Εξαρτήματα

Παρουσίαση του Hardware

Υλικό Συσκευής TekTrain

Η συσκευή TekTrain, αποτελεί έναν από τα βασικότερα στοιχεία του συστήματος, καθώς καθορίζει τις δυνατότητες των εφαρμογών που μπορούν αναπτυχθούν στα πλαίσια της εκπαιδευτικής ρομποτικής. Προκειμένου το προϊόν TekTrain να επιτελέσει τον εκπαιδευτικό του στόχο βοηθώντας τη διδασκαλία ρομποτικής στο σχολικό περιβάλλον, απαιτείται η συσκευή TekTrain να υποστηρίζει ένα σετ αισθητήρων και ενεργοποιητών για την ενδεδειγμένη αλληλεπίδραση με το περιβάλλον.

Αφαιρετικό διάγραμμα διασύνδεσης υλικού συσκευής TekTrain

 

Το υλικό της συσκευής TekTrain χωρίζεται στις ακόλουθες τέσσερις κατηγορίες: α) βάση πλατφόρμας κίνησης (mobile platform), η οποία παρέχει στήριξη και δυνατότητα κίνησης στη συσκευή TekTrain, β) κεντρική υπολογιστική μονάδα (central computation platform), γ) περιφερειακοί αισθητήρες (sensors) και δ) περιφερειακοί ενεργοποιητές (actuators). Επιπλέον,  μία ενιαία πλατφόρμα (Expansion  Board) παρέχει στήριξη και σύνδεση όλων των αισθητήρων, των ενεργοποιητών και της μπαταρίας με την υπολογιστική μονάδα.

 

Κεντρική Υπολογιστική μονάδα

Για την ανάπτυξη του λογισμικού ελέγχου της συσκευής απαραίτητη είναι η ύπαρξη μιας κεντρικής υπολογιστικής μονάδας στην οποία θα γίνεται και η σύνδεση των περιφερειακών συσκευών (αισθητήρες και ενεργοποιητές). Στην μονάδα αυτή θα εκτελείται τόσο το λογισμικό επικοινωνίας από και προς τις περιφερειακές συσκευές, όσο και το λογισμικό ελέγχου της συσκευής (π.χ. ελέγχου κίνησης και απομακρυσμένης πρόσβασης).

Η μονάδα αυτή αποτελείται από 2 υπομονάδες. Ένα ενσωματωμένο σύστημα στο οποίο θα εκτελείται το λογισμικό ελέγχου της συσκευής και μια πλακέτα τύπου “expansion board” στην οποία θα ενσωματωθούν τα κυκλώματα τροφοδοσίας και διασύνδεσης των περιφερειακών συσκευών. Η επεξεργαστική ισχύς θα πρέπει να ικανοποιεί τις υπολογιστικές απαιτήσεις εκτέλεσης αλγορίθμων ρομποτικής, όπως έλεγχος κίνησης, αποφυγή εμποδίων, μηχανική όραση και ακοή, ταυτοποίηση προσώπου, αναγνώριση φωνητικών εντολών κ.α.

Με βάση τις προαναφερθείσες υπολογιστικές ανάγκες, επιλέχθηκε η χρήση του Raspberry PI 3 Model B+, δεδομένου πως έχει αρκετά υψηλή υπολογιστική ισχύ και χαμηλή κατανάλωση ισχύος, ενώ παράλληλα φέρει ενσωματωμένες μονάδες WiFi και BLE. Αναλυτικότερα, σημαντικοί παράγοντες που οδήγησαν στην επιλογή του συγκεκριμένου ενσωματωμένου συστήματος είναι οι εξής:

  • Υψηλή επεξεργαστική ισχύς
  • Χαμηλή κατανάλωση ισχύος
  • Αναπτυξιακό περιβάλλον Linux (Debian-based, Raspbian)
  • Περιφερειακές μονάδες GPIO, I2C, PWM, SPI
  • Ενσωματωμένη μονάδα WiFi
  • Ενσωματωμένη μονάδα BLE
  • Ενσωματωμένη περιφερειακή μονάδα USB
  • Ενσωματωμένη περιφερειακή μονάδα audio-out για σύνδεση ηχείων

Ο έλεγχος των κινητήρων γίνεται μέσω του ελεγκτή MDV 2x2A DC Motor Controller (L298N) της DFRobot.

