Erste Tests mit der Microsoft Kinect und OpenKinect / libfreenect

 Wie aus dem letzten Post vielleicht für den einen oder anderen zu erkennen, handelt es sich bei dem selbst gemachten Weihnachtsgeschenk um die Microsoft Kinect, die gerade vielfältig von sich reden macht. Denn eine Art 3D-Sensor in dieser Preisklasse schien vorher nicht recht möglich. Seit ein paar Tagen werden die gehackten und mittlerweile als Open Source verfügbaren Treiber, Libraries und Sourcecodes untersucht und ein wenig damit experimentiert. Hier die ersten Eindrücke:

      

Und hier das erste Erfolgserlebnis im etwas angepassten Sourcecode:

Wie man an der markierten Stelle sieht, wird hier schon ganz gut ein mögliches "Hindernis" für den Roboter angezeigt. Auf dem Live-Bild der Kamera rechts oben im Bild ist ein "Klavier-Hocker" zu erkennen. Der Sourcecode wurde so angepasst bzw. beim Programmstart so eingestellt, dass im Fenster links unten nur Objekte (Hindernisse) ab einer bestimmten Entfernung markiert (umrahmt) werden. Das Programm zeigt das größte Hindernis an, erkennt nun deren Mittelpunkt innerhalb des Bilders (X/Y-Koordinaten) und zeigt auch den Abstand des Objektes an. Und das beste: Das läuft soweit bereits unter Mac OS und unter Linux.

Genutzt wurde dazu der als Open Source verfügbare Treiber / die Library OpenKinect. Ergänzt um openFrameworks und ofxKinect. Vorteil dieser Lösung ist, dass sie unter Windows, Linux und Mac OS läuft. Ein Nachteil dieser Lösung könnte sein: Es gibt zwar einen Wrapper für das Qt Framework, welches von mir genutzt wird, aber da fehlen sämtliche OpenCV Elemente, die bei der openFrameworks Lösung alle schön beinhaltet sind. Da ist also noch etwas Analyse erforderlich, wie das ganze zusammenzubringen ist. :-) Es wird nicht langweilig…

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Kleines Spielzeug…

Der Weihnachtsmann war da und hat ein bisschen neue (Robotik?)Hardware mitgebracht:

Mal sehen, was man da noch so schönes mit anstellen kann… :-)

PS.: Damit halbwegs noch was zu erkennen ist, bitte das Video auf Vollbild stellen. Links unten sind bei den „erkannten“ Objekten dezent rote Rahmen um sie herum zu erkennen. Leider wurde die beim Umwandeln twas „wegoptimiert“. Aber mit etwas Mühe sind sie zu sehen. Leider ist das Original-Video irgendwie verschütt gegangen. Sorry…

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Schematischer Aufbau direcs1

Auf dieser Seite ist der aktuelle schematische Aufbau des Roboters direcs1 dargestellt:

Stand: 04.04.2011

 

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3D-Kompass-Modul-Verbindung wird geprüft und in GUI angezeigt

Beim Testen des Atmelboards außerhalb des Roboter fiel auf, dass es manchmal bei der seriellen Übertragung nach einiger Zeit timeouts gab. Die Ursache lag im Atmelcode für den Micromag 3D-Kompass. Dieser initialisiert beim ersten Start des Atmels das SPI / I²C Protokoll. Danach fragt das direcs-Hauptprogramm den Atmel nach den Kompassdaten. Ist das Kompassmodul aber nun gar nicht mit dem Atmelboard verbunden, so kommt es zu den timeouts, da im SPI-Code auf bestimmte Bitzustände gewartet wird.

Um dieses zu verhindern und hiermit auch eine weitere Sicherheit einzubauen, wird nun beim Abfragen der Kompasswerte jedesmal geprüft, ob ein bestimmtes Portbit gesetzt ist. Dieses Portbit ist durch einen 100k-Widerstand am Atmelboard standardmäßig auf Masse gezogen. Wird das Kompassmodul nun per Falchbandkabel angesteckt, wird diese Leitung vom Kompassmodul aus auf 5V "hoch gezogen". 

