Système de surveillance pour animaux de compagnie alimenté par Arduino et Raspberry Pi : 19 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Récemment, alors que nous étions en vacances, nous avons réalisé le manque de connexion avec notre animal de compagnie Beagle. Après quelques recherches, nous avons trouvé des produits dotés d'une caméra statique permettant de surveiller et de communiquer avec son animal de compagnie. Ces systèmes présentaient certains avantages mais manquaient de polyvalence. Par exemple, chaque pièce nécessitait une unité pour suivre votre animal de compagnie dans toute la maison.

C'est pourquoi nous avons développé un robot robuste qui peut se déplacer dans la maison et surveiller son animal de compagnie en utilisant la puissance de l'Internet des objets. Une application pour smartphone a été conçue pour interagir avec votre animal via un flux vidéo en direct. Le châssis du robot est fabriqué numériquement car plusieurs pièces ont été créées à l'aide de l'impression 3D et de la découpe laser. Enfin, nous avons décidé d'ajouter une fonctionnalité bonus qui distribuait des friandises pour récompenser votre animal de compagnie.

Continuez pour créer votre propre système de surveillance des animaux et peut-être même le personnaliser selon vos besoins. Regardez la vidéo liée ci-dessus pour voir comment notre animal a réagi et pour mieux comprendre le robot. Déposez un vote dans le "Concours de robotique" si vous avez aimé le projet.

Étape 1: Aperçu de la conception

Pour conceptualiser le robot de surveillance des animaux de compagnie, nous l'avons d'abord conçu sur fusion 360. Voici quelques-unes de ses caractéristiques:

Le robot peut être contrôlé via une application via Internet. Cela permet à l'utilisateur de se connecter au robot de n'importe où

Une caméra embarquée qui diffuse en direct un flux vidéo sur le smartphone peut aider l'utilisateur à se déplacer dans la maison et à interagir avec l'animal

Un bol de friandises supplémentaire qui peut récompenser votre animal de compagnie à distance

Des pièces fabriquées numériquement qui permettent de personnaliser son robot

Un Raspberry Pi a été utilisé pour se connecter à Internet car il dispose d'un mode wifi intégré

Un Arduino a été utilisé avec un bouclier CNC pour donner des commandes aux moteurs pas à pas

Étape 2: Matériel nécessaire

Voici la liste de tous les composants nécessaires pour créer votre propre robot de surveillance pour animaux de compagnie alimenté par Arduino et Raspberry Pi. Toutes les pièces doivent être couramment disponibles et faciles à trouver.

ÉLECTRONIQUE:

• Arduino Uno x 1
• Raspberry Pi (flashé avec le dernier raspbian) x 1
• Bouclier CNC x 1
• A4988 Pilote de moteur pas à pas x 2
• Picacaméra x 1
• Capteur de distance à ultrasons x 1
• Batterie Lipo 11.1v x 1
• Moteur pas à pas NEMA 17 x 2
• 5v UBEC x 1

MATÉRIEL:

• Roues x 2 (les roues que nous avons utilisées faisaient 7 cm de diamètre)
• Roues pivotantes x 2
• Écrous et boulons M4 et M3

Le coût total de ce projet hors Arduino et Raspberry Pi est d'environ 50$.

Étape 3: Pièces fabriquées numériquement

Certaines des pièces que nous avons utilisées dans ce projet ont dû être fabriquées sur mesure. Ceux-ci ont d'abord été modélisés dans Fusion 360, puis fabriqués à l'aide d'une imprimante 3D et d'un découpeur laser. Les pièces imprimées en 3D ne supportent pas beaucoup de charge, donc le PLA standard avec un remplissage de 20% fonctionne très bien. Vous trouverez ci-dessous une liste de toutes les pièces imprimées en 3D et découpées au laser:

Pièces imprimées en 3D:

• Support pas à pas x 2
• Support de système de vision x 1
• Entretoise électronique x 4
• Entretoise verticale x 4
• Renfort de châssis x 2
• Couvercle du bol à friandises x 1
• Bol à friandises x 1
• Support arrière pas à pas x 1
• Disque d'enroulement x 1

Pièces découpées au laser:

• Panneau inférieur x 1
• Panneau supérieur x 1

Un dossier zippé contenant tous les fichiers STL et de découpe laser peut être trouvé ci-dessous.