Βάση πλατφόρμας κίνησης

Με βάση τις απαιτήσεις χρηστών, η συσκευή TekTrain θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα αυτοτελούς κίνησης στο χώρο. Η απαίτηση αυτή υποδεικνύει την αναγκαιότητα ύπαρξης μιας μηχανολογικής πλατφόρμας με ενσωματωμένες ρόδες και κινητήρες, η οποία και θα αποτελέσει τη βάση για την ανάπτυξη της συσκευής TekTrain. Επίσης, η μηχανολογική κατασκευή της βάσης θα πρέπει να επιτρέπει την εγκατάσταση πάνω σε αυτή της κεντρικής υπολογιστικής μονάδας, των περιφερειακών αισθητήρων και ενεργοποιητών καθώς και των κυκλωμάτων διανομής της τροφοδοσίας.

Το κινηματικό μοντέλο της βάσης ακολουθεί αυτό της διαφορικής κίνησης (differential drive mobile base) και βασίζεται στην ανεξάρτητη κίνηση των τροχών που βρίσκονται σε κάθε πλευρά του σώματος, επιτρέποντας με αυτόν τον τρόπο την εκτέλεση γραμμικών και επιτόπιων περιστροφικών κινήσεων. Στην περίπτωση που η βάση διαθέτει τέσσερις ανεξάρτητα ελεγχόμενους τροχούς, οι κινητήρες ελέγχονται σε ζεύγη ανά πλευρά (4WD Differential drive). Φυσικά, στην περίπτωση ύπαρξης τεσσάρων τροχών, το κινηματικό μοντέλο αλλάζει. Ωστόσο, η περαιτέρω ανάλυση του συγκεκριμένου μοντέλου διαφορικής κίνησης κρίνεται εκτός των στόχων του συγκεκριμένου εγγράφου, αφού δεν επηρεάζει τις προδιαγραφές του υλικού της βάσης της συσκευής TekTrain.

Επιπλέον, για τον έλεγχο της κίνησης της βάσης απαραίτητη είναι η ύπαρξη κατάλληλων κυκλωμάτων ελέγχου των κινητήρων και των αισθητήρων κωδικοποίησης της τροχιάς των κινητήρων. Τα κυκλώματα ελέγχου των κινητήρων που θα ενσωματωθούν θα πρέπει να επιτρέπουν την αποστολή εντολών ταχύτητας προς τους κινητήρες μέσω ενός ψηφιακού πρωτοκόλλου, όπως για παράδειγμα Pulse Width Modulation (PWM), για να μπορούν να ελέγχονται μέσω της κεντρικής υπολογιστικής μονάδας. Για τη διόρθωση του σφάλματος εκτίμησης της θέσης (οδομετρία), ο κάθε κινητήρας θα πρέπει να διαθέτει προσαρμοσμένους στον άξονα του έναν κωδικοποιητή θέσης/τροχιάς. Με αυτό τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα ελέγχου της ταχύτητας μέσω ενός συστήματος αυτόματου ελέγχου κλειστού βρόχου. Ακολουθεί ο πίνακας με τα χαρακτηριστικά της βάσης κινητής πλατφόρμας που επιλέχθηκε για τη συσκευή TekTrain.

 

Η συσκευή βασίζεται σε μία πλατφόρμα κίνησης η οποία αποτελείται κυρίως από μεταλλικό σκελετό που φέρει τους τροχούς κίνησης, τους κινητήρες των τροχών καθώς και κατάλληλες εσοχές και προεξοχές για την τοποθέτηση των υπομονάδων του συστήματος. 

