Łazik Heveliusz

[adrianjanisze]

35 minut temu, Kogut007 napisał:

Nie widzę większego sensu wprowadzania obowiązkowego sztucznego opóżnienia. Na poligonie powinno się testować wszystko: ramę nośną, podwozie, napęd, zasilanie - chociażby celem testów pokonywania terenu (poligon powinien być urozmaicony), rozpoznawanie i omijanie przeszkód (dziury, rowy, krzaki, wzniesienia itp) - tu przyda się sterowanie w czasie rzeczywistym. Opóżnienie to już utrudnienie dla algorytmu - zaczynamy mówić o podejmowaniu decyzji przez algorytm - a podobno ma to być poligon dla początkujących. Tworzenie takich algorytmów wymaga sprawnej mechaniki - najlepszy algorytm nie zda się na nic, jeśli łazik zostanie unieruchomiony. Poza tym wprowadzenie opóżnienia to najprostsza sprawa - wystarczy po prostu nie używać joysticka.  

Zgadzam się z Tobą, że poligon powinien przede wszystkim pozwalać przetestować samą konstrukcję – ramę, podwozie, napęd, zasilanie i oczywiście pokonywanie różnego rodzaju przeszkód. I dokładnie takie jest założenie. Nie chcemy jednak, żeby 5-sekundowe opóźnienie uniemożliwiało tego typu testy.

W każdym trybie pracy obowiązuje jednak 5-sekundowe opóźnienie transmisji. Jest to świadomy element całego systemu i chcemy, aby użytkownik od początku musiał uwzględniać fakt, że reakcja łazika na jego polecenie nie jest natychmiastowa.

Jednocześnie trzeba zwrócić uwagę na jedną rzecz: łazik nie będzie samochodem RC. Zakładana prędkość to około 50 cm/min, czyli około 15 m/h. Przy takiej prędkości 5 sekund opóźnienia oznacza przejechanie przez łazika około 4 cm. Nie mamy więc sytuacji, w której robot przy dużej prędkości w ciągu kilku sekund przejeżdża kilkadziesiąt metrów.

Dlatego naszym zdaniem takie opóźnienie nie przekreśla możliwości ręcznego sterowania. Po prostu wymusza trochę inny sposób prowadzenia łazika – operator musi przewidywać jego reakcję, zamiast reagować na nią w czasie rzeczywistym.

Chcemy udostępnić dwa podstawowe sposoby sterowania:

Joystick – użytkownik może cały czas ręcznie sterować łazikiem. Jest to rozwiązanie przede wszystkim do trudniejszych sytuacji: pokonywania przeszkód, ciasnych manewrów, podjazdów czy miejsc, gdzie potrzebna jest decyzja operatora.

Planer trasy – użytkownik może wcześniej zaplanować serię prostych ruchów, np. przejazd określonego odcinka, skręt, kolejny przejazd itd. Polecenia są następnie wykonywane przez łazika, oczywiście również z zachowaniem 5-sekundowego opóźnienia komunikacyjnego.

I właśnie tutaj widzimy ciekawy aspekt edukacyjny. Przy prędkości około 50 cm/min nie zawsze ma sens siedzenie przy joysticku i przez godzinę obserwowanie, jak łazik pokonuje kilkanaście metrów.

Można zaplanować prosty odcinek trasy, wysłać polecenia i wrócić np. po godzinie, żeby sprawdzić, gdzie łazik się znajduje, czy wykonał zadanie, jaki ma poziom baterii, jakie dane zebrał itd.

Natomiast trudniejsze fragmenty – pokonywanie przeszkód, ciasne manewry czy sytuacje wymagające bieżącej oceny – nadal można wykonywać ręcznie za pomocą joysticka, tylko trzeba uwzględniać 5-sekundowe opóźnienie.

[Kogut007]

Gdybyś jeszcze podał szacunkowe rozmiary łazika - w zależności od nich i wymiarów poligonu 50 cm/min może być prędkością dużą lub małą. Poza tym trudno przeskalowywać poligon - sama nazwa wskazuje, że ma to być kawałek naturalnego terenu

[adrianjanisze]

25 minut temu, Kogut007 napisał:

Gdybyś jeszcze podał szacunkowe rozmiary łazika - w zależności od nich i wymiarów poligonu 50 cm/min może być prędkością dużą lub małą. Poza tym trudno przeskalowywać poligon - sama nazwa wskazuje, że ma to być kawałek naturalnego terenu

Aktualny prototyp, który chcemy wdrożyć, ma wymiary około 40 × 40 cm i wysokość około 25 cm. Oczywiście są to wymiary pierwszej wersji i w przyszłości mogą się zmieniać w zależności od tego, jakie rozwiązania będziemy chcieli testować.