Étape 4: Fixation du moteur pas à pas

Une fois toutes les pièces imprimées en 3D, commencez l'assemblage en montant le moteur pas à pas dans le support de moteur pas à pas. Le support de moteur pas à pas que nous avons conçu est destiné au modèle NEMA 17 (si l'on utilise des moteurs pas à pas différents, il faudra un support différent). Passez l'arbre du moteur à travers le trou et fixez le moteur en place avec les vis de montage. Une fois cela fait, les deux moteurs doivent être solidement fixés aux supports.

Étape 5: Montage des steppers sur le panneau inférieur

Pour monter les supports sur le panneau inférieur découpé au laser, nous avons utilisé des boulons M4. Avant de les fixer avec les écrous, ajoutez les bandes de renfort du châssis imprimées en 3D puis fixez les écrous. Les bandes sont utilisées pour répartir la charge uniformément sur le panneau acrylique.

Enfin, faites passer les fils dans les fentes respectives prévues sur le panneau. Assurez-vous de bien les tirer pour éviter qu'elles ne s'emmêlent dans les roues.

Étape 6: Montage des roues

Le panneau acrylique a deux sections découpées pour s'adapter aux roues. Les roues que nous avons utilisées avaient un diamètre de 7 cm et étaient livrées avec des vis de réglage fixées sur les arbres pas à pas de 5 mm. Assurez-vous que la roue est bien fixée et ne glisse pas sur l'arbre.

Étape 7: Roues pivotantes avant et arrière

Pour permettre au châssis de se déplacer en douceur, nous avons décidé de placer des roulettes à l'avant et à l'arrière du robot. Non seulement cela empêche le robot de basculer, mais cela permet également au châssis de pivoter librement dans n'importe quelle direction. Les roulettes sont disponibles dans toutes les tailles, la nôtre en particulier est livrée avec une seule vis pivotante que nous avons montée sur la base et utilisé des entretoises imprimées en 3D pour ajuster la hauteur afin que le robot soit parfaitement horizontal. Avec cela la base du châssis est complète et a une bonne stabilité.

Étape 8: Électronique

Une fois la base du châssis entièrement assemblée, il est temps de monter l'électronique sur le panneau acrylique. Nous avons fait des trous dans le panneau acrylique qui s'alignent avec les trous de montage de l'Arduino et du Raspberry Pi. À l'aide d'entretoises imprimées en 3D, nous avons légèrement surélevé l'électronique au-dessus des panneaux acryliques afin que tout le câblage en excès puisse être soigneusement rangé en dessous. Montez l'Arduino et le Raspberry Pi sur leurs emplacements de montage correspondants à l'aide d'écrous et de boulons M3. Une fois l'Arduino fixé, fixez le blindage CNC à l'Arduino et connectez les fils pas à pas dans la configuration suivante.

• Pas à pas gauche vers le port d'axe X du bouclier CNC
• Pas à pas droit vers le port d'axe Y du blindage CNC

Avec les moteurs pas à pas connectés, connectez l'Arduino au Raspberry Pi à l'aide du câble USB de l'Arduino. Finalement, le Raspberry Pi et l'Arduino vont communiquer via ce câble.

Remarque: l'avant du robot est le côté avec le Raspberry Pi

Étape 9: Système de vision

L'entrée principale de l'environnement pour notre robot de surveillance des animaux de compagnie est la vision. Nous avons décidé d'utiliser le Picamera qui est compatible avec le Raspberry Pi pour diffuser un flux en direct à l'utilisateur via Internet. Nous avons également utilisé un capteur de distance à ultrasons pour éviter les obstacles lorsque le robot fonctionne de manière autonome. Les deux capteurs se fixent sur un support à l'aide de vis.

La Picamera s'insère dans son port désigné sur le Raspberry Pi et connecte le capteur à ultrasons de la manière suivante:

• Capteur à ultrasons VCC vers rail 5v sur blindage CNC
• Capteur à ultrasons GND vers GND rail sur blindage CNC
• Capteur à ultrasons TRIG à broche de butée X+ sur blindage CNC
• Capteur à ultrasons ECHO vers la goupille de butée Y+ sur le blindage CNC

Étape 10: Assemblage du panneau supérieur

À l'arrière du robot est monté le système d'ouverture du couvercle pour le bol à friandises. Fixez le mini moteur pas à pas au composant de support arrière et montez à la fois le système de vision et le système d'enroulement avec des boulons M3 sur le panneau supérieur. Comme mentionné, assurez-vous de monter le système de vision à l'avant et le système d'enroulement à l'arrière avec les deux trous fournis.

