ROBOCUP JR ITALIA 2012

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1 Rete di scuole per la ROBOCUP JR ITALIA ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) aprile Della squadra Penelope Istituto I.T. ARCHIMEDE CATANIA

2 La Rete di scuole per la Robocup Jr ITALIA è espressione dell Autonomia scolastica regolata dal D.P.R. 275/99 (art. 7) che permette alle scuole statali di operare sinergicamente per obiettivi condivisi e ritenuti importanti per l offerta formativa erogata all utenza. La Rete di scuole è nata sulla condivisione di una serie di principi EDUCATIVI e DIDATTICI riferiti alla realtà della scuola italiana. Questi principi e le conseguenti proposte operative erano stati riportati in un documento del maggio 2008 dal titolo: Manifesto per una RoboCupJr italiana - una proposta per la diffusione dell utilizzo didattico della Robotica nelle scuole a cura di Andrea Bonarini, Augusto Chioccariello e Giovanni Marcianò. Maggio 2008 L obiettivo della Rete organizzare l edizione italiana della Robocup Jr concretizza una spinta al confronto e alla collaborazione tra Istituti scolastici, elementi che motivano docenti e studenti all impegno nell innovazione, sia didattica che tecnologica, affrontando i problemi che costituiscono uno standard internazionale dal 2000, quando la Robocup (manifestazione riservata alle Università di tutto il mondo) ha proposto le tre gare per la scuola: Dance Rescue Soccer. La Robocup Jr ITALIA è Una manifestazione nazionale fondata di tre punti forti: 1. una struttura che cura l organizzazione e gestisce gli aspetti di organizzazione, promozione, svolgimento ai diversi livelli, regionali e nazionali; 2. un contenuto condiviso, ovvero regolamenti, formule di gara, supporto formativo e informativo ai partecipanti; 2

3 3. una documentazione delle proposte didattiche e del lavoro degli studenti che coinvolgono l uso di kit o robot auto costruiti per la partecipazione agli eventi organizzati dalla Rete. Questo volumetto appartiene alla collana di documentazione. Sul piano organizzativo e gestionale della Rete di scuole lo Statuto prevede organismi ben distinti ma fortemente integrati: COMITATO DI GESTIONE formato dai Dirigenti scolastici degli Istituti fondatori o associati alla Rete. Si riunisce due volte l anno in via ordinaria, e online per decisioni straordinarie. ISTITUTO CAPOFILA come previsto dal DPR 275/99 cura gli aspetti burocratici, amministrativi e contabili della Rete. Il Dirigente scolastico dell Istituto capofila è il legale rappresentante della Rete e provvede a dare esecuzione alle delibere del Comitato di Gestione. COMITATO TECNICO formato dai docenti referenti degli Istituti fondatori o associati alla Rete, provvede a definire il Bando e i Regolamenti di gara per la manifestazione annuale nazionale, trasmettendoli al Comitato di gestione che li deve approvare. COMITATO LOCALE - Cura l edizione annuale della manifestazione, ed è formato a cura del Istituto fondatore o associato a cui il Comitato di Gestione ha assegnato la cura dell evento. ISTITUTI PARTECIPANTI iscrivendosi alle gare, beneficiano del supporto della Rete ma non partecipano alle decisioni gestionali o tecniche. La partecipazione alla gara nazionale li rende idonei per aderire alla Rete. Diversamente serve il parere del Comitato Tecnico. 3

4 autori Catania Marco De Domenico Federico Costanzo Giacomo Ziino Andrea NOME SQUADRA PENELOPE PARTECIPA ALLA GARA DI RESCUE A Istituto Tecnico Industriale ARCHIMEDE Catania 4

5 CAP. 1 - DATI GENERALI (indicazione dei componenti della squadra, istituto di provenienza, docente/i responsabile, altro ) La squadra è composta dai seguenti componenti: 1. Catania Marco classe quarta spec. Elettronica 2. De Domenico Federico classe quinta spec. Elettronica 3. Costanzo Giacomo terza spec. Meccanica 4. Ziino Andrea classe quinta spec. Elettronica Il docente responsabile che accompagna la squadra è il Prof. Arcidiacono Pietro dell I.T. Archimede di Catania. 5