 

Co do samego skalowania poligonu – tutaj nie do końca się z Tobą zgodzę. Oczywiście naturalny teren ma swoje ograniczenia i nie chcemy tworzyć sztucznego toru przeszkód rodem z zawodów RC. Natomiast nawet stosunkowo płaski teren można niewielkim nakładem pracy bardzo mocno urozmaicić.

Można przygotować górki, zagłębienia, rowy, niewielkie wzniesienia, tunele czy fragmenty bardziej kamienistego terenu. Dla łazika o wymiarach 40 × 40 cm przeszkoda, która dla człowieka jest niewielką nierównością terenu, może już stanowić całkiem konkretne wyzwanie.

I właśnie zależy nam na tym, żeby poligon można było z czasem modyfikować i rozbudowywać, a nie żeby od początku był ogromnym, idealnie przygotowanym obiektem.

W praktyce największym ograniczeniem wielkości poligonu nie będzie więc sama możliwość przygotowania terenu, ale zasięg komunikacji łazika ze światem zewnętrznym

[Kogut007]

Co do wymiarów poligonu - to problem utrzymania go może wyznaczyć jego wymiary, a także wymiary łazika. Rosliny rosną i codziennie zmieniają charakterystykę terenu. Modyfikacja terenu np maszynami rolniczymi pozwoli szybko modyfikować jego charakterystykę, ale też szybko będzię się ona zmieniać. Deszcz, wiatr, słońce też zmienią charakterystykę. Niestety, im mniejsza maszyna, tym bardziej wrażliwa na teren. Na przykład czołgowiskami nikt się nie przejmuje w tym zakresie, aleczołgi są o wiele większe.  

[Sylba]

7 godzin temu, adrianjanisze napisał:

Aktualny prototyp, który chcemy wdrożyć, ma wymiary około 40 × 40 cm i wysokość około 25 cm. Oczywiście są to wymiary pierwszej wersji i w przyszłości mogą się zmieniać w zależności od tego, jakie rozwiązania będziemy chcieli testować.

 

8 godzin temu, adrianjanisze napisał:

Zakładana prędkość to około 50 cm/min, czyli około 15 m/h.

Chciałbym się odnieść do przyjętych założeń:

- napęd elektryczny
- zasilanie z baterii (kumulatorów) ładowanych ogniwani słonecznymi
- prędkość 15 m/h
- wymiary 40 x 40 xm
- jazda w terenie przygodnym
- wielodniowy tryb pracy
- komunikacja wifi
- cena łazika około 1000 pln

Założenia projektu wydają się dość senowne za wyjątkiem żółwiej prędkości 15 m/h. Poniżej moje propozycje rozwiązań łazika spełniające założenia.

Napęd:

• 4x4 każde koło napędzane odrębnym silnikiem - 4x Silnik DC klasy 37D z metalową przekładnią planetarną 50:1 lub 70:1. Sterowanie burtowe.
• Koła terenowe RC o średnicy 120-130 mm szerokości 50-60 mm
• Akumulatory Li-Ion 18650 3S4P lub LiFePO4 12V około 10Ah
• Sterowni silników 2 x mostek H IBT

Układ zasilania solarnego i ładowania

• Zasilanie panel fotowoltaiczny ETFE 30W
• Przetwornica step-down XL4015 z regulacją napięcia i prądu do ładowania akumulatorów
• Moduł BMS 3S 40A zabezpieczający przed przeładowaniem
• Przetwornica step-down LM2596 do zasilania ESP32

Układ sterowania

• NodeMCU ESP32 (wersja ESP-WROOM-32)

Komunikacja WiFi

• Generuje spore zapotrzebowanie na prąd i ma ograniczony zasięg. Warto rozważyć alternatywę w postaci modułów radiowych LoRa lub klasycznego nadajnika RC (2.4 GHz), a Wi-Fi zostawić tylko do transmisji wideo.