Étape 11: Assemblage du panneau supérieur

Nous avons imprimé des entretoises verticales en 3D pour soutenir le panneau supérieur à la bonne hauteur. Commencez par fixer les quatre entretoises au panneau inférieur pour former un "X". Placez ensuite le panneau supérieur avec le bol à friandises en vous assurant que leurs trous s'alignent et enfin, fixez-le également aux entretoises.

Étape 12: Mécanisme d'ouverture du couvercle

Pour contrôler le couvercle du bol à friandises, nous avons utilisé un moteur pas à pas plus petit pour enrouler une ficelle en nylon attachée au couvercle et l'ouvrir. Avant de fixer le couvercle, passez la ficelle dans le trou de 2 mm du couvercle et faites un nœud sur le côté intérieur. Coupez ensuite l'autre extrémité de la ficelle et glissez-la dans les trous prévus sur le disque d'enroulement. Poussez le disque sur le stepper puis tirez la ficelle jusqu'à ce qu'elle soit tendue. Une fois terminé, coupez l'excédent et faites un nœud. Enfin, à l'aide d'un boulon et d'un écrou, fixez le couvercle au bol et assurez-vous qu'il pivote. Maintenant que le moteur pas à pas tourne, la ficelle doit s'enrouler sur le disque et le couvercle doit s'ouvrir progressivement.

Étape 13: Configuration de la base de données cloud

La première étape consiste à créer une base de données pour le système afin que vous puissiez communiquer avec le robot depuis votre application mobile depuis n'importe où dans le monde. Cliquez sur le lien suivant (Google firebase), qui vous mènera au site Web de Firebase (vous devrez vous connecter avec votre compte Google). Cliquez sur le bouton "Commencer" qui vous mènera à la console Firebase. Créez ensuite un nouveau projet en cliquant sur le bouton "Ajouter un projet", remplissez les conditions (nom, détails, etc.) et complétez en cliquant sur le bouton "Créer un projet".

Nous avons juste besoin des outils de base de données de Firebase, alors sélectionnez "base de données" dans le menu de gauche. Cliquez ensuite sur le bouton "Créer une base de données", sélectionnez l'option "mode test". Ensuite, définissez la base de données sur une "base de données en temps réel" au lieu du "cloud firestore" en cliquant sur le menu déroulant en haut. Sélectionnez l'onglet "règles" et changez les deux "faux" en "vrai", enfin cliquez sur l'onglet "données" et copiez l'URL de la base de données, cela sera nécessaire plus tard.

La dernière chose que vous devrez faire est de cliquer sur l'icône d'engrenage à côté de l'aperçu du projet, puis sur "Paramètres du projet", puis sélectionnez l'onglet "Comptes de service", enfin cliquez sur "Secrets de la base de données" et notez la sécurité code de votre base de données. Cette étape terminée, vous avez créé avec succès votre base de données cloud accessible depuis votre smartphone et depuis le Raspberry Pi. (Utilisez les images ci-jointes en cas de doute, ou déposez simplement une question dans la section commentaire)

Étape 14: Création de l'application mobile

La prochaine partie du système IoT est l'application pour smartphone. Nous avons décidé d'utiliser MIT App Inventor pour créer notre propre application personnalisée. Pour utiliser l'application que nous avons créée, ouvrez d'abord le lien suivant (MIT App Inventor), qui vous mènera à leur page Web. Cliquez ensuite sur "créer des applications" vers le haut de l'écran, puis connectez-vous avec votre compte Google.

Téléchargez le fichier.aia qui est lié ci-dessous. Ouvrez l'onglet "projets" et cliquez sur "Importer un projet (.aia) depuis mon ordinateur" sélectionnez ensuite le fichier que vous venez de télécharger et cliquez sur "ok". Dans la fenêtre des composants, faites défiler jusqu'à ce que vous voyiez "FirebaseDB1", cliquez dessus et modifiez le "FirebaseToken", "FirebaseURL" aux valeurs que vous aviez noté à l'étape précédente. Une fois ces étapes terminées, vous êtes prêt à télécharger et installer l'application. Vous pouvez télécharger l'application directement sur votre téléphone en cliquant sur l'onglet "Build" et en cliquant sur "App (fournir le code QR pour.apk)" puis en scannant le code QR avec votre smartphone ou en cliquant sur "App (enregistrer.apk sur mon ordinateur))" vous téléchargerez le fichier apk sur votre ordinateur que vous pourrez ensuite transférer sur votre smartphone.