Bei der Initialisierung des Atmelboards bzw. der Prüfung ob der Roboter eingeschaltet ist im direcs-Hauptprogramm, wird nun auch zusätzlich abgefragt, ob das Kompassmodul verbunden ist. Dieses wird auch in der GUI grafisch mit einer weiteren LED (rechts oben im Bild) angezeigt.

Atmel-Board gar nicht verbunden (Kompass damit natürlich auch nicht):

Atmel-Board verbunden, Kompassmodul nicht angeschlossen:

Atmel-Board verbunden, Kompassmodul ebenfalls angeschlossen:

 

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Allgemeiner Aufbau direcs1

Auf dieser Seite sollen die einzelnen Bestandteile des Roboters direcs1 näher beschrieben werden.

Das Grundgerüst des Roboters sieht wie folgt aus:

Als Rahmen wurden Aluminium-Profile verwendet, die verhältnismäßig günstig sind:

 

Bezugsquelle: Kalms Flightcase GmbH

Die Räder sind so genannte Mecanum-Räder. Diese versetzen den Roboter in die Lage

  • sich auf der Stelle um sich selbst zu drehen
  • links und rechts seitwärts zu fahren
  • ganz normal vorwärts und rückwärts zu fahren oder
  • diagonal, also schräg nach vorne oder hinten links oder rechts zu fahren:

 

Die im rechten Bild zu sehenden Aluminium-Halter sind Eigenentwicklungen.

Bezugsquelle: About AndyMark, Inc.

Die Motoren sind vom teuren Conrad. 1-12V Getriebemotoren Modelcraft . Der Roboter besitzt vier 1-12V Getriebemotoren Modelcraft (RB350050-22723R) mit 6200 UPM und 1:50 Untersetzung was dann 110 UPM ergibt. Der Stromverbrauch beträgt je Motor maximal 0,75A wobei sie maximal 0,695 Nm leisten [und nicht 5 Nm wie im Datenblatt fälschlicherweise angegeben]:


Im Bild bereits zu sehen, dass der Motor um einen stabileren Halter aus den obigen Aluminiumprofilen erweitert wurde.

Bezugsquelle: Conrad Electronic SE

Der Antrieb wurde mittels Zahnriemen und Zahnriemenscheiben realisiert:

Bezugsquelle: Conrad Electronic SE

Die Stromversorgung des Roboters erfolgt über vier 12V-Akkus mit jeweils 7Ah zwei LiPo-Akkus: Einen 4S und einem 6S mit jeweils 5000 mAh und C30:

11-1V-30c-5000mAh-3-Cells-Li-Po-Rechargeable-Battery-With-Deans-T-Plug  Mystery_22_2V_30C_5000mAh_6S_RC_LiPo_Battery_Deans_plug

Bezugsquelle: Pollin Electronic GmbH Ebay

Auf dem Roboter direcs1 stehen drei verschieden Spannungen in zwei verschiedenen Stromkreisen zur Verfügung

  • 24V für den Laserscanner in Stromversorgungskreis 1
  • 12V für das Commel Mainboard in Stromversorgungskreis 1
  • 5V für den Microcontroller und sonstige Sensoren / Schaltkreise in Stromversorgungskreis 1
  • 12V für die Motoren in einem eigenen Stromversorgungskreis 2.

Erzeugt werden diese Spannungen mittels Schaltregler auf den folgenden Platinen:

 

Bezugsquelle: reichelt elektronik GmbH & Co. KG

Die Schaltkreise sind über Sicherungen geschützt:

Bezugsquelle: reichelt elektronik GmbH & Co. KG

Über ein zentrales Panel können die Spannungen (und damit der Roboter) eingeschaltet werden. Der silberne Taster ganz links dient zum Einschalten des fit-PCs. Der Not-Aus-Schalter unterbricht lediglich die Stromzufuhr zu den Motoren:

Bezugsquelle Lochblech: Praktiker Deutschland GmbH
Bezugsquelle Bauteile: reichelt elektronik GmbH & Co. KG

Die Low-Level-Steuerung, also die Ansteuerung der Motorcontroller erfolgt über ein Atmel-Board mit einem AVR2560 STM32F4-Discovery-Board mit ARM-Prozessor:

Auf dem Bild ebenfalls erkennbar diverse Steckverbinder zu weiteren Platinen, Eingänge zum A/D-Wandler, welcher die Akkuspannungen überwacht, ein Optokoppler zum Ansteuern der Warnleuchte (siehe auch Folgefotos), diverse Spannungsversorgungsstecker und ein USB-Seriell-Wandler.