Konstrukcja

• profile lub rurki aluminiowe
• elementy drukowane 3D

Spodziewane parametry

• Szacowana masa 3,5 kg
• Szacowana prędkość jazdy 1,5-2,5 km/h w zależności od przekłądni silników oraz warunków terenowych
• Tryb pracy/ładowania baterii w miesiącach letnich 10/6 h z ewentualnie przerwanmi na doładowanie
• Tryb pracy wiosenno jesienny czas ładowania ok 2-4 godziny, jazda z przerwami na doładowanie

Nakłady

• 600 - 900 pln w zależności od zastsowanych części

[Sylba]

W uzupełnieniu poprzedniego postu kilka linków do podobnych funkcjonujacych projektów:

Projekt NASA Open Source Rover (OSR)

3D print your own Mars rover with ExoMy

Papaya Pathfinder

[adrianjanisze]

19 godzin temu, Kogut007 napisał:

Co do wymiarów poligonu - to problem utrzymania go może wyznaczyć jego wymiary, a także wymiary łazika. Rosliny rosną i codziennie zmieniają charakterystykę terenu. Modyfikacja terenu np maszynami rolniczymi pozwoli szybko modyfikować jego charakterystykę, ale też szybko będzię się ona zmieniać. Deszcz, wiatr, słońce też zmienią charakterystykę. Niestety, im mniejsza maszyna, tym bardziej wrażliwa na teren. Na przykład czołgowiskami nikt się nie przejmuje w tym zakresie, aleczołgi są o wiele większe.  

Zgadzam się – właśnie dlatego w pierwszym etapie chcemy podejść do przygotowania poligonu trochę inaczej.

Pierwsza część poligonu będzie miała przygotowane, kamieniste podłoże i będzie w dużej mierze pozbawiona roślinności.

Jeśli chodzi o deszcz, to właśnie nie chcemy go eliminować. Będzie on naturalnym elementem testów. Łazik ma radzić sobie nie tylko w idealnych warunkach, ale również wtedy, gdy teren jest mokry, bardziej śliski czy trudniejszy do pokonania. Dzięki temu będziemy mogli sprawdzić, jak konstrukcja i system sterowania radzą sobie w rzeczywistych, zmiennych warunkach.

[adrianjanisze]

11 godzin temu, Sylba napisał:

 

Chciałbym się odnieść do przyjętych założeń:

- napęd elektryczny
- zasilanie z baterii (kumulatorów) ładowanych ogniwani słonecznymi
- prędkość 15 m/h
- wymiary 40 x 40 xm
- jazda w terenie przygodnym
- wielodniowy tryb pracy
- komunikacja wifi
- cena łazika około 1000 pln

Założenia projektu wydają się dość senowne za wyjątkiem żółwiej prędkości 15 m/h. Poniżej moje propozycje rozwiązań łazika spełniające założenia.

Napęd:

• 4x4 każde koło napędzane odrębnym silnikiem - 4x Silnik DC klasy 37D z metalową przekładnią planetarną 50:1 lub 70:1. Sterowanie burtowe.
• Koła terenowe RC o średnicy 120-130 mm szerokości 50-60 mm
• Akumulatory Li-Ion 18650 3S4P lub LiFePO4 12V około 10Ah
• Sterowni silników 2 x mostek H IBT

Układ zasilania solarnego i ładowania

• Zasilanie panel fotowoltaiczny ETFE 30W
• Przetwornica step-down XL4015 z regulacją napięcia i prądu do ładowania akumulatorów
• Moduł BMS 3S 40A zabezpieczający przed przeładowaniem
• Przetwornica step-down LM2596 do zasilania ESP32

Układ sterowania

• NodeMCU ESP32 (wersja ESP-WROOM-32)

Komunikacja WiFi

• Generuje spore zapotrzebowanie na prąd i ma ograniczony zasięg. Warto rozważyć alternatywę w postaci modułów radiowych LoRa lub klasycznego nadajnika RC (2.4 GHz), a Wi-Fi zostawić tylko do transmisji wideo.

Konstrukcja

• profile lub rurki aluminiowe
• elementy drukowane 3D

Spodziewane parametry

• Szacowana masa 3,5 kg
• Szacowana prędkość jazdy 1,5-2,5 km/h w zależności od przekłądni silników oraz warunków terenowych
• Tryb pracy/ładowania baterii w miesiącach letnich 10/6 h z ewentualnie przerwanmi na doładowanie
• Tryb pracy wiosenno jesienny czas ładowania ok 2-4 godziny, jazda z przerwami na doładowanie

Nakłady

• 600 - 900 pln w zależności od zastsowanych części

Dzięki za przygotowanie tak szczegółowej propozycji. Na pewno część przedstawionych przez Ciebie rozwiązań może być przydatna, natomiast chciałbym odnieść się do kilku kwestii, ponieważ projekt jest przez nas rozwijany już od kilku lat i część z tych problemów była przez nas wcześniej analizowana i testowana.

