DIY Rasenmäher auf Raspberrypi Basis (Update 22.07.2020)

Kurze Info: Da dieses Projekt von vielen verfolgt wird, habe ich einen Newsletter erstellt, der Euch bescheid geben wird, wenn es etwas neues zum Projekt gibt. Hier gehts zur Anmeldung

Wer kennt’s nicht: Rasenmähen im Sommer ist nervig und Zeitaufwendig. Alle 7 Tage mindestens 1x.. Je nach Belieben. Abhilfe schafft da ein Mähroboter aus dem Baumarkt für mehrere hundert Euro. Der Kostenaufwand, verbunden mit dem umständlichen Eingraben der umgrenzenden Leitung in den Rasen, haben mich immer davon abgehalten eine solche Gartenhilfe zu kaufen. Praktisch sind diese aber schon, daher kannst du hier verfolgen wie ich meinen eigenen DIY Lawnmower bauen werde.

Die Hardware

Die größte Hürde war es geeignete und vorallem kostengünstige Hardware zu besorgen. Auf der Liste standen:

• Akkus
• 2x Motor zur Fortbewegung
• Freilenkendes Vorderrad
• Relais
• Steuereinheit (raspberry pi)

Nachdem ich diese Teile zusammen gesucht hatte (Amazon lässt grüßen), standen Kosten von insgesamt ca. 80€ an. Den größten Kostenanteil stellten hier die Akkus dar.

Als erster Prototyp musste dann eine sperrliche und nicht so schöne Holzkonstruktion herhalten. Die Lenkung wird durch ein freilenkendes Rad vorne realisiert, sodass die Steuerung der eines Panzers ähnelt.
Die erste Montage des Prototyps sieht dann wie folgt aus: (nicht schön, aber ist ja nur der erste Prototyp)

Die Software

Hier wollte ich zunächst die Steuerung übernehmen und den Roboter per Webscript steuern. Dazu habe ich eine html Seite mit Javascript erstellt und diese mit Hilfe der Python Bibliothek Flask mit dem Schalten der Relais verbunden.

Danach stand der ersten Probefahrt nichts im Wege:

Fazit des ersten Prototyps

Zu viel Gewicht und zu klobiges Design. Ansonsten funktionieren Steuerung und Antrieb ohne Ausfälle.
Zukünftig soll der Mäher also kompakter werden und Ziel des Projekts ist es, dass der Rasenmäher mit Hilfe von Näherungssensoren am Roboter und Lichtschranken um die Wiese herum selbst fahren und mähen soll. Eine genaue Zeichnung des nächsten Entwurfs habe ich bereits entwickelt, jedoch ist der 3D Druck sehr teuer. Daher werde ich versuchen das Modell mit Holz nachzubauen.

Update: Ich habe das 3D Modell in Auftrag gegeben. Der Holzbau fällt daher doch weg.

Update 22.08.2019 – DIY LAWNMOWER

Während das 3D Modell gedruckt wurde habe ich mich bereits an die Software zum automatisierten Fahren gesetzt. Da das Ziel ein selbstfahrender Roboter ist, habe ich Näherungssensoren gekauft, mit denen der Mäher erkennen kann, wann sich ein Hindernis vor ihm befindet. Dazu werden diese Sensoren vorne in die dazu vorgefertigten Mulden (siehe Bild hier drüber, Unteransicht) geklebt, sodass sie den Abstand mittig nach vorne und jeweils etwas seitlich nach rechts und links messen.

Die erste Verkabelung sieht wie folgt aus:

Softwareaufbau

Das gesamte Softwareprojekt besteht aus vier Klassen. Eine Steuerungsklasse und drei Hilfsklassen (damit die Main.py übersichtlicher bleibt und außerdem: OOP rules).
Helper.py – führt die Berechnungen zur Bestimmung der Drehrichtung aus und steuert meine Motoren.
Distance.py – misst mit den Näherungssensoren die Entfernung und führt einige Algorithmen zur Fehlerreduzierung aus.
Brain.py – meine Hauptklasse. Hier werden die Parameter (GPIO’s und Speed) festgelegt. Außerdem erfolgt hier der Zugriff auf die Unterklassen und die eigentliche Steuerung. Eine Auswertung der Sensordaten erfolgt in einem Diagramm.

Fehlerreduzierung bei Entfernungsmessung
Da es bei (vor allem hohen) Gras zu unterschiedlichen Messwerten kommen kann, habe ich eine Funktion geschrieben, die anhand der letzten Messungen und einem Fehlerschwellwert überprüft, ob die vom Sensor gemessene Distanz noch im Toleranzbereich liegt. Da allerdings auch große Sprünge in der Entfernungsmessung möglich sein können (z.B. wenn der Mäher an einem nahen Objekt vorbeigefahren ist und plötzlich der nächste Gegenstand mehrere Meter entfernt ist) habe ich noch einen Prüfmechanismus eingebaut, der nach n außerhalb liegenden Ergebnissen die alten Werte überschreibt. Damit werden die alten Richtwerte gelöscht und mit zwei „frischen“ Messergebnissen weitergerechnet.
Das soll ein wildes und unvorhersehbares Drehen des Roboters verhindern.
Anbei ein Ausschnitt des Codes in Python:

Die Liste „self.measurements“ speichert die letzten 5 Messungen. Der „elif“ Teil überprüft, ob die Messung noch im Toleranzbereich liegt. Liegt der Wert außerhalb, wird der Wert verworfen und erneut gemessen. Wird der Wert mehr als 3x verworfen, so wird die Liste geleert und mit den aktuellen Werten befüllt.
Zwischen den erneuten Messungen habe ich ein Delay eingebaut (time.sleep), weil es sonst zu fancy Messfehlern kommt (Kann aber auch daran liegen, dass der Schall noch immer in meinem Raum reflektiert wird und daher der GPIO auslöst).
Hinweis: ich werde den Raspberry Pi Zero gegen einen Raspberry Pi 3 tauschen, da dort die GPIO’s zuverlässiger funktionieren (meine Löt-Künste für die Pins beim zero sind nicht so on point)

Das Mähwerk

Als Mähwerk dient ein 12 Volt DC Motor mit 6000 U/min bei 12 Volt Anschlussspannung. Daran habe ich mit einer Kupplung zwei Cuttermesser-Klingen befestigt, die das Gras leicht schneiden können.
Hier die Konstruktion:

Update – 28.08.2019 – 3D Modell

Das 3D Modell ist bei mir angekommen und ich habe die Komponenten bereits montiert. Die Maße haben soweit gepasst, nur die Löcher musste ich noch vorsichtig etwas größer bohren. Hier ist der Aufbau:

Die ersten Fahrversuche klappen relativ bescheiden. Die Näherungssensoren erkennen manche Objekte nicht (eventuell muss ich den mittleren Sensor auf einen rotierenden Motor montieren, sodass eine 180 Grad Ansicht entsteht).
Die andere Möglichkeit wäre mit Hilfe von OpenCV (KI Bilderkennung von Google) Objekte und Hindernisse zu erkennen. Das scheint die interessantere und herausfordernste Variante zu sein.
Aber vorerst werde ich das jetzige Projekt testen und die ersten Mähversuche starten.

Der erste Mähversuch klappte ganz okay. Die Sensoren weichen größeren Hindernissen aus und das Cuttermesser erfüllt seinen Job. Lediglich die Batterie ist viel zu schwer und verlagert so den Schwerpunkt zu weit nach hinten.

Projektausblick:
Über den Winter muss ich also einer automatischen Erkennung von Gras arbeiten, damit der Mäher die Grünfläche nicht verlässt. (Open AI mit Webcam) Außerdem muss eine neue Batterie her (Modellflug o.ä.)

Update 24.03.2020

Nach langer Winterpause habe ich den Rasenmäher wieder aus dem Schrank geholt und die Software und den gesamten Aufbau überarbeitet. Die Software, die ich letzes Jahr geschrieben habe hat ab und zu Fehler geworfen, da durch das Multithreading zwar schnell alle Befehle und Fehlerkorrekturen berechnet wurden, aber häufig auch die Sensoren zu schnell hintereinander gemessen haben. Dadruch hat z.B. der linke Sensor die Ultraschallwellen des mittleren Sensors erfasst, wodurch es zu falschen Messergebnissen kam.

Den aktuellen Stand der vereinfachten Software kannst du hier finden: https://github.com/fvoss796/mower

Anstatt der Relais zum Ansteuern der Gleichstrommotoren, habe ich eine Platine eingebaut, die sowohl Drehrichtung als auch Geschwindkeit der Motoren steuern kann. Damit können normale Kurven gefahren werden. Detailliertere Infos folgen dazu.

Außerdem waren die Auflageflächen der Reifen ein großes Problem, da hier einfach die Runde Oberfläche als Profil diente. Mit dem 3D Drucker habe ich mir ein aufsteckbares Profil gedruckt:

Außerdem habe ich eine 2S Lipo Batterie aus dem Modellbau bestellt, um ordentlich Gewicht zu sparen. Sobald diese eingetroffen ist, folgt die erste Testfahrt auf freiem Gelände!