Étape 15: Programmation du Raspberry Pi

Le Raspberry Pi est utilisé pour deux raisons principales.

1. Il transmet un flux vidéo en direct du robot à un serveur Web. Ce flux peut être consulté par l'utilisateur à l'aide de l'application mobile.
2. Il lit les commandes mises à jour sur la base de données firebase et demande à l'Arduino d'effectuer les tâches requises.

Pour configurer le Raspberry Pi pour la diffusion en direct, un didacticiel détaillé existe déjà et peut être trouvé ici. Les instructions se résument à trois commandes simples. Allumez le Raspberry Pi et ouvrez le terminal et entrez les commandes suivantes.

• git clone
• cd RPi_Cam_Web_Interface
• ./install.sh

Une fois l'installation terminée, redémarrez le Pi et vous devriez pouvoir accéder au flux en recherchant https://l'adresse IP de votre Pi sur n'importe quel navigateur Web.

Avec la configuration de la diffusion en direct, vous devrez télécharger et installer certaines bibliothèques pour pouvoir utiliser la base de données cloud. Ouvrez un terminal sur votre Pi et entrez les commandes suivantes:

• demandes d'installation sudo pip==1.1.0
• sudo pip installer python-firebase

Enfin, téléchargez le fichier python ci-joint et enregistrez-le sur votre Raspberry Pi. Sur la quatrième ligne du code, remplacez le port COM par le port auquel l'Arduino est connecté. Ensuite, remplacez l'URL de la ligne 8 par l'URL de firebase que vous aviez noté précédemment. Enfin, exécutez le programme via le terminal. Ce programme récupère les commandes de la base de données cloud et les relaie à l'Arduino via la connexion série.

Étape 16: Programmation de l'Arduino

L'Arduino est utilisé pour interpréter les commandes du Pi et demande aux actionneurs du robot d'effectuer les tâches nécessaires. Téléchargez le code Arduino ci-dessous et téléchargez-le sur l'Arduino. Une fois l'Arduino programmé, connectez-le à l'un des ports USB du Pi à l'aide du câble USB dédié.

Étape 17: Mise sous tension du système

Le robot sera alimenté par une batterie lipo à 3 cellules. Les bornes de la batterie doivent être divisées en deux, l'une allant directement au blindage CNC pour alimenter les moteurs, tandis que l'autre se connecte à l'UBEC 5v, ce qui crée une ligne d'alimentation 5v stable qui sera utilisée pour alimenter le Raspberry Pi via les broches GPIO. Le 5v de l'UBEC est connecté à la broche 5v du Raspberry Pi et le GND de l'UBEC est connecté à la broche GND du Pi.

Étape 18: Utiliser l'application

L'interface de l'application permet de contrôler le robot de surveillance ainsi que de diffuser un flux en direct à partir de la caméra embarquée. Pour vous connecter à votre robot, assurez-vous d'avoir une connexion Internet stable, puis saisissez simplement l'adresse IP du Raspberry Pi dans la zone de texte fournie et cliquez sur le bouton de mise à jour. Une fois cela fait, le flux en direct apparaîtra sur votre écran et vous devriez pouvoir contrôler les différentes fonctions du robot.

Étape 19: Prêt à tester

Maintenant que votre robot de surveillance pour animaux de compagnie est entièrement assemblé, vous pouvez remplir le bol de friandises pour chiens. Ouvrez l'application, connectez l'appareil photo et amusez-vous ! Nous avons actuellement joué avec le rover et notre Beagle et avons capturé des moments assez hilarants.

Une fois que le chien a surmonté la peur initiale de cet objet en mouvement, il poursuivait le bot autour de la maison pour des friandises. La caméra embarquée offre une bonne vue grand angle des environs ce qui la rend assez facile à manœuvrer.

Il y a place à amélioration pour qu'il fonctionne mieux dans le monde réel. Cela dit, nous avons créé un système robuste, auquel on peut s'appuyer et s'étendre davantage. Si vous avez aimé ce projet, votez pour nous dans le "Concours de robotique"

Bonne fabrication !

Deuxième prix du concours de robotique