Najważniejsze pytania, które pojawiają się przy zaproponowanej konfiguracji, dotyczą przede wszystkim bilansu energetycznego, komunikacji oraz integracji poszczególnych elementów w jeden system.

1. ESP32 i zużycie energii

Przy założeniu, że łazik ma pracować przez co najmniej kilkanaście, a docelowo nawet około 20 dni bez konieczności ręcznego ładowania, klasyczny NodeMCU ESP32 nie jest dla nas najlepszym rozwiązaniem. Problemem nie jest samo działanie ESP32, ale jego pobór energii w stosunku do przyjętego sposobu pracy całego systemu.

Dlatego zamiast stosować gotowy moduł NodeMCU, opracowaliśmy własny układ, w którym zastosowaliśmy dwa poziomy zarządzania elektroniką. W stanie niskiego napięcia lub ograniczonej dostępności energii system przechodzi w tryb oszczędzania energii, a podstawowe funkcje są obsługiwane przez energooszczędny mikrokontroler z rodziny ATmega. Dopiero w momencie aktywności uruchamiany jest bardziej wymagający procesor odpowiedzialny za komunikację i pozostałe funkcje.

Dzięki temu nie musimy utrzymywać cały czas aktywnego, bardziej prądożernego procesora.

2. Komunikacja z platformą

Drugą kwestią jest komunikacja. Sam ESP32 daje możliwość komunikacji Wi-Fi, ale w naszym przypadku nie chodzi wyłącznie o przesłanie prostych danych z czujników. Łazik musi komunikować się z naszą platformą, odbierać polecenia, przesyłać telemetrię, a docelowo również dane multimedialne.

Dlatego nie chcieliśmy budować systemu wyłącznie na gotowych modułach komunikacyjnych. Opracowaliśmy własny sterownik i sposób komunikacji z platformą, dzięki czemu łazik jest częścią większego systemu, a nie niezależnym robotem sterowanym przez przypadkowo dobrany moduł Wi-Fi.

3. Panel fotowoltaiczny

Przy proponowanych przez Ciebie wymiarach panel 30 W rzeczywiście może być problematyczny, jeżeli ma znajdować się wyłącznie na powierzchni łazika.

My od początku projektowaliśmy jednak panel jako integralną część konstrukcji łazika. Dlatego dobieraliśmy jego wielkość, kształt i sposób montażu do całej konstrukcji, zamiast najpierw zbudować robota, a później próbować dopasować do niego panel.

4. Ładowanie i zarządzanie akumulatorami

Sam BMS nie jest układem ładowarki. Jego zadaniem jest przede wszystkim zabezpieczenie ogniw. Dlatego zastosowanie samego BMS-u i przetwornicy nie rozwiązuje problemu prawidłowego ładowania akumulatorów z panelu fotowoltaicznego.

Z tego powodu opracowaliśmy własny Solar Charger, który odpowiada za ładowanie pakietu ogniw 18650 oraz kontrolę jego parametrów. Układ pozwala nam również monitorować stan akumulatorów i odpowiednio zarządzać dostępną energią.

Jest to dla nas szczególnie istotne ze względu na założenie wielodniowej pracy łazika bez konieczności ciągłego dostępu użytkownika do urządzenia.

5. Stan naładowania akumulatorów

To również jest element, który rozwiązujemy po stronie naszego układu zasilania. Nie chcemy jedynie mierzyć napięcia akumulatora i na tej podstawie przyjmować, że znamy jego rzeczywisty stan naładowania. System monitoruje parametry pakietu i przekazuje informacje o stanie zasilania do platformy.

6. LoRa a transmisja danych

Jeżeli LoRa pojawi się w systemie, będzie pełniła raczej funkcję kanału niskoprzepływowego dla telemetrii, komunikatów i danych sterujących, natomiast transmisja większych ilości danych wymaga innego kanału komunikacyjnego.

Ten projekt rozwijamy już od kilku lat i wiele z tych zagadnień było przez nas analizowanych właśnie pod kątem długotrwałej pracy, zasilania, komunikacji i możliwości późniejszej rozbudowy.

Dlatego zamiast budować łazika z przypadkowo dobranych, gotowych modułów, zdecydowaliśmy się opracować własną elektronikę – zarówno płytkę sterującą, system komunikacji, jak i układ zarządzania energią oraz ładowania solarnego.

Dzięki temu możemy kontrolować cały system i przede wszystkim rozwijać go dalej wraz z projektem, zamiast być ograniczonym możliwościami pojedynczego gotowego modułu.