Windows-Chrom….

Ísť do:

www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/ a stiahnite si Raspbian Buster Lite. Na flashovanie karty SD pomocou raspbian budete potrebovať ďalší softvérový nástroj BalenaEtcher a nájdete ho tu, Epoxid by už mal byť dostatočne vytvrdený, aby ste mohli nainštalovať kartu SD a zaskrutkovať dosku/podpornú dosku. Pred nasadením krytu skontrolujte, či sa káblu fotoaparátu nedotýkajú žiadne káble a či sa kábel fotoaparátu nedotýka lopatiek ventilátora. Keď je kryt nasadený, sfúknem ventilátor a sledujem, ako sa pohybuje, aby som sa ubezpečil, že nedochádza k rušeniu vodičov ani plochého kábla.

Čas na zapnutie:

Pri prvom zapnutí budete potrebovať HDMI kábel, ak Pi 4 mini HDMI kábel, USB klávesnicu a HDMI monitor spolu s pripojením na internet. Pripojte k 12 V napájaciemu zdroju PDP s 5 A ističom.

Po prihlásení musíte najskôr spustiť konfiguračný nástroj. Tu je možné nastaviť SSH spolu s povolením PI kamery. https://www.raspberrypi.org/documentation/configur… obsahuje pokyny, ktoré vám pomôžu.

Pred inštaláciou Chameleon Vision reštartujte počítač

Pred použitím ich softvéru navštívte ich stránky, majú množstvo informácií. Jedna poznámka, na ich stránke podporovaného hardvéru je kamera Pi zobrazená ako nepodporovaná, ale je to v ich najnovšom vydaní. Webovú stránku je potrebné aktualizovať.

Z webovej stránky Chameleon vision:

Chameleon Vision môže bežať na väčšine operačných systémov dostupných pre Raspberry Pi. Odporúča sa však nainštalovať Rasbian Buster Lite, dostupný tu https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/. Pri inštalácii Raspbian na kartu SD postupujte podľa týchto pokynov.

Zaistite, aby bol Raspberry Pi pripojený k internetu cez ethernet. Prihláste sa do Raspberry Pi (používateľské meno pi a heslo malina) a spustite na termináli nasledujúce príkazy:

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

$ chmod +x install.sh

$ sudo./install.sh

$ sudo reštartujte teraz

Gratulujem Váš Raspberry Pi je teraz nastavený na spustenie Chameleon Vision! Akonáhle sa Raspberry Pi reštartuje, Chameleon Vision je možné spustiť nasledujúcim príkazom:

$ sudo java -jar chameleon -vision.jar

Po vydaní novej verzie Chameleon Vision ju aktualizujte spustením nasledujúcich príkazov:

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

$ chmod +x update.sh

$ sudo./update.sh

LED ovládanie poľa:

Vaše pole LED sa nerozsvieti bez ovládania softvéru

Prvá robotika v tomto roku má pravidlo proti jasným LED svetlám, ale umožní im to, ak ich možno podľa potreby vypnúť a zapnúť. Colin Gideon „SpookyWoogin“, FRC 3223, napísal skript Pythonu na ovládanie LED diód a nájdete ho tu:

github.com/frc3223/RPi-GPIO-Flash

Tento systém tiež spustí víziu FRC, ak váš tím do tejto platformy už investoval čas softvéru. Vďaka videniu FRC je zobrazená kompletná karta SD, takže nie je potrebné sťahovať raspbian. Získajte ho tu

Vďaka tomu získate zrakový systém v chladnej forme. Veľa šťastia v súťažiach!

Druhé miesto v súťaži Raspberry Pi Contest 2020