如何用相機(jī)制作Wi-Fi坦克

?

。

• Wi-Fi 允許通過智能手機(jī)進(jìn)行控制。
• 我喜歡技術(shù)本身。

?

與罐體的連接方式有兩種：

• 外部中繼器天線 - 這種天線的質(zhì)量?jī)?yōu)于智能手機(jī)中的天線。
• 如果您使用 Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)：802.11n，將帶寬從 40 MHz 降低到 20 MHz 是有意義的。據(jù)我了解，這種情況很少見，這完全是因?yàn)槲蚁矚g廉價(jià)組件。網(wǎng)上有貼個(gè)防靜電袋之類的解決辦法，但實(shí)際上，這些辦法都不是很有效。我花了好幾個(gè)小時(shí)想辦法解決這個(gè)問題，并將天線換成外置天線，我什至在 ESP 船體周圍包裹了箔紙，雖然它更多的是保護(hù)它免受街上隨機(jī)噪音的影響，而且它也很漂亮。

  數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。儲(chǔ)罐和控制終端之間的數(shù)據(jù)交換通過三種協(xié)議進(jìn)行：

  • HTTP – 只有客戶端可以啟動(dòng)通信會(huì)話，服務(wù)器不能首先向客戶端尋址。它傳輸來自傳感器、控制和配置命令的數(shù)據(jù)。
  • WebSocket (WS) – 允許您從服務(wù)器向客戶端雙向發(fā)送數(shù)據(jù)，反之亦然。它用作建立通信模式并將數(shù)據(jù)從 ESP 和 Arduino 傳輸?shù)饺罩镜某跏肌?a href='http://ttokpm.com/tags/pi/' target='_blank' class='arckwlink_none'>ping”。
  • Server-Sent Events (SSE) – 根據(jù)客戶端-服務(wù)器訂閱的原理工作，但僅以一種方式工作，即從服務(wù)器到客戶端。將來自傳感器的一些數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端，這些數(shù)據(jù)會(huì)快速更新。
  

  ?

  使用的主要協(xié)議是 HTTP。WebSocket 和 SSE 我選擇使用它們來收集經(jīng)驗(yàn)。所以，用例有點(diǎn)牽強(qiáng)，你可以很容易地沒有它們。此外，本機(jī)異步 Web 服務(wù)器非常快。

  WS和SSE的選擇基于兩個(gè)因素：

  • 它們?cè)试S您將數(shù)據(jù)從服務(wù)器直接發(fā)送到客戶端。使用 HTTP，客戶端必須輪詢服務(wù)器。
  • 理論上，由于數(shù)據(jù)冗余和不必要的通信會(huì)話較少，它們比 HTTP 工作得更快。

  ESP-32 上的數(shù)據(jù)更新率。ESP 對(duì)其可以處理的數(shù)據(jù)量有一定的限制，大約每秒 15 個(gè)數(shù)據(jù)包。如果超過此限制，數(shù)據(jù)將被丟棄，并在 UART 中顯示“錯(cuò)誤：排隊(duì)的消息太多”條目。請(qǐng)注意，這里每秒的連接數(shù)比數(shù)據(jù)量的影響更大。

  因?yàn)槲蚁胍斓膫鬏?，所以我決定嘗試使用 WS 和 SSE 繞過它。我的流量幾乎總是同質(zhì)的，所以一切都在相同的條件下進(jìn)行了測(cè)試。這是我得到的結(jié)果：

  • WebSocket——連接數(shù)限制與HTTP服務(wù)器類似。除了直接從服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳送?，沒有其他好處。
  • SSE - 允許您將傳輸限制稍微增加每秒 3-5 個(gè)數(shù)據(jù)包。
  • 這兩種協(xié)議都不如 HTTP 服務(wù)器穩(wěn)定。例如，有時(shí)，ESP-32 可能會(huì)在流量過大時(shí)重啟或死機(jī)，作為提醒：“不要搞亂繞過限制”。如果你不過分，你可以使用它。

  三種協(xié)議的響應(yīng)速度是一樣的，傳輸同樣的數(shù)據(jù)不能說HTTP比WS或者SSE慢。這意味著最終實(shí)施比選擇任何這些協(xié)議進(jìn)行控制或任何其他需要低延遲的協(xié)議更重要。