Bezugsquelle: watterott.com

Die Motorsteuerung bzw. Regelung der Geschwindigkeiten erfolgt über die folgenden Boards:

Bezugsquelle: robotikhardware.de

Ein weiterer verwendeter Sensor ist ein 3D-Kompass befindet sich mit auf dem STM32F4-Board, ist aber derzeit noch nicht im Einsatz.

Der größte „Sensor“ ist sicher der SICK Laserscanner (rechts im Bild):

Links im Bild ist noch der zuvor verwendete Laserscanner älterer Bauart (PLS 101-312) zu sehen, der aktuell durch ein moderneren namens S30B-2011BA (S300 Standard) ersetzt wurde. Dieser weist zudem eine Auflösung von 0,5° (gegenüber 1°) und ein Überwachungsfeld von 270° (gegenüber 180°) auf.

Bezugsquelle: eBay

Das eigentliche „Herz“ des Roboters ist ein fit-PC2 vollwertiges pico ITX Mainboard LP-170G von Commell mit Atom-Prozessor, 2 GB RAM, 2,5″ Festplatte, 4 USB-Ports, 2 seriellen Ports, 2 PS/2-Ports, Gigabit-LAN, WLAN, CF-Kartenleser, Audio-Ein und Ausgang und VGA-Ausgang:

  

Bezugsquelle: HRT Informationstechnik

Zur Anzeige diverser Stati und späteren Steuerung dient ein 7″ Touchscreen von Faytech dessen Eingangssignal über einen Wandler von HDMI nach VGA gewandelt wird:

  

Bezugsquelle: reichelt elektronik GmbH & Co. KG

Damit der Roboter auch etwas „sieht“, hat er eine Logitech Webcam seit neuestem eine Microsoft Kinect Kamera, deren Bild per WLAN zu eine separaten Applikation oder auf eine beliebige Webseite per motion überträgt:

 

Da direcs1 auch über eine Sprachausgabe verfügt, sind zwei Lautsprecher mit integriertem Verstärker ebenfalls vorhanden:

 

Um den Roboter über einen externen Joystick oder Gamepad manuell zu steuern, wurde eine externe USB-Buchse von Neutrik montiert (hier noch ein altes Foto mit dem alten Laserscanner rechts):

 

Bezugsquelle: reichelt elektronik GmbH & Co. KG

Als letztes hat er natürlich auch eine Warnleuchte, wie es sich für einen richtigen Roboter gehört:

Und so sieht er nun (01.09.2012) vollständig aus:

    

 

 

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Screenshots direcs

 

Zwei aktuelle Screenshots – einmal der erste Test mit dem neuen ARM-Board unter Linux in der Debian-VM (Parallels unter Mac OS X), der zweite nativ auf dem Mac.
15.04.2012

Erste Experimente mit der Microsoft Kinect Kamera und dem OpenKinect / libfreenect Sourcecode.
30.12.2010

Größeres Redesing: Grafischen Heartbeat korrigiert, Roboter-Motor-Status wird nun grafisch rechts oben angezeigt (mit GUI LEDs), Änderung der Hauptfenstergröße zur Anzeigen auf dem MacBook Pro.
30.11.2010

Kleine Verbesserungen in der GUI: Grafische LEDs über den Zustand diverser Module im „state“ Bereich rechts oben, Gitternetzlinien innerhalb der Plot-Fenster (Batteriespannungen) und ein grafischer Heartbeat (rot).
14.11.2010

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