Ovogodišnja je praksa kao jednu od tema uvela izradu robotskog sustava kojim se može upravljati udaljeno pomoću web aplikacije. Kao baza sustava korišten je Lynxmotion Rover Kit, koji uključuje tijelo robota s motorima, odgovarajući upravljač za motore, te dodatni Arduino mikrokontroler za upravljanje sustavom. Daljnjom nadogradnjom, robot je preko bežične veze (ostvarene LoRa modulima) povezan sa centralnim računalom, koje prenosi očitanja robotskih senzora na web poslužitelj. Na isti se način se od sučelja web aplikacije do robotskog sustava prenose i naredbe za kretanje i upravljanje.

Arhitektura sustava

Tijekom rada na sustavu, podjednako je vremena utrošeno na povezivanje i integraciju sklopovlja i njihovog napajanja, kao na razvoj desktop i web aplikacija i odgovarajućih upravljačkih programa za mikrokontrolere. Općenito gledano, sustav se sastoji od robotske platforme, centralnog računala povezanog na Internet i Arduino mikrokontroler, te web aplikacije postavljene na poslužitelj.

Sklopovlje i spajanje sustava

Na strani centralnog računala, spajanje se svodi na povezivanje Arduino mikrokontrolera s LoRa Shieldom, a zatim preko USB-a na stolno računalo. Na robotskoj strani, kontrolni Arduino se treba spojiti s LoRa Shield modulom, te potom povezati s Arduino mikrokontrolerom zaduženom za motore preko analog pinova 4 i 5, te GND pina. Ovakva veza omogućuje komunikaciju pomoću I2C protokola, koji je programski ostvaren u Arduino biblioteci “Wire”. Kontrolni Arduino još je potrebno spojiti s GPS modulom, tako da se RX i TX izlazi GPS-a povežu na Arduino digitalne pinove 7 i 8, te VCC i GND na odgovarajuće pinove 5V i GND.
Konačno, na Arduinu zaduženom za motore, potrebno je spojiti pinove Sabertooth kontrolera na pinove 3 i 4, te infracrvene senzore na analog pinove 2,3 i 4.

Programska potpora

Programska potpora ostvarena je na više razina. Za Arduino mikrokontrolere razvijena su tri odgovarajuća upravljačka programa; centralno računalo ima svoju desktop aplikaciju koja posreduje između mikrokontrolera i web aplikacije; te web aplikacija kojom se može upravljati robotom i koja prikuplja očitanja njegovih senzora.

Upravljački programi za Arduino mikrokontrolere

Na robotskoj strani, Arduino zadužen za motore upravljan je programom koji preko I2C veze prima naredbe od upravljačkog Arduina na robotu. Na temelju naredbe se tada na odgovarajući način pokreću motori, koristeći funkcije biblioteke “Servo”. Također, u glavnoj programskoj petlji se stalno očitavaju stanja infracrvenih senzora koji predstavljaju blizinu prepreke. Ako je ona prevelika, robot će se zaustaviti kako ne bi došlo do kolizije.

Upravljački mikrokontroler na robotu po pokretanju uspostavlja bežičnu vezu preko LoRa modula te I2C vezu sa Arduinom zaduženom za motore. U glavnoj petlji provjerava se da li je stigla nova poruka preko uspostavljene LoRa veze - ako je, ona se čita, te se iz nje izvlači nova naredba koja se po potrebi prosljeđuje preko I2C drugom mikrokontroleru. Također, u petlji se periodički očitava stanje GPS modula. Ako je dostupno novo očitanje GPS-a, ono se u JSON formatu šalje preko LoRa veze na Arduino kontroler spojen na centralno računalo.

Na strani centralnog računala također je spojen Arduino mikrokontroler koji je nadograđen LoRa modulom, te USB-om spojen sa stolnim računalom na kojem je aktivna odgovarajuća desktop aplikacija. U upravljačkoj petlji Arduina provjerava se pristigla komunikacija preko ove dvije veze; dobivene LoRa poruke predstavljaju nova očitanja GPS-a, koja se odmah prosljeđuju desktop aplikaciji preko USB-a. Poruke dobivene preko serijske USB veze predstavljaju nove naredbe za robota, te se prosljeđuju preko LoRa poruke na robotsku stranu.

Desktop aplikacija

Desktop aplikacija ostvarena je pomoću WinForms razvojne paradigme, u VS2015 razvojnom okruženju korištenjem programskog jezika C#. Preko grafičkog sučelja, moguće je aktivirati serijsku USB vezu sa Arduino mikrokontrolerom, te vezu sa MQTT poslužiteljem preko kojeg se odvija komunikacija s web aplikacijom. Nakon aktivacije, sve poruke pristigle preko MQTT-a se automatski tumače i prosljeđuju kao naredbe preko USB veze na mikrokontroler. Po ažuriranju GPS lokacije, aplikacija periodički preko MQTT protokola šalje očitanje GPS-a na web poslužitelj.

Web aplikacija

Web aplikacija ostvarena je pomoću Angular2 razvojnih alata, te integrira module za pristupanje servisu Baasic. Na zahtjev, aplikacija preko MQTT protokola komunicira s desktop aplikacijom, šaljući naredbe za pokretanje i primajući GPS očitanja. Očitanja se automatski prosljeđuju na servis Baasic u DynamicResource obliku. Također, iz svakog GPS očitanja izvlači se lokacija koja se potom prikazuje na Google karti na sučelju aplikacije.

Izazovi i daljnji rad

Tijekom izrade sustava javilo se nekoliko problema i izazova koje je trebalo riješiti. Za ostvarenje potpune autonomije robota, bilo je potrebno osigurati odgovarajuće napajanje. Konačno odabrano rješenje je uključivalo napajanje Arduino Duemilanove i Sabertooth mikrokontrolera pomoću 12V baterije, dok je kontrolni Arduino Uno na robotu napajan 5V power bank-om. Napajanje cijelog sustava jednom baterijom nije bilo moguće zbog nekompatibilnosti naponskih razina, odnosno nemogućnosti pravilne regulacije napona baterije.

Također, bilo je potrebno ostvariti što veći domet bežične komunikacije između autonomnog robota i centralnog računala. Za ostvarivanje bežične komunikacije koristio se LoRaWAN protokol, namijenjen primarno za IoT mreže, te prilagođen za velik domet i nisku potrošnju energije. Za povećanje dometa komunikacije, LoRa module je bilo potrebno nadograditi većim antenama (200 mm), te je u konačnici ostvaren domet komunikacije od preko 4,5 kilometra.

Daljnji rad na sustavu mogao bi se usredotočiti na povećanje kapaciteta autonomnog robota, primjerice dodatkom kamere koja bi pomogla kod navigacije i detekcije prepreka, ili čak praćenja objekata (PixyCam).

Dodatak

Popis komponenti:

• 2x Arduino Uno
• 2x Dragino LoRa Shield
• 2x antena 868MHz, 200mm
• GPS modul (GY-GPS6MV2)
• Powerocks 5V power bank
• NiMH battery pack 12V
• Lynxmotion A4WD1 Autonomous Rover Kit