Construye un Tanque Láser Controlado por Leap Motion – Arduino, Raspberry Pi, LEDs RGB

Componentes y Suministros

• LED Infrarrojo × 1
• Receptor Infrarrojo × 1
• Arduino UNO × 1
• Raspberry Pi 2 Model B × 1
• Módulo RF24 × 1
• LED RGB (cátodo común) × 1
• Circuito Integrado L293D (controlador de motor) × 1
• Protoboard (genérico) × 1
• Cables Dupont (genéricos) × 1
• Portapilas × 1
• Pilas AA (recargables NiMH) × 1
• Ladrillos Lego × 1
• Rueda loca metálica 3/8" × 1
• Controlador Leap Motion × 1

Acerca del Proyecto

El objetivo de este proyecto era crear un conjunto de tanques robóticos para combatir, donde los operadores tuvieran una sensación más realista al controlar los vehículos mediante el controlador Leap Motion. Se buscaba que los tanques fueran económicos para que cualquiera pudiera replicar el proyecto fácilmente.

El chasis del tanque está construido con ladrillos y placas Lego genéricos. La fuente de alimentación es un bloque simple de 4 pilas AA recargables. El controlador del tanque es un Arduino Uno R3. La "propulsión" consiste en dos motores DC con ruedas en la parte trasera y una única rueda loca delantera, controlados por un solo circuito integrado L293D. El "armamento" es un único LED infrarrojo y la "armadura" es un conjunto de sensores IR que detectan impactos del LED IR del tanque opuesto. El "display de información" (HUD) es un único LED multicolor que indica cualquier acción en el tanque, incluido el estado de la armadura. Finalmente, el "control" del tanque se maneja de forma inalámbrica mediante una Raspberry Pi 2 ejecutando NodeJS, conectada a través de un módulo inalámbrico RF24 que cada tanque también lleva.

Utilizando las manos del operador, el Leap Motion controla el tanque mediante el SDK de JavaScript de Leap Motion. El SDK detecta el movimiento de las manos; JavaScript se comunica con el servidor NodeJS en la Raspberry Pi 2, que a su vez se comunica con el tanque a través del módulo RF24. Ambas manos hacia adelante: el tanque avanza. Ambas manos hacia atrás: el tanque retrocede. Mano izquierda adelante, derecha atrás: gira a la derecha. Mano derecha adelante, izquierda atrás: gira a la izquierda. Ambas manos en posición "neutral": el tanque se detiene. Una mano adelante (izquierda o derecha) mientras se baja la otra: "dispara" el arma del tanque.

Aquí una demostración rápida del arma, la armadura y el HUD del tanque.

Usando la armadura omnidireccional avanzada y cajas de cartón como refugio, Laser Tanks se convierte en un juego de cazar y evadir.

Pasos de Configuración del Proyecto

1. Ensambla los tanques y cabléalos según los esquemas a continuación. Descarga las librerías necesarias de Arduino (ver README en el repositorio de GitHub), compila y sube el sketch para tanque1 a un tanque y tanque2 al otro.
2. Cablea el transceptor RF24 a la Raspberry Pi. Instala el sistema operativo Raspbian y Node.js en la Pi.
3. Descarga, configura y compila la librería RF24 en la Pi (ver README en GitHub).
4. Descarga el software del servidor NodeJS desde GitHub, configúralo e inicia el servidor de aplicaciones/web (ver README).
5. Instala el Leap Motion y sus drivers en tu computadora. Abre un navegador y carga la URL del servidor REST/web de la Raspberry Pi para cargar la página de control del tanque 1 o 2 (ver README).
6. Haz clic en el botón de calibración y mantén tus manos sobre el Leap Motion para que detecte dos manos y conozca tu posición neutral. Una vez calibrado, puedes controlar el tanque con tus manos.

Nota Rápida sobre el Chasis del Tanque

El cuerpo de los tanques se ensambla con Legos simples que se "pegaron con pegamento fuerte" a las partes (motores, protoboards, etc.) para ayudar a mantenerlo unido. Aquí una presentación de cómo se hizo.

Nota Rápida sobre LEDs Infrarrojos

Los controles remotos por infrarrojos son muy funcionales cuando quieres cambiar de canal desde el sofá, el suelo o la silla. Los LEDs IR están diseñados para emitir luz en tantas direcciones como sea posible para mejorar la cobertura. Pero si quieres controlar el haz del LED para que sea más estrecho y sea más difícil impactar el sensor remoto (como en un juego de batalla de tanques), es un poco más difícil. En mi investigación descubrí que usando una lente de lupa simple al final de un tubo, puedes enfocar el haz infrarrojo. Aquí un diagrama:

Compré una lupa de bolsillo muy económica en una farmacéutica, saqué la lente, construí un tubo alrededor y coloqué el LED IR en el otro extremo; esto funcionó perfectamente para estrechar el haz del LED IR y hacerlo más preciso.

Nota Rápida sobre Sensores Infrarrojos de 360 Grados

Un sensor infrarrojo detecta señales de un LED IR cuando este está directamente frente a él o en un ángulo de unos 90 grados. Si el LED IR está detrás del sensor, no detectará la señal.

Para lograr 360 grados de detección, se necesitaban 4 sensores en 4 pines distintos o una solución hardware que permitiera encadenar 4 sensores en un solo pin. Encontré artículos que mostraban cómo lograr esto con un circuito integrado AND simple (74HCT21) para conectar 4 sensores a una sola entrada. Cuando cualquiera detecta una señal IR, la reporta en ese pin. Esto permite 360 grados de detección sin modificar la librería IR ni usar 4 pines de entrada.

Código

Laser Tanks en GitHub

Todos los archivos de código personalizados para el proyecto Leap Motion Laser Tanks:
https://github.com/corky/LaserTanks

Esquemáticos

Usando un LED infrarrojo, el tanque dispara "códigos" que los otros tanques identifican como impactos.

Usando un solo sensor infrarrojo, el tanque detecta cuando llegan señales IR de tanques opuestos y las registra como impactos.

Usando 4 sensores infrarrojos encadenados con un circuito integrado AND simple (74HCT21), un tanque identifica señales IR de LEDs de tanques opuestos como impactos desde 360 grados a su alrededor.

Usando un LED RGB, el tanque identifica su estado actual (cuántos impactos ha recibido) cambiando el color del LED. También cambia a verde por cada disparo que realiza.

Usando un circuito integrado L293D y simples motores DC, el tanque puede moverse adelante, atrás y girar a izquierda o derecha.

Usando un transceptor RF24 simple y económico, el tanque se comunica y recibe comandos del operador.

Usando una Raspberry Pi 2, un transceptor RF24 simple y Node JS, el operador se comunica con cada tanque mediante llamadas a API REST.