Πλατφόρμα DFRobot Baron

Όσον αφορά τις διαστάσεις της συσκευής TekTrain, δεν πρέπει να ξεπερνά τα 30 εκατοστά. Αυτό σχετίζεται με την ευχρηστία της συσκευής και την ασφάλεια των μαθητών. Επίσης, ιδιαίτερη σημασία δίνεται στο βάρος της τελικής συσκευής, ούτως ώστε να μην ξεπερνά το 1.5 κιλό. Επιλέχθηκε η χρήση της πλατφόρμας Baron της DFRobot. Η πλατφόρμα είναι σχεδιασμένη γύρω από ένα σασί κατασκευασμένο από αλουμίνιο, στο οποίο υπάρχουν κατάλληλες εσοχές και προεξοχές για την στερέωση των διαφόρων υπομονάδων. Περιλαμβάνει 4 κινητήρες συνεχούς ρεύματος για την κίνηση των τροχών, 4 τροχούς και δύο κωδικοποιητές θέσης/ταχύτητας περιστροφής τροχών.

Πλατφόρμα
Υλικό Περιγραφή

Τέσσερις ανεξάρτητοι άξονες κίνησης (κινητήρες/τροχοί).

Προδιαγράφει την εγκατάσταση κινητήρων σε κάθε τροχό του οχήματος, τέσσερις στο σύνολο. Με αυτόν τον τρόπο υποστηρίζεται η υλοποίηση του προαναφερθέντος 4WD differential drive κινηματικού μοντέλου.

Δύο ή τέσσερις ελεγκτές κινητήρων.

Υποστήριξη της υλοποίησης του 4WD differential drive κινηματικού μοντέλου. Για μείωση του κόστους οι κινητήρες θα ελέγχονται σε ζεύγη ανά πλευρά της βάσης.

Επίπεδο πλαίσιο/όροφος για ανάπτυξη της πλατφόρμας.

Εγκατάσταση του ενσωματωμένου συστήματος, των περιφερειακών αισθητήρων, ενεργοποιητών, κυκλωμάτων τροφοδοσίας και ελέγχου των κινητήρων.

Δυνατότητα προσαρμογής κωδικοποιητών θέσης στους κινητήρες.

Η μηχανολογική κατασκευή της βάσης θα πρέπει να υποστηρίζει την προσαρμογή αισθητήρων κωδικοποίησης της θέσης/ταχύτητας στον άξονα περιστροφής του κάθε κινητήρα. Οι κωδικοποιητές είναι απαραίτητοι για την διόρθωση του σφάλματος της κίνησης του οχήματος.

Αισθητήρες

Η επιλογή των αισθητήρων που θα υποστηριχθούν στο πλαίσιο του έργου είναι σημαντική αφού αποτελούν τα βασικότερα στοιχεία που θα χρησιμοποιηθούν στο πλαίσιο των παρεχόμενων από το προϊόν TekTrain εκπαιδευτικών αποστολών, τόσο από τους μαθητές όσο και από τους εκπαιδευτικούς. Ιδιαίτερα σημαντική είναι επίσης η υποστήριξη αισθητήρων διαφορετικών τύπων, ούτως ώστε να δοθεί περισσότερη ευελιξία στις εφαρμογές που θα μπορούν να αναπτυχθούν. Οι αισθητήρες θα μπορούν να προσαρμόζονται κατά βούληση, από τον εκάστοτε χρήστη, σε διαφορετικά σημεία της βάσης της συσκευής TekTrain, ανάλογα με τις ανάγκες της εκάστοτε εκπαιδευτικής αποστολής, αφού η ίδια καθορίζει τους απαραίτητους αισθητήρες / ενεργοποιητές που πρέπει να υπάρχουν ώστε να διεκπεραιωθεί ορθά. Για παράδειγμα, κάποια άσκηση μπορεί να κάνει χρήση μόνο των ενεργοποιητών κύριας κίνησης, ενώ κάποια άλλη να περιλαμβάνει αλληλεπίδραση με τον χρήστη μέσω μικροφώνου ή μέτρησης αποστάσεων. Γι’ αυτό τον λόγο, ανά πάσα στιγμή, θα πρέπει να είναι δυνατή η εναλλαγή αισθητήρων στο σώμα της πλατφόρμας, αλλά και η αυτόματη αναγνώριση των συνδεδεμένων αισθητήρων από το λογισμικό ελέγχου της συσκευής. Στον ακόλουθο πίνακα δίνονται οι αισθητήρες που θα υποστηριχθούν για προσαρμογή σε κάθε συσκευή TekTrain. Οι αισθητήρες αυτοί έχουν προκύψει με βάση τις απαιτήσεις των χρηστών.