  數(shù)據(jù)傳輸原理。數(shù)據(jù)以字符串形式傳輸。有的打包成JSON格式，有的按原樣傳輸。

  ESP-32 托管一個(gè)異步 HTTP 服務(wù)器。它通過 HTTP GET 請(qǐng)求進(jìn)行通信。終端通過請(qǐng)求發(fā)送控制命令。在參數(shù)中有一個(gè)數(shù)字，它對(duì)應(yīng)于坦克的運(yùn)動(dòng)側(cè)。相機(jī)或 Arduino 設(shè)置以類似方式傳輸。終端定期輪詢來自傳感器的數(shù)據(jù)，從 ESP 接收最后接收到的 JSON 格式的傳感器讀數(shù)作為響應(yīng)。

  WebSocket - 向終端發(fā)送服務(wù)消息以記錄并確認(rèn) Arduino 設(shè)置已被接受。

  SSE 用于一個(gè)目的：從 Arduino 接收到數(shù)據(jù)后，立即將更新后的傳感器數(shù)據(jù)快速發(fā)送到終端。

  從傳感器傳輸數(shù)據(jù)。傳感器分為兩組：

  • 慢速傳感器 - 以特定時(shí)間間隔更新并從 Arduino 傳輸?shù)?ESP。控制終端（應(yīng)用程序）定期請(qǐng)求此數(shù)據(jù)。更新頻率為兩秒一次。通過 HTTP GET 請(qǐng)求傳輸。
  • 快速傳感器 - 以一定間隔更新（比慢速傳感器快）并由 Arduino 傳輸?shù)?ESP，然后立即發(fā)送到控制終端。更新率為每秒 2.5 次。通過 SSE 傳輸。

  內(nèi)部溝通。Arduino-ESP。Arduino開發(fā)板和ESP-32-Cam使用UART協(xié)議進(jìn)行通信。起初，我自己制作了數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案，但是當(dāng)要管理的數(shù)據(jù)太多時(shí)，我意識(shí)到使用現(xiàn)成的解決方案要好得多。

  這個(gè)解決方案是很棒的庫(kù)SerialTrasfer，它承擔(dān)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹芭K”工作：組織正確的數(shù)據(jù)包傳輸、校驗(yàn)和計(jì)數(shù)并允許您傳輸簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)，這正是我所需要的，因?yàn)槲掖鎯?chǔ)數(shù)據(jù)來自結(jié)構(gòu)中的傳感器。

  ESP-32 有幾個(gè)板載硬件 UART，與 Arduino 不同，它可以很容易地重新配置為其他引腳。UART_0 保留用于調(diào)試和刷新固件，UART_1 用于 Arduino 通信。

  數(shù)據(jù)傳輸?shù)?UART 速度設(shè)置為 76800 波特/秒。在此速度下，由于 Arduino 微控制器的 16 MHz 時(shí)鐘頻率和 ESP 的 320 MHz 時(shí)鐘頻率，傳輸錯(cuò)誤最少。該解決方案可以在很大程度上保證 ESP 和 Arduino 之間傳遞正確的數(shù)據(jù)，而無需檢查和復(fù)制它們。

  由于 Arduino Nano 微控制器 (ATmega328) - 8 位和 ESP-32 - 32 位的不同架構(gòu)，您需要使用內(nèi)存對(duì)齊，以便數(shù)據(jù)（枚舉、結(jié)構(gòu)）在兩個(gè)平臺(tái)上都能被正確接受。為此，我使用屬性“attribute((packed))”。

  鑒于 ESP-32 (3.3V) 和 Arduino (5V) 邏輯電平的不同電壓，它們之間的 UART 通過電平轉(zhuǎn)換器連接。

  UART數(shù)據(jù)傳輸原理：

  • 數(shù)據(jù)成對(duì)傳輸：“數(shù)據(jù)類型”和“有用數(shù)據(jù)”，最后一個(gè)可以不存在，因?yàn)橛袝r(shí)僅存在傳輸事實(shí)就足夠了，例如需要更新的信號(hào)看門狗定時(shí)器。
  • 共有8種數(shù)據(jù)類型：“傳感器讀數(shù)”、“控制命令”、“蜂鳴器類型”、“看門狗”、“日志消息”、“快速傳感器讀數(shù)”、“Arduino設(shè)置”、“讀取Arduino設(shè)置”。
  • 在發(fā)送方準(zhǔn)備一條消息，開頭是數(shù)據(jù)類型，如果需要，后面是有用的數(shù)據(jù)。
  • 接收方收到消息，根據(jù)消息類型，可能有：一些動(dòng)作或解包數(shù)據(jù)。
  

  ?