6 CAP. 2 - DATI DI CONTESTO E MOTIVAZIONE (Descrizione della storia della partecipazione alla Robocup Jr Italia. Chi ha lanciato l idea, chi l ha raccolta, dubbi, ostacoli e aiuti ricevuti, dalla scuola, dalle famiglie, da amici e supporters ) Già a partire dagli anni '80 e '90 nell IT Archimede sono stati realizzati piccoli automi intelligenti, dotati di appositi sensori, che potevano muoversi in un percorso con ostacoli, seguendo una linea nera di riferimento. Inoltre durante lo studio delle discipline della specializzazione Elettronica e Telecomunicazioni era prevista un'apposita attività denominata Area di Progetto, che aveva obiettivi formativi di tipo professionalizzante e portava spesso alla realizzazione di dispositivi per l automazione. Grazie anche alla collaborazione con una nota azienda elettronica multinazionale presente nel territorio, si realizzavano inoltre corsi di aggiornamento per gli insegnanti e corsi di post - diploma per gli alunni già diplomati, che avevano come obiettivo principale la conoscenza e l uso del microprocessore Z80 e successivamente del microcontrollore ST6. Appunto con i microcontrollori sono stati realizzati progetti interessanti come inseguitori intelligenti di luce con pannelli fotovoltaici, centraline automatiche per ascensori, case intelligenti con controllo di luce, temperatura, allarmi gas ed intrusioni collegati anche al PC, robot con telecamera e 6

7 sensori ultrasuoni per l esplorazione autonoma di ambienti e invio di immagini a distanza. Proprio quest'ultimo progetto, dell'anno scolastico , ha destato l'interesse della Facoltà d'ingegneria, con cui si ipotizzò una collaborazione didatticoscientifica sulla Robotica, che diventò concreta nel Fig. 1 - Robot anno 2000 Si partecipò così all'organizzazione del campionato mondiale Eurobot 2006 a Santa Tecla (Acireale). Si partecipò alle gare di Minirobot, una competizione per scuole superiori organizzata dall università di ingegneria e basata sul kit Lego Mindstorm. Il kit della Lego è basato su microcontrollore della serie ARM7 a 32 bit, può gestire 3 motori e quattro sensori ed è corredato da tutta una serie di parti meccaniche e ingranaggi che permettono di costruire la struttura portante 7

8 dei robot in modo semplice e veloce. Sulla scorta dell esperienza acquisita si decise di partecipazione in aprile 2010 all'edizione della Robocup Junior ( in programma a Vicenza. L' idea era di sfruttare gli studi già svolti sull'equilibrio degli umanoidi e sui sensori accelerometri e giroscopi per programmare movimenti fluidi ed accattivanti su un kit della Hitec. L'idea di imitare in qualche modo i movimenti di Robodance del compianto artista Michael Jackson, al ritmo della sua musica, prende corpo con un lavoro di programmazione e prove accurate che consente la vittoria nel campionato nazionale sezione Dance e la qualifica per i mondiali di Singapore. Fig. 2 - I mondiali di Singapore Si tratta di un risultato di grande prestigio, che ci mette nelle condizioni di rappresentare l'italia e soprattutto di confrontarci con le 8

9 esperienze più valide ed innovative. Ai Robot già disponibili si affianca un altro umanoide della V-stone, con movimenti ancora più fluidi grazie ad una sensoristica più evoluta. Ma soprattutto i partecipanti progettano e realizzano una scenografia con luci che seguono il ritmo di musica ed altri effetti luminosi (girandole di led). Il risultato finale di Singapore è certamente lusinghiero, con la posizione nella top- ten e l'ottavo posto come nazione e ci ha portato a candidarci con successo per l'organizzazione della Robocup Negli anni il gruppo che si occupa di robotica nell istituto si è ingrandito sia nella componente studenti che nella componente insegnanti, aggregando e integrando, come d altra parte è necessario, i contributi di discipline e competenze diverse quali la meccanica, l informatica e l elettronica. 9

