ΟΜΑΔΑ ΙΧΩΡ

Η ομάδα ιΧώΡ αποτελείται από το μαθητή (ένας αλλά λέων) Θοδωρή Τσαούση της Γ’ Τάξης του 2ου ΓΕΛ Καλαμαριάς, ο οποίος εμπνεύστηκε, σχεδίασε και δημιούργησε με εκπληκτικό σθένος και μεράκι το Ρομπότ των Δασών, και τον επιβλέποντα εκπαιδευτικό ΠΕ86 Γιώργο Νικολακάκη. Η εργασία ξεκίνησε ως μια απλή ιδέα του Θοδωρή τον Οκτώβρη του 2019 και παρουσιάστηκε αρχικά στο 2ο Πανελλήνιο Διαγωνισμό Ανοιχτών Τεχνολογιών το 2020. Στη συνέχεια εμπλουτίστηκε και αναβαθμίστηκε με την προσθήκη ενός Raspberry Pi4 ώστε να ελέγχει τα  servo motors και να «αντιλαμβάνεται» ερεθίσματα με τη βοήθεια αισθητήρων, και ταυτόχρονα με τη βελτίωση των μερών του σκελετού του ρομπότ καθώς και της ενεργειακής του αυτονομίας. Επιπλέον, με την προσθήκη ενός Sense HAT στο Raspberry Pi4 δε θα είναι πια απαραίτητο το κύκλωμα NodeMCU ESP-8266 με τους αισθητήρες συλλογής περιβαλλοντικών δεδομένων. Αναμένουμε ότι μετά την αναβάθμιση η κατασκευή θα είναι σαφώς λιγότερο πολύπλοκη και περισσότερο ανθεκτική, αφού τα ηλεκτρονικά κυκλώματα θα απλοποιηθούν σημαντικά αλλά και το κυρίως σώμα θα είναι ελαφρύτερο αφού θα αποτελείται κυρίως από πλέξιγκλας.

Το ρομπότ των Δασών – Robot Hood

Το ρομπότ των δασών είναι ένας αυτόνομος τετράποδος φύλακας περιοχής, προγραμματισμένος και ατευθυνόμενος από κύκλωμα Arduino και raspberry pi 4, το οποίο πετυχαίνει κίνηση με την βοήθεια servo motors και «αντιλαμβάνεται» ερεθίσματα με τη βοήθεια αισθητήρων. Το ρομπότ παρακολουθεί κλιματικές αλλαγές στο περιβάλλον που κινείται, καθώς καταγράφει τιμές όπως θερμοκρασία, υγρασία, ατμοσφαιρική πίεση και υψόμετρο και αναγνωρίζει με την βοηθεια τεχνητής νοημοσήνης (νευρωνικού δικτύου) σημάδια πυρκαγιάς όπως φλόγες και καπνό αλλά και όχι μόνο. Ακόμη, διαθέτει μία κάμερα με τη βοήθεια της οποίας κάνει εγγγραφή μιας περιοχής, στην συνέχεια επεξεργάζεται την εικόνα αναγνωρίζοντας – έχοντας αντίληψη του οτιδήποτε κατέγραψε, ενημερώνοντας είτε για πιθανή πυρκαγιά είτε για ρίψη απορριμμάτων και μπαζών στην περιοχή. Ένα επιπλέον χαρακτηριστικό του είναι ότι διαθέτει ένα solar panel με την χρήση του οποίου επαναφορτίζει τις μπαταρίες του, καθιστώντας το φιλικό προς το περιβάλλον. Τέλος, όλες οι τιμές των μετρήσεων από τους αισθητήρες καθώς και εικόνες από την αναγνώριση της περιοχής, μεταδίδονται και αποθηκεύονται online στο διαδίκτυο σε τοποθεσία που έχει πρόσβαση εξουσιοδοτημένος χρήστης.

Η κατασκευή του Ρομπότ  αποτελείται απο τέσσερα διαφορετικά μέρη και στάδια κατασκευής:

• Τρόπος μετατόπισης και κίνησης στο περιβάλλον
• Νευρωνικό δίκτυο – Τεχνητή νοημοσύνη και αναγνώριση αντικειμένων
• Συλλογή και καταγραφή περιβαλλοντικών δεδομένων με την χρήση αισθητήρων
• Κύκλωμα συλλογής και παροχής ενέργειας

Κίνηση, μετατόπιση & επαναφορά

Πλάγια όψη του Ρομπότ των Δασών

Για την κίνηση ευθύνεται ένα Arduino Uno R3 το οποίο ελέγχει 11 servo motors MG996R (13-15kg/cm). Τα 8 servos αποτελούν τα πόδια του ρομπότ (2 σε κάθε πόδι). Τα υπόλοιπα 3 servos σχηματίζουν έναν βραχίονα κίνησης 3 αξόνων.