Update 22.04.2020

Aufgrund der Corona Krise dauern die Lieferungen für meine Bauteile etwas länger. Mir fehlt nur noch das Ladegerät für den Akku. In der Zwischenzeit habe ich bereits das Chassis gedruckt und zusammengebaut:

Update 24.04.2020

Endlich ist es soweit!!! Ich habe alles zusammengebaut und die Batterie voll geladen. Die erste richtige Testfahrt kann los gehen. Ich habe ein Video zusammengeschnitten, um eine grobe Vorstellung davon zu vermitteln, wie die Fahrt lief und wie der Mäher im Allgemeinen funktioniert.

Das Logging während der Fahrt klappt einwandfrei. Anfangs habe ich den Mindestabstand und die Empfindlichkeit bei Hindernissen noch justieren müssen. Weitere Tests werden zeigen, wie sich der Mäher im Alltag schlägt.

Im Video habe ich auch das Logging eingeblendet. Dies ist wie folgt aufgebaut:

[Abstand links, Abstand mitte, Abstand rechts]
————————————————————-KleinsterAbstandDavon

Sollte der kleinste Abstand unter 20cm fallen, wird gedreht. Nach 15 Messungen wird eine leichte Drehung ausgeführt, welche zufällig nach rechts oder links erfolgt. Damit soll ein Zufallsprinzip nachgeahmt werden. Jetzt aber viel Spaß beim Video:

Die nächste Testfahrt wird länger verlaufen und ich werde eine On-Board Kamera montieren, damit man die Fahrt aus der Perspektive des Mähers sieht. Nach der ca. 30 minütigen Testfahrt gestern war der Akku noch auf 12,5 Volt. Die LiPo Batterie darf maximal bis auf 3 Volt pro Zelle entladen werden. Bei meinem Akku ist also bei spätestens 9 Volt Schluss. Dadurch bin ich zuversichtlich, dass der Akku mehrere Stunden am Stück halten wird. Näheres dazu im nächsten Beitrag

Bauteile

Hier folgt die von vielen angefragte Liste der Bauteile, die ich verwendet habe:

• Raspberry Pi (Welche Version ist egal)
• Powerbank mit Solarladefunktion
• 3x Näherungssensoren (SR-HC04)
• 5 Volt Relais (Dazu gibt’s auch ’ne Menge an Videos zu im Netz – einfach „Raspberry Pi Relais steuern“ eingeben)
• Motortreiber (STL298N)
• zwei Getriebemotoren aus dem Modellbau
• und natürlich diverse Jumper Kabel und Klemmen

In Zukunft folgen:

• Gyroskopo zur Lagemessung (MPU 6050)
• Farbsensor zur Erkennung von Randmarkierungen (TCS3200)
• Weißes Kreidespray wie es im Fußball verwendet wird

Mit dem Gyroskopo möchte ich sicherstellen, dass der Mäher bei gewissen Kanten nicht kippt. Mit der Rasenfarbe werde ich wie beim Fußball den Rand der Wiese kennzeichnen und mit dem Farbsensor diese Farbe dann hoffentlich erkennen. Diese Methode ersetzt dann die bei handelsüblichen notwendigen Induktionsleitungen in der Wiese.

Planung der Version 2 des DIY Lawnmowers

Durch die vielen verschiedenen Vorschläge durch Euch in den Kommentaren bin ich zum Entschluss gekommen, diesen Rasenmäher so zu lassen und nicht weiter zu entwickeln. Er wird diesen Sommer weiter so im Einsatz bleiben und jeden zweiten Tag für 4 Stunden den Rasen mähen.

Ich plane eine Version 2 mit einem 360 Grad Lidar Sensor (wie auch in den Staubsauger Robotern https://amzn.to/3jmmZ6e ), GPS und besserem Antrieb.

Ich werde also die nächste Zeit noch ein wenig sparen und dann nach und nach hier auf der Internetseite die Pläne für das neue Gehäuse, den neuen Aufbau und die Software hochladen. (Alles natürlich leider erst nach der Klausurenphase und in den Semesterferien).

Ziel des Projektes ist, dass es klarer strukturiert und einfach nachzubauen ist.

Vielen Dank für die tollen Kommentare und das Feedback zu diesem Projekt!

In der Zwischenzeit gibt’s hier noch einige SmartHome Projekte: https://favoss.de/category/smarthome/