  這個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)易于擴(kuò)展，允許您傳輸不同類型的數(shù)據(jù)并引入了一點(diǎn)冗余，因?yàn)閿?shù)據(jù)類型只是 Enum，即通常的數(shù)字。

  您不僅可以使用 UART，例如 SPI，或 I2C，或其他數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。我之所以選擇 UART，是因?yàn)樗泻芎玫奈臋n，易于使用，而且仍然需要它來進(jìn)行調(diào)試。

  傳感器

  各種場(chǎng)合都有大量的傳感器，它們需要測(cè)量所有存在的和不存在的物理量。它們是您設(shè)備的“眼睛和耳朵”。有了它們，您的設(shè)備就可以感知現(xiàn)實(shí)。

  水箱上有許多傳感器：

  • DHT-11 模塊溫度計(jì)和濕度計(jì)。不是很準(zhǔn)確，但便宜且易于使用。我認(rèn)為在坦克（帶遙測(cè)）上應(yīng)該有一個(gè)經(jīng)典的傳感器 - 一個(gè)溫度計(jì)。
  • 霍爾傳感器 A3144，作為轉(zhuǎn)速計(jì)。一個(gè)小的釹磁鐵安裝在左側(cè)軌道的驅(qū)動(dòng)鏈輪上，一個(gè)霍爾傳感器放置在船體上靠近它的位置。傳感器讀取經(jīng)過它的每個(gè)磁鐵，并據(jù)此計(jì)算驅(qū)動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)數(shù)。知道鏈輪的直徑，您就可以準(zhǔn)確地知道油箱以什么速度通過了多遠(yuǎn)的距離。這種即興創(chuàng)作的準(zhǔn)確性讓你希望更好，但效果很酷。
  • 氣壓計(jì) BMP-280。允許您獲得大氣壓力并基于該氣壓計(jì)算海拔高度。傳感器有多種適用于所有場(chǎng)合的工作模式，但設(shè)置起來有點(diǎn)復(fù)雜。
  • MPU-6050加速度計(jì)和陀螺儀模塊。一種用于測(cè)量空間方向的良好、快速的傳感器。使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)來工作，但這可以通過許多可用的庫(kù)來彌補(bǔ)。
  • US-025 超聲波測(cè)距儀（HC-SR04 的模擬）。用于顯示距坦克前方最近障礙物的距離。

  I2C 總線的有趣錯(cuò)誤

  一些傳感器（MPU-6050、BMP-280）通過 I2C 連接。有時(shí)由于這條總線，Arduino Nano 微控制器可能會(huì)凍結(jié)。我用示波器觀察了公共汽車上發(fā)生的事情，而不是近似平坦的矩形形狀，我看到了可怕的扭曲信號(hào)前端，更像是三角形，甚至是隨機(jī)噪聲。我檢查了幾塊木板，沒有水箱，但結(jié)果是一樣的。我一直不知道是什么原因造成的。也許是因?yàn)榱畠r(jià)的 Arduino 零件或其他原因。通過 1.3 kOhm 將總線強(qiáng)力上拉到電源有幫助。

  

  ?

  。

  • 。

    ?

    在我的例子中，安裝了最便宜的相機(jī)版本。對(duì)于那些想用第一人稱視角 (FPV) 做類似事情的人，我建議購(gòu)買鏡頭視角為 120° 的相機(jī)版本，因?yàn)橥ǔ５?66° 會(huì)產(chǎn)生非?？杀慕Y(jié)果——它只是缺乏視野。

    執(zhí)行器

    這就是讓您的設(shè)備活躍起來的原因。例如，在我的坦克上，它是由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。它也可能是某種激光和伺服系統(tǒng)來指向??它。

    執(zhí)行器通常會(huì)消耗很大一部分機(jī)載功率。由于微控制器本身只能通過小電流，因此有必要通過特殊的“適配器”——驅(qū)動(dòng)程序來控制這些設(shè)備。