Αισθητήρες
Αισθητήρας Αριθμός Τεμαχίων Περιγραφή
Αισθητήρας απόστασης τεχνολογίας υπερήχων (ultrasonic): HC-SR04 Ultrasonic Range Finder.       2 Δύο ultrasonic αισθητήρες απόστασης για μετρήσεις αποστάσεων τουλάχιστον δύο μέτρων.
Αισθητήρας απόστασης τεχνολογίας υπέρυθρης ακτινοβολίας (InfraRed): Infrared Proximity Sensor Short Range – Sharp GP2Y0A41SK0F.        4 Δύο IR αισθητήρες για μικρές και δύο για μεγαλύτερες αποστάσεις.
Αισθητήρας απόστασης τεχνολογίας laser time-of-flight: VL53L1X Time of Flight (ToF) Sensor.        1 Ένας αισθητήρας απόστασης time-of-flight, με υψηλή συχνότητα μέτρησης.
Αισθητήρας θερμοκρασίας περιβάλλοντος: BME680 Air Quality, Temperature, Pressure, Humidity Sensor Breakout Board.        1 Ένας αισθητήρας μέτρησης θερμοκρασίας εσωτερικού χώρου.
Αισθητήρας ατμοσφαιρικής πίεσης: BME680 Air Quality, Temperature, Pressure, Humidity Sensor Breakout Board.        1 Ένας αισθητήρας μέτρησης της ατμοσφαιρικής πίεσης (pressure).
Αισθητήρας υγρασίας περιβάλλοντος: BME680 Air Quality, Temperature, Pressure, Humidity Sensor Breakout Board.        1 Ένας αισθητήρας μέτρησης του ποσοστού υγρασίας εσωτερικού χώρου.
Τρισδιάστατη πυξίδαSparkFun 9-DoF Sensor Stick.        1 Μία τρισδιάστατη πυξίδα για τη μέτρηση της γωνίας στον τρισδιάστατο χώρο. Με χρήση της τρισδιάστατης πυξίδας η συσκευή TekTrain θα μπορεί να αντιλαμβάνεται μεταβολές του προσανατολισμού της συσκευής στον τρισδιάστατο χώρο.
Επιταχυνσιόμετρο τριών αξόνων: SparkFun 9-DoF Sensor Stick.        1 Ένας αισθητήρας για παρακολούθηση της επιτάχυνσης της συσκευής TekTrain σε τρεις άξονες (εντός αδρανειακής μονάδας).
Γυροσκόπιο τριών αξόνωνSparkFun 9-DoF Sensor Stick.        1 Γυροσκόπιο για τη μέτρηση της γωνιακής ταχύτητας και διατήρηση του προσανατολισμού (εντός αδρανειακής μονάδας).
Σύστημα μικροφώνων: Adafruit Mini USB Microphone        1 Ένα σύστημα μικροφώνων για την λήψη ηχητικών μετρήσεων/δεδομένων από το περιβάλλον (φωνητικές εντολές, κατευθυντικότητα ήχου κτλ).
RGB Κάμερα: Raspberry Pi 8MP Camera board v2        1 Μία rgb κάμερα με δυνατότητα λήψης εικόνων από το περιβάλλον σε ανάλυση που να ικανοποιεί τους αλγορίθμους μηχανικής μάθησης που θα αναπτυχθούν στο πλαίσιο του έργου.
Αισθητήρας επαφής: Tact Switch 12x12mm 7.3mm + Cap for Tact Button        10 Δέκα αισθητήρες επαφής οι οποίοι θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ώς κουμπιά μεταβολής κατάστασης είτε για την αναγνώριση επαφής της συσκευής με αντικείμενα στον χώρο.
Αισθητήρας παρακολούθησης γραμμής (line following): Cytron Line Sensor.        1 Ένας αισθητήρας τύπου line-following ο οποίος θα ενσωματωθεί στο κάτω μέρος της συσκευής, δίνοντας τη δυνατότητα ανάπτυξης εφαρμογών κίνησης σε τροχιές που καθορίζονται από λευκό ή μαύρο χρώμα.
Αισθητήρας κωδικοποίησης θέσης / ταχύτητας περιστροφής κινητήρα: Περιλαμβάνονται στην πλατφόρμα κίνησης.        4 Τέσσερις κωδικοποιητές θέσης / ταχύτητας περιστροφής των τροχών. Εφαρμόζεται για την διόρθωση του σφάλματος θέσης. Παράγει δεδομένα οδομετρίας

Ενεργοποιητές

Ως ενεργοποιητές αναφέρονται τα στοιχεία τα οποία επιδρούν στο περιβάλλον μεταβάλλοντας την κατάστασή του. Τέτοια μέρη μπορεί να είναι κινητήρες, leds και ένα ηχείο.  Τόσο οι αισθητήρες, όσο και οι ενεργοποιητές θα επιδιωχθεί να έχουν τη δυνατότητα προσαρμογής σε διαφορετικά σημεία της βάσης, ανάλογα με τις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής.

Ενεργοποιητές
Ενεργοποιητής Αριθμός Τεμαχίων Περιγραφή
Κινητήρες βάσης: DFRobot 6V,180rpm Micro DC Geared Motor with Back Shaft.        4 Τέσσερις κινητήρες προσαρμοσμένοι σε κάθε τροχό της βάσης.
RGB Leds: NeoPixel Digital RGB LED.       20 Προγραμματιζόμενα leds με δυνατότητα ρύθμισης του χρώματος και της έντασης.
Ηχείο: Adafruit Mini External USB Stereo Speaker.        1 Ένα ηχείο για αναπαραγωγή ηχητικών μηνυμάτων και ήχων εν γένει.
Οθόνη: Pi Display 4″ HDMI 800×480 IPS Resistive        1 Χρησιμοποιείται για την προβολή εικόνων / βίντεο και συναισθήματος.
Μηχανισμός Pan-Tilt: Pan/Tilt Bracket Kit.        1 Ένας μηχανισμός PanTilt ο οποίος θα χρησιμοποιείται για την κίνηση της κάμερας.

 

 

 

Αισθητήρες απόστασης υπερήχων

Στην πλατφόρμα τοποθετούνται 6 αισθητήρες υπερήχων HC-SR04 με εύρος μέτρησης 2 cm έως 4 m. Ο κάθε ένας απαιτεί τροφοδοσία +5V DC, ένα σήμα εισόδου trigger και ένα σήμα εξόδου που δίνει τον ακουστικό παλμό επιστροφής για τη μέτρηση της απόστασης. Οι αισθητήρες συνδέονται στην πλακέτα επέκτασης μέσω των headers J3 έως J8. Το κάθε header παρέχει τροφοδοσία (+5V, ground) και δύο ακροδέκτες για τα σήματα εισόδου και εξόδου (DIN και DOUT).

 

Ταινία LED

Η ταινία LED απαιτεί, εκτός από την τροφοδοσία, ένα επιπλέον σήμα PWM για τον έλεγχο των LEDs. 

Skip to content