TRAKTOR

1. Działanie projektu i zastosowane algorytmy

Robot Traktor to mobilny pojazd sterowany przez mikrokontroler ESP32-CAM ze zintegrowanym modułem kamery. Komunikacja na linii użytkownik–robot odbywa się poprzez responsywny interfejs webowy, udostępniany bezpośrednio przez mikrokontroler. Po uruchomieniu urządzenie tworzy własny punkt dostępowy Wi-Fi o nazwie SIC_Robot_SHARKY.

Interfejs wyświetlany w przeglądarce internetowej (np. na smartfonie) nie wymaga instalacji dodatkowych aplikacji. Zawiera on podgląd obrazu z kamery na żywo oraz zestaw przycisków sterujących.

Pojazd może pracować w dwóch głównych trybach:

Tryb manualny

Naciśnięcie przycisków w interfejsie generuje asynchroniczne żądania HTTP GET. Pozwala to na:

• Kierowanie pojazdem we wszystkich kierunkach.

• Płynną regulację prędkości silników (przy użyciu sygnałów PWM).

• Sterowanie położeniem ramienia roboczego zakończonego łyżką.

Tryb autonomicznej detekcji i śledzenia

Po aktywacji tego trybu ESP32-CAM analizuje obraz z kamery w czasie rzeczywistym, poszukując obiektów w kolorze czerwonym. Proces ten składa się z kilku etapów:

1. Przetwarzanie obrazu: Klatki pobierane w rozdzielczości QVGA są konwertowane w locie z formatu JPEG do surowego formatu RGB565.

2. Filtracja barwna: Algorytm analizuje obraz piksel po pikselu, wyodrębniając składowe R, G i B. Wykrywane są tylko te obszary, w których czerwień przekracza wyznaczony próg jasności i jednoznacznie dominuje nad resztą kanałów.

3. Redukcja szumów i błędów: Program odrzuca pojedyncze piksele oraz małe skupiska (poniżej 25 pikseli), eliminując zakłócenia świetlne i szum matrycy. Pomijane są również dolne partie obrazu, aby wykluczyć sprzętowe zniekształcenia obiektywu.

4. Obliczanie trajektorii (sprzężenie zwrotne): Po wykryciu czerwonej plamy algorytm oblicza jej środek ciężkości. Wyznaczony w ten sposób błąd położenia względem środka kadru steruje ruchem robota. Silniki otrzymują krótkie impulsy, korygując tor jazdy tak, aby cel znajdował się w centrum.

5. Interakcja: System szacuje odległość na podstawie rozmiaru plamy barwnej. Gdy obiekt jest wystarczająco blisko (liczba czerwonych pikseli przekracza zadany próg), robot zatrzymuje się i uruchamia sekwencję serwomechanizmu: opuszczenie łyżki, zagarnięcie ładunku i jego podniesienie.

6. Tryb skanowania: W przypadku utraty celu z pola widzenia, pojazd zaczyna powoli obracać się wokół własnej osi krok po kroku, aż obiekt ponownie pojawi się w kadrze.

2. Napotkane problemy i ich rozwiązania

W procesie projektowania i testowania robota zidentyfikowano trzy główne wyzwania techniczne, które wymagały usprawnień.

• Problem 1: Niestabilna detekcja koloru w zmiennym oświetleniu
  Początkowy algorytm był zbyt czuły i reagował na szumy oraz ciepłe barwy otoczenia (np. drewnianą podłogę).
  Rozwiązanie: Zaostrzono warunki progowe – wartość kanału czerwonego (R) musi teraz przekraczać 50, być co najmniej dwukrotnie wyższa od kanału zielonego (G) i wyraźnie wyższa od niebieskiego (B). Wykorzystano dodatkową pamięć PSRAM oraz sprzętowe podbicie saturacji matrycy.

• Problem 2: Ograniczenia wydajnościowe układu ESP32-CAM
  Jednoczesna obsługa kamery, analizy matematycznej, serwera Wi-Fi i sterowania silnikami powodowała zawieszanie procesora, a ramki pobierane w trakcie obrotu robota były rozmyte, co fałszowało odczyty barw.
  Rozwiązanie: Wprowadzono ruch krokowy z systemem mikrosekundowych opóźnień, pozwalających matrycy na stabilizację po każdym impulsie silników. Zoptymalizowano bufor kamery (odrzucanie przestarzałych klatek) oraz poprawiono wydajność bitową obliczeń pod kątem architektury Little-Endian. Dzięki temu ESP32 płynnie przetwarza obraz bez konieczności użycia zewnętrznego serwera.

• Problem 3: Mechaniczne mocowanie osprzętu
  Gotowe podwozie nie posiadało otworów montażowych dla serwomechanizmu i łyżki, przez co ramię odginało się pod obciążeniem.
  Rozwiązanie: Zastosowano techniki szybkiego prototypowania – użyto mocnej taśmy montażowej oraz opasek zaciskowych. Konstrukcja zyskała odpowiednią sztywność, niezbędną do poprawnego wykonywania zadań w fazie testów.

3. Instrukcja odtworzenia projektu

Projekt można łatwo odtworzyć w warunkach pracowni szkolnej lub domowego warsztatu, wykorzystując zmontowanego robota oraz udostępniony kod źródłowy.

Krok 1: Przygotowanie środowiska
Zainstaluj na komputerze edytor Visual Studio Code oraz rozszerzenie PlatformIO IDE (alternatywnie: Arduino IDE). PlatformIO jest zalecane ze względu na automatyczne pobieranie kompilatorów i bibliotek (w tym wymaganego rdzenia w wersji 2.0.14).

Krok 2: Pobranie kodu
Pobierz repozytorium projektu z GitHuba, rozpakuj archiwum i otwórz folder w wybranym środowisku programistycznym.

Krok 3: Podłączenie mikrokontrolera
Podłącz moduł ESP32-CAM do komputera za pomocą konwertera USB-UART (np. FTDI).

• Uwaga: Zasilanie pinu 5V na płytce ESP32 wymaga napięcia 5V, ale logika sygnałowa konwertera (RX/TX) musi być ustawiona na 3.3V (inaczej układ może ulec uszkodzeniu).

• Połącz masę (GND) obu układów.

• Skrzyżuj linie komunikacyjne: pin TX konwertera połącz z RX modułu, a RX konwertera z TX modułu.

Krok 4: Wgrywanie programu
Aby wprowadzić ESP32 w tryb programowania, zewrzyj pin GPIO 0 z masą (GND) przed podłączeniem zasilania. Kliknij „Upload” w środowisku IDE. Po zakończeniu procesu odłącz zworkę z pinu GPIO 0 i zrestartuj układ.

Krok 5: Uruchomienie
Włącz robota. Na smartfonie wyszukaj i połącz się z siecią Wi-Fi o nazwie SIC_Robot_SHARKY. Otwórz przeglądarkę i wpisz adres 192.168.4.1. Otworzy się panel sterowania robota.