10 CAP. 3 NOME E STRUTTURA DEL ROBOT (A partire dalla scelta motivata del nome, illustrare dettagliatamente l architettura del robot anche mediante schemi a blocchi, in cui mettere in evidenza l interfaccia dell unità centrale (scheda madre, mattoncino ecc) con le periferiche.) Il nome scelto per il nostro robot è Provvidenza, nato spontaneamente, durante l idealizzazione del progetto. Funzioni robot rescue: 1) Inseguimento linea 2) Aggiramento ostacoli 3) Superamento dossi 4) Spostamento stecchini 5) Allinearsi nella salita 6) Eseguire la salita 7) Allinearsi nell ingresso stanza superiore 8) Ricerca della vittima 9) Avvicinarsi alla vittima 10) Prendere la vittima 11) Trasportarla sul podio 12) Posarla sul podio 13) Vittoria!!! Funzione n 1 Sensore chiaro/scuro (5 pz.) Encoder + implementazione algoritmo odometria Funzione n 2 Ultrasuoni (2 frontali + 2 laterali) Encoder + odometria T.S.O.P. Funzione n 3 10

11 Interruttore dosso (spazzole) posizionati davanti Encoder + odometria Funzione n 4 Spostamento stecchini con soluzione meccanica tramite gonnellina Funzione n 5 Encoder + odometria Sensori di tocco (2 anteriori e 2 posteriori) Funzione n 6 Inclinometro Encoder + odometria / seguilinea Funzione n 7 Guarda funzione n 5 Funzione n 8 =n 9 Encoder + odometria T.S.O.P Funzione n 10 Motori pinza e motori cremagliera Sensore finecorsa Funzione n 11 Encoder + odometria Sensore di tocco per allineamento col podio Funzione n 12 Utilizzo motori pinza e motori cremagliera Finecorsa Funzione n 13 Esultare la vittoria sul podio 11

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13 CAP. 4 MECCANICA (Indicare le soluzioni meccaniche adottate, precisando la natura del contributo apportato al robot, eventuali modifiche ai kit, o soluzioni auto costruite. Ad esempio realizzazione o modifica del telaio, montaggio dei motori ecc. Per le realizzazioni particolari come ad esempio pinze, sistemi di trazione ecc. sarebbe bene illustrare la documentazione mediante foto o disegni CAD.) Il robot è nato dalle idee e dalle carte realizzate dai membri del nostro team. Il robot è costruito interamente in alluminio lavorandolo con macchine a controllo numerico risiedenti nei pressi dei laboratori dell' IT Archimede; la struttura è così strutturata: una lastra di alluminio da 6mm di spessore è stata usata come base e su di essa è stata avvitata una torretta che sorregge il particolare scorrevole a cuscinetti che permette il movimento ascensionale alle pinze. Il moto è trasmesso tramite un sistema rocchetto-cremagliera in acciaio. Il sistema di locomozione è composto da due ruote motrici calettate su due motori e con delle o-ring in neoprene, tramite due pulegge in alluminio, trasmettono il moto a due rotini posteriori installati su due cuscinetti a sfera. Il tutto contenuto in 3,5Kg. Tutti i componenti meccanici che compongono il robot sono stati prima progettati al computer, per essere successivamente realizzati alle macchine utensili, mantenendo così una coerenza tra progetto e prodotto. Dapprima abbiamo progettato la struttura portante, consistente nella piastra d alluminio su cui giacciono i quattro motori di trazione, l ascensore porta-pinza e tutti gli organi di supporto per l elettronica e la sensoristica. Costruite da noi sono anche le quattro ruote. 13

14 In un secondo tempo abbiamo ideato i componenti che consentono di prelevare la vittima e di posarla nel piano rialzato:la pinza,a due bracci motorizzati indipendenti, è montata su di un ascensore scorrevole dotato di una guida