duck-rc

Resumo

O projeto consiste em construir um carro operado por controle remoto (DualShock 4) onde a comunicação será feita via Wi-Fi. O sistema será embarcado utilizando uma Raspberry Pi, com os dados enviados a partir de um computador utilizando a framework ROS.

Descrição Completa

A ideia principal deste projeto se baseia na construção de um carrinho que é controlado remotamente através de um controle de PlayStation 4 - DualShock 4. A comunicação é feita via Wi-Fi, com os dados do controle sendo coletados e processados por um computador externo ao sistema do carrinho. O framework ROS - Robot Operating System é utilizado para desenvolvimento do código referente a parte de comunicação e processamento de dados que o carro utiliza. ROS é uma framework que viabiliza a comunicação entre diferentes dispositivos por meio de um protocolo de comunicação padronizado, além de disponibilizar, em alguns casos, bibliotecas parcialmente prontas para o desenvolvimento. O funcionamento do sistema como um todo é modelado usando um grafo, no qual cada nó é um componente separado e as arestas representam o fluxo de dados dentro desse sistema:

Da estrutura e funcionamento geral do robô, o ponto principal é a Raspberry, encarregada da comunicação com o computador externo e também do controle geral do carro. A escolha da Raspberry é adequada à medida que ela possui um poder de processamento adequado para o problema, além de possuir conectividade direta via Wi-Fi, conforme necessário a partir das especificações iniciais do projeto. Conforme detectado experimentalmente, a interface GPIO da Raspberry não é adequada para o controle dos motores - dessa forma, foi decidido usar um Arduino Mega 2560.

Além disso, a escolha dos componentes também é indissociável do projeto “principal” a ser desenvolvido futuramente (embora ele fuja do escopo desta disciplina) - que é, também, um projeto de conclusão de curso. O objetivo final do projeto é desenvolver um carro autônomo em miniatura para participação na Duckietown - uma competição focada na área de inteligência artificial aplicada. Dessa forma, este projeto é, na verdade, uma etapa intermediária em direção ao projeto final.

O robô construido possui dois andares - o superior, que abriga o Arduino Mega, a H-Bridge e alguns fios ligados a uma mini protoboard, e o inferior, que leva a Raspberry, a bateria Li-Po e os motores. Com isso, é possível otimizar o espaço e realizar um projeto simplificado e mais organizado quando comparado com um robô com um único andar.

Para realizar a comunicação entre a Raspberry e o Arduino Mega, utilizou-se um cabo USB da Raspberry para o Arduino. Dessa forma, o Arduino pode ler tudo que a Raspberry escreve na porta serial e interpretar o que estiver escrito como informações do que fazer com os motores. A ligação dos pinos de controle do Arduino com a H-Bridge é responsável por distribuir a potência dos motores e controlar a direção final que o carrinho deve ir.

// infográfico de como funciona os eixos, a potencia, etc

Como executar

Seja a máquina com o controle *Dualshock* conectado a máquina *host* e a Raspberry Pi a máquina *client*.

Os passos 1 e 3 são necessários apenas na primeira vez que o projeto for executado.

1. Garanta que o Docker esteja instalado na máquina host. Clone o repositório para esta máquina.
2. Navegue até a pasta /containers/ds4_driver e execute docker-compose up -d para iniciar o serviço de leitura do controle. Esse serviço é responsável por receber a leitura do controle e publicá-la de forma adequada na rede LAN. Note que a saída da leitura é uma mensagem do tipo geometry_msgs/Twist.
3. Inicie a Raspberry Pi. Conecte-a à mesma rede da máquina host. Instale o ROS2 na Raspberry, e clone o repositório para esta máquina. Certifique-se de que o ambiente ROS2 está ativado. Instale o pacote python3-colcon-common-extensions para conseguir "compilar" os nós do projeto. Navegue até a pasta /ros_ws e execute colcon build para realizar o processo de build. Ative os nós compilados na sua sessão com source install/setup.sh.
4. Inicie o processo de execução do código na raspberry executando ros2 run duck bridge. Isso inicia um processo que aguarda o recebimento de mensagens no tópico /cmd_vel e, ao receber essas mensagens, as formata como um arquivo JSON, enviando-o via serial para o Arduino.

Nesse ponto, o robô deve se mover ao usar o controle. Observação: ocasionalmente pode ser necessário que a raspberry execute um comando de leitura constante da porta serial associada. Para isso, em um outro terminal, execute tail -F /dev/ttyACM0 - assumindo que a porta serial em questão é a ttyACM0.

Outros Esquemáticos

O esquemático abaixo mostra os eixos assumidos pelo sistema no código. Note que isso implica em uma transformação linear dos dados recebidos do controle, que mapeiam aceleração de -2 a 2 no eixo x, em uma aceleração de -1 a 1 no eixo y, dentre outros ajustes necessários.

Por fim, o esquemático fisico simplificado: