Робот для видеонаблюдения на Raspberry Pi

Все материалы сюжета:

• Собираем роботов-самоходов на Arduino
• Робот для видеонаблюдения на Raspberry Pi
• Тестируем робота без самого робота

Arduino, безусловно, популярная и интересная платформа, но и у нее есть свои ограничения. Что, если тебе нужно использовать на роботе дополнительный софт? Подключать периферию? На помощь приходит хорошо знакомый Raspberry Pi.

В этой статье я покажу, как сделать управляемого по Wi-Fi робота с веб-камерой на базе Raspberry Pi. Эта платформа позволит нам работать со всем понятным Linux, с легкостью использовать любой нужный нам софт, а также задействовать почти любую периферию.

О компьютере

Я использовал стандартный Raspberry Pi версии B, который обладает двумя USB-портами, Ethernet-портом и 512 Мб оперативной памяти. Также существует модель А, в которой есть только один USB-порт, 256 Мб памяти и отсутствует Ethernet. Такая плата более сложна в настройке, но зато ей нужно намного меньше питания.

В качестве ОС я выбрал стандартную Raspbian (оптимизированный под железо «малинки» Debian). Для установки операционной системы нам потребуется SD- или SDHC-карта объемом желательно не менее 4 Гб класса 10 и любой компьютер с кардридером. Сам процесс заливки довольно тривиален. Пользователям UNIX будет достаточно утилиты dd. Вставляем готовую карточку в «малинку», подключаем ее к сети, включаем любимый SSH-клиент. Стандартный логин pi, пароль — raspberry.

При первом запуске появится окно с конфигурациями — если этого не произошло, то его можно вызвать командой raspi-config. Нас волнует несколько пунктов:

• Expand filesystem — расширение основного раздела на всю карту памяти. Иначе системе не будет доступно больше 4 Гб.
• Change User Password — стандартный пароль лучше все-таки сменить.
• Internationalisation Options — выставляем локаль ru_RU.UTF-8 UTF-8 и соответствующий часовой пояс.
• Enable Camera — включение поддержки камеры. Потребуется для камер с DSI-интерфейсом (например, для официальной камеры), но в моем примере это не нужно, то есть можно поставить значение Disable.

Для того чтобы избавиться от сетевого кабеля, нужен поддерживаемый Wi-Fi-донгл. Я использовал D-Link DWA-110, а полный список есть в интернете (bit.ly/1cQXMFP). Расскажу немного о настройке:

1. Подключаем Wi-Fi к Raspberry.
2. Смотрим, определилась ли она

   #lsusb
   

   Получим что-то подобное:

   Bus 001 Device 005: ID 07d1:3c07 D-Link System DWA-110 Wireless G Adapter(rev.A1) [Ralink RT2571W]
   

3. Подключаемся к нашей сетке:

   # sudo wpa_passphrase имя_точки 
   ключ_точки > /etc/wpa_supplicant/
   wpa_supplicant.conf
   # sudo iwconfig wlan0 essid имя_точки
   # sudo wpa_supplicant -B -Dwext -i 
   wlan0 -c /etc/wpa_supplicant/
   wpa_supplicant.conf
   # sudo ifconfig wlan0 down
   # sudo ifconfig wlan0 up
   

   и проверим, подключились ли мы к точке доступа:

   # ifconfig
   

Управление

Для начала установим веб-интерфейс, через который мы будем управлять роботом. Я остановился на WebIOPi. Этот продукт разработан специально для применения RPi в автоматизации и робототехнике.

Установка интерфейса производится следующим образом:

1. Скачиваем архив программы в любой каталог командой

   # wget http://webiopi.googlecode.com/files/WebIOPi-0.6.0.tar.gz
   

2. Распаковываем архив в текущую директорию

   tar xvzf WebIOPi-0.6.0.tar.gz
   

3. Переходим в каталог с программой

   # cd WebIOPi-0.6.0
   

   Вес пакета составляет всего 152 Кб.

4. Запускаем установочный файл

   # sudo ./setup.sh
   

5. И ставим веб-интерфейс на автозапуск

   # update-rc.d webiopi defaults
   

Теперь займемся созданием страницы управления. Для начала скачаем архив проекта по адресу bit.ly/1di2qgl. Распакуем его в каталог пользователя:

# tar xvfz robot.tar.gz

Далее редактируем конфиг из корня сервера webiopi:

# sudo nano /etc/webiopi/config

Что меняем:

myscript = /home/pi/robot/python/script.py
doc-root = /home/pi/robot/html/
welcome-file = index.html
gpio-export = 25, 11, 8, 9
gpio-post-value = true

Устанавливаем «глаза»

Итак, подключаем к роботу веб-камеру. Я использовал камеру HP HD-4110 с поддержкой Full HD и V4L, но смысла брать именно Full HD камеру нет, так как у нас разрешение изображения 640 на 480. Полный список есть здесь: bit.ly/1cR06N4. Почти для каждой камеры в этой табличке указано, требуется ли ей внешнее питание. Это важно, поскольку «малинка» может стабильно питать по USB далеко не каждый девайс, а у некоторых камер питание в принципе подводится через внешний адаптер. Поэтому стоит остерегаться некоторых моделей от Logitech и Microsoft. Дальше по списку:

1. Проверяем «подключенность»