    驅(qū)動(dòng)器是連接微控制器、執(zhí)行器和電源的電路板。這個(gè)想法是微控制器只發(fā)送諸如“做這個(gè)或那個(gè)”之類的控制信號(hào)，而驅(qū)動(dòng)器本身會(huì)弄清楚如何正確地啟動(dòng)執(zhí)行器。您也可以從微控制器生成信號(hào)，但隨后必須制作所有電路并實(shí)施控制算法。使用現(xiàn)成的專用設(shè)備（驅(qū)動(dòng)程序）效率更高、速度更快。

    對(duì)于坦克，我使用了 L298N 驅(qū)動(dòng)器。可以使用更新和更高效的驅(qū)動(dòng)程序。但我喜歡使用這樣的舊東西，它有一個(gè)殘酷的外觀和一個(gè)大的，最重要的是在工作后溫暖的散熱器 - 它賦予了坦克的精神并且完全適合它的“從桌子上的東西建造”設(shè)計(jì)。

    一共有9條控制命令：

    • “動(dòng)”：前進(jìn)，后退。
    • “轉(zhuǎn)”：左、右。
    • “轉(zhuǎn)身”：前左右、前右、后左、后右。
    • “停止。”

    考慮到坦克的電機(jī)略有不同，它們具有不同的直線運(yùn)動(dòng)最大 PWM 信號(hào)（電機(jī)的最大速度）。

    電機(jī)控制原理：

    • “停止”命令 - 向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào)以停止電機(jī)。
    • “移動(dòng)”命令 - 驅(qū)動(dòng)器向前或向后旋轉(zhuǎn)兩個(gè)電機(jī)。
    • “轉(zhuǎn)彎”命令——轉(zhuǎn)彎一側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)向后旋轉(zhuǎn)，第二個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)向前旋轉(zhuǎn)。這樣就實(shí)現(xiàn)了原地快速轉(zhuǎn)彎。
    • “Moving with a turn”命令 - 與轉(zhuǎn)彎相對(duì)的軌道電機(jī)以 100% 工作，而轉(zhuǎn)彎側(cè)的電機(jī)降低轉(zhuǎn)數(shù)，例如 70%。這導(dǎo)致平穩(wěn)地轉(zhuǎn)向制動(dòng)履帶的一側(cè)。

    可以使用更激進(jìn)的制動(dòng)策略，例如倒車或鎖定電機(jī)，但考慮到我的坦克質(zhì)量小且?guī)缀跬耆珱]有慣性，這太過分了。此外，變速箱會(huì)阻止自發(fā)運(yùn)動(dòng)，而且這種制動(dòng)器會(huì)在短時(shí)間內(nèi)消耗大量能量。

    要轉(zhuǎn)彎，您可以關(guān)閉（停止）轉(zhuǎn)彎一側(cè)的履帶發(fā)動(dòng)機(jī)。通過這種方式，您可以在履帶制動(dòng)器周圍的位置實(shí)現(xiàn)良好的半徑轉(zhuǎn)彎。

    如您所見，控制執(zhí)行器并不復(fù)雜。您只需根據(jù)電流消耗和您要控制的設(shè)備類型選擇適合您任務(wù)的驅(qū)動(dòng)程序。

    照片展示

    ?

    ?

    ?

    

    ?

    1 / 7 ?坦克 - 前視圖

    ?

    獎(jiǎng)金照片

    

    ?

    結(jié)論

    我在 GitHub 上的存儲(chǔ)庫(kù)中發(fā)布了 Arduino 固件、ESP-32 和 Unity 應(yīng)用程序的所有源代碼，如果您發(fā)現(xiàn)“有趣的解決方案”，請(qǐng)不要感到驚訝。我的目標(biāo)是向您展示原理本身，最好的方法是自己弄清楚并根據(jù)您獲得的知識(shí)制作自己的東西。

    寫這篇文章幫助我列出了我在創(chuàng)建坦克時(shí)的所有經(jīng)驗(yàn)。并記住在此過程中出現(xiàn)的所有錯(cuò)誤和缺陷的解決方案，您可以避免這些錯(cuò)誤和缺陷，并專注于尋找自己獨(dú)特的錯(cuò)誤并與社區(qū)分享。我真的希望我能激勵(lì)別人創(chuàng)造出這樣一件很酷的東西。