     

Μία πρόσθετη ενδιαφέρουσα λειτουργία είναι ο βραχίονας. Εάν το ρομπότ αναποδογυρίσει ή ανατραπεί  για οποιοδήποτε λόγο, ο βραχίονας το επαναφέρει στην αρχική του θέση. Ένας αισθητήρας υπερήχων είναι υπεύθυνος για την ενεργοποίηση τριών σερβοκινήρων που αποτελούν τον βραχίονα και τον τοποθετούν στην κατάλληλη πλευρά για να ανασηκωθεί το ρομπότ.

     

                                                             Βραχίονας του Ρομπότ

Το πρόγραμμα – κώδικας Arduino που ελέγχει τις κινήσεις του Ρομπότ με αρκετές διαφορετικές ρουτίνες βρίσκεται στο  https://github.com/gnicolakakis/Robot_Hood/blob/master/RobotHood2.1.ino

Περισσότερες αναλυτικές οδηγίες και περιγραφές για την κατασκευή του κυρίως σώματος και των ποδιών – αρθρώσεων του ρομπότ καθώς και τον κώδικα της κίνησης θα βρείτε στο Αρχείο οδηγιών κατασκευής στο GitHub. (σελ. 1-12)

Νευρωνικό δίκτυο – Τεχνητή Νοημοσύνη

Πάνω στον βραχίονα του ρομπότ είναι τοποθετημένη μία ειδική κάμερα NoIR V2  η οποία είναι συνδεδεμένη στο raspberry pi 4. Ένα πρόγραμμα python τρέχει στον μικρουπολογιστή raspberry το οποίο κάνει λήψεις φωτογραφιών του περιβάλλοντος και επιτόπου αναγνώριση των αντικειμένων που βρίσκονται σε αυτό.

Τα αποτελέσματα αποθηκεύονται online.

           

   Κάμερα NoIR V2                                 Πρόγραμμα σε Python

     

                Αναγνώριση εικόνας                                     Πρόγραμμα αναγνώρισης εικόνας

Ενέργεια & Αυτονομία

Η εφαρμογή απαιτεί την αυτονομία του ρομπότ σε ένα δάσος ή σε άλλο φυσικό περιβάλλον για μεγάλο χρονικό διάστημα. Για το λόγο αυτό προστέθηκε εκτός από την επαναφορτιζόμενη μπαταρία 11,1V, 2700mAh, κι ένα ηλιακό solar panel των 6v. Έτσι η μπαταρία θα μπορεί να διαρκεί για μεγάλο χρονικό διάστημα χρησιμοποιώντας ταυτόχρονα και οικολογικές πηγές ενέργειας.

Ηλιακός συλλέκτης για την επαναφόρτιση της μπαταρίας

Συνολική κατασκευή – Υλικά – Κόστος

Τα υλικά από τα οποίο κατασκευάστηκε ο σκελετός του ρομπότ είναι:

Τα υλικά από τα οποίο κατασκευάστηκε ο σκελετός του ρομπότ είναι:

• πλέξι γκλας στα πόδια και στην βάση για ανθεκτικότητα
• 11 servo motors MG996R στις αρθρώσεις, δύο σε κάθε ένα απο τα τέσσερα πόδια και τρία στον βραχίονα

Επάνω στην βάση είναι στερεωμένα:

• ένα (1) Arduino Uno
• ένα (1) raspberry pi 4
• μία (1) μπαταρία Lipo 11.1V, 2700mAh
• ένα (1) solar panel 6 V και
• ένας βραχίονας που σχηματίζεται απο
  • τρία (3) servo motors MG996R
  • έναν (1) αισθητήρα υπερήχων HC-SR04
  • μία (1) κάμερα NoIR V2 στην κορυφή του βραχίονα

Επιπρόσθετα, επάνω στη βάση τοποθετείται το κύκλωμα καταγραφής περιβαλλοντικών δεδομένων που περιλαμβάνει:

• ένα (1) μικροελεγκτή ESP-8266 NodeMCU
• έναν (1) αισθητήρα βαρομετρικής πίεσης BMP-280,
• έναν (1) αισθητήρα θερμοκρασίας-υγρασίας DHT-11 και
• έναν (1) αισθητήρα καπνού MQ-2.
• μιά (1) θήκη με τέσσερις (4) μπαταρίες ΑΑΑ

Το συνολικό κόστος όλων των υλικών εκτιμάται περίπου στα 250€. Αναλυτικός πίνακας εκτιμόμενου κόστους παρατίθεται στο Αρχείο οδηγιών κατασκευής στο GitHub. (σελ. 15-16)

Στο αποθετήριο github θα βρείτε ελεύθερο όλο το υλικό για την κατασκευή και προγραμματισμό του ρομπότ.

Επεκτάσεις – προσθήκες- βελτιώσεις

Το παραπάνω project επιδέχεται διάφορες επεκτάσεις και προσθήκες για μεγαλύτερη αυτονομία και καλύτερο έλεγχο, πράγμα που είναι στα επόμενα πλάνα μας. Συγκεκριμένα:

• Δημιουργία νέας έκδοσης του ρομποτ με νέα servo motors και διαφορετικά κατασκευασμένο σκελετό
• Νέος τρόπος δοκιμαστικού χειρισμού
• Δυνατότητα βαδίσματος σε τελείως ανώμαλο έδαφος και σκαλιά
• Πολλαπλοι και νεόι τρόποι μετακίνησης και νέοι αλόριθμοι για αυτούς
• Μεγαλύτερη εστίαση στην ανθεκτικότητα
• Τέλος, θα μας απασχολήσει η αδιαβροχοποίηση του ρομπότ και η συμπεριφορά του σε περίπτωση βροχής ή επαφής με το νερό.

 

Η προηγούμενη έκδοση του ρομπότ έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά:

ΒΙΝΤΕΟ ΕΠΙΔΕΙΞΗΣ ROBOT HOOD

Το ρομπότ των Δασών – Robot Hood

Η προηγούμενη έκδοση Robot Hood 2020

Κίνηση, μετατόπιση & επαναφορά

       

       

Νευρωνικό δίκτυο – Τεχνητή Νοημοσύνη

Πάνω στον βραχίονα του ρομπότ είναι τοποθετημένη μία ειδική κάμερα (wifi esp32 mp5 module cam) η οποία μεταδίδει φωτογραφίες που βγάζει ανά 5 δευτερόλεπτα σε έναν υπολογιστή. Με τον τρόπο αυτό τα αντικείμενα που καταγράφονται από την κάμερα, μεταδίδονται ως εικόνες στον υπολογιστή για να αναγνωριστούν στη συνέχεια  από ένα πρόγραμμα.

Ο υπολογιστής στέλνει όλες τις φωτογραφίες από το ρομπότ στο Google Drive, όπου γίνεται η ανάλυση τους και η αναγνώριση των αντικειμένων. Η αναγνώριση αντικειμένων θα μπορούσε να γίνει   με απευθείας μετάδοση από το ρομπότ, απλά για πολύ λιγότερα αντικείμενα και με μεγαλύτερη επιβάρυνση της κάρτας γραφικών του υπολογιστή. Γίνεται η αναγνώριση των αντικειμένων και η εμφάνιση των αποτελεσμάτων με την βοήθεια ενός python script στο Google Colab.

Συλλογή & καταγραφή περιβαλλοντικών δεδομένων

Επιπρόσθετα, στο ρομπότ βρίσκεται προσαρμοσμένο ένα κύκλωμα συλλογής και καταγραφής περιβαλλοντικών δεδομένων όπως θερμοκρασία, υγρασία, ατμοσφαιρική πίεση, υψόμετρο καθώς και ανίχνευση καπνού.

Το κύκλωμα είναι βασισμένο σε ένα μικροεπεξεργαστή NodeMCU ESP-8266 ο οποίος ελέγχει ένα αισθητήρα πίεσης BMP-280, έναν αισθητήρα θερμοκρασίας-υγρασίας DHT-11 και έναν αισθητήρα καπνού MQ-2.

Οι αισθητήρες συλλέγουν τα δεδομένα και τα μεταφέρουν ασύρματα μέσω του WiFi δικτύου του ESP-8266 σε  Web Server όπου καταγράφονται σε ιστοσελίδα σε μορφή HTML. Η ανανέωση των δεδομένων και της IP γίνεται όταν ζητηθεί ή με ανανέωση της ιστοσελίδας από το χρήστη.

Έτσι το ρομπότ μπορεί να μεταδίδει, εκτός από εικόνα και φωτογραφίες, και τα δεδομένα του περιβάλλοντος που κινείται.

Αναλυτικό σχέδιο κατασκευής του κυκλώματος  και του προγράμματος για την καταγραφή και μετάδοση των περιβαλλοντικών δεδομένων υπάρχει στο Αρχείο οδηγιών κατασκευής στο GitHub. (σελ. 14-15)

Ενέργεια & Αυτονομία

Η εφαρμογή απαιτεί την αυτονομία του ρομπότ σε ένα δάσος ή σε άλλο φυσικό περιβάλλον για μεγάλο χρονικό διάστημα. Για το λόγο αυτό προστέθηκε εκτός από την επαναφορτιζόμενη μπαταρία Lipo 7,4V, 2500mAh, κι ένα ηλιακό solar panel των 6v. Έτσι η μπαταρία θα μπορεί να διαρκεί για μεγάλο χρονικό διάστημα χρησιμοποιώντας ταυτόχρονα και οικολογικές πηγές ενέργειας.