   # lsusb
   

   Получим что-то подобное: Bus 001 Device 004: ID 03f0:9207 Hewlett-Packard

2. Устанавливаем пакет video for Linux

   # apt-get install libv4l-0
   

3. Устанавливаем утилиту mjpg-streamer-rpi

   # wget http://www.bobtech.ro/get?download=36:mjpg-streamer-rpi
   

4. Переименовываем скачанный файл

   # mv get\?download\=36\:mjpg-streamer-rpi mjpg-streamer-rpi.tar.gz
   

5. Распаковываем

   # tar -zxvf mjpg-streamer-rpi.tar.gz
   

6. Переходим в каталог с программой

   # cd mjpg-streamer
   

7. Запускаем

   # ./mjpg-streamer.sh start
   

8. При необходимости настраиваем скрипт под себя

   # sudo nano ./mjpg-streamer.sh
   VIDEO_DEV="/dev/video0" — иденти­фикатор устройства;
   FRAME_RATE="30" — частота кадров (FPS);
   RESOLUTION="640x480" — разрешение;
   PORT="8080" — HTTP-порт;
   YUV="false" — флаг YUV-кодирования.
   

При 30 кадрах в секунду моя система работала нормально (без оверклока), но, чтобы снять нагрузку с компьютера, значение можно снизить вплоть до 5. Также обрати внимание на YUV — это позволит нам немного оптимизировать размер видеопотока за счет другого принципа кодирования цвета. Создаем скрипт автоматизации запуска:

$ cd /home/pi
$touch autostart.sh
$ nano autostart.sh
#!/bin/sh
sudo /etc/init.d/webiopi start
cd /home/pi/mjpg-streamer
./mjpg-streamer.sh start

Далее для автозапуска с системой мы добавляем строчку с нашим скриптом в файл / etc/rc.local до строчки exit 0.

#!/bin/sh -e
#
# rc.local   
...
cd /home/pi
./autostart.sh
exit 0

Если хочешь полюбоваться результатом, то зай ди в браузере по адресу http://raspberrypi:8000, логин webiopi, пароль raspberry. В качестве бонуса можно открыть веб-интерфейс в «мир». Для этого нужно дать в твоем роутере доступ к портам 8000 и 8080 для IP твоей «малинки». Естественно, перед этим нужно сменить стандартные логин и пароль WebIOPi командой

# sudo webiopi-passwd

После чего запустится генератор файла пароля и запросит сначала логин, а потом пароль дважды. Результатом будет: Hash: «длинная-длинная строчка с множеством символов» Saved to /etc/webiopi/passwd

После проведенных операций требуется перезагрузка сервера

# sudo /etc/init.d/webiopi restart

Сборка

Чтобы наша модель ездила, нужно реализовать управление двигателями. Рекомендую делать в виде ключей из транзисторов, как я (смотри схему драйвера).

Схема взята из самой машинки. Все номиналы деталей и транзисторы взяты прямо оттуда. Транзисторы Q1, Q2 лучше использовать B772, транзисторы Q3, Q4 — D882. Если ты экономишь место, то транзисторы Q5 и Q6 лучше брать SMD с маркировкой 6C. Схема скопирована с платы машинки, от которой взята колесная база, но я добавил резисторы на 1 МОм параллельно входам управления, дабы погасить наводки. Двигатель питается напрямую через драйверы от аккумулятора 12 В. При желании можно организовать регулировку скорости машинки посредством широтно-импульсной модуляции. Теперь подключаем все по такой схеме:

• За движение вперед отвечает порт GPIO 11, назад — GPIO 9, влево — GPIO 25, вправо — GPIO 8. Подключаем к драйверам двигатели, а драйверы к соответствующим портам на Raspberry Pi.
• Питание управляющей части робота осуществляется через DC/DC-преобразователь на микросхеме LM2596.
• На вход мы подключаем аккумулятор, а на выход Raspberry Pi. Когда наш робот выключен, у нас будет утечка тока через транзисторы драйверов и БП Raspberry, поэтому надо поставить тумблеры в разрез цепям питания, первый тумблер между плюсом аккумулятора и преобразователем, а второй так же между плюсом аккумулятора и клеммой питания драйверов.

Итак, долгожданный пуск готового устройства. Производим подключение по следующей схеме:

• К RPi подключаем веб-камеру, USB-адаптер Wi-Fi, преобразователь и проводники, ведущие к драйверам.
• Далее подсоединяем Raspberry к аккумулятору через преобразователь и включаем его. Аккумулятора хватает на два-три часа.
• После загрузки компьютера включаем тумблер подачи напряжения на драйверы.
• Заходим с любого устройства из нашей локалки по адресу http:/адрес_твоего_RPi:8000 и катаемся на машинке по квартире :).

Читателю

Функциональность Raspberry Pi зависит только от фантазии, здравого смысла и потребности человека, держащего его в руках. Мой пример — не единственный, как можно применить этот компьютер, созданный для обучения детей программированию. Готового робота можно модернизировать как угодно. Можно подключить к нему датчики изгиба по шине I2C и сервоприводы, пошаманить с механикой и получить манипулятор, как вот здесь: bit.ly/1e1pOQ0, на Arduino. Далее дополнить его еще одним АЦП и сделать робота, управляемого голосом! Например, вот этот: bit.ly/1fJwTvz, специализированный под RPi АЦП. Так как шина I2C поддерживает до 127 устройств, то реализовать можно практически все. Я в дальнейшем планирую переделать колесную базу на гусеничную и помощнее — хочется, чтобы модель была более серьезных размеров :). Далее поставить лазеры, атомный источник питания и тому подобное, но это уже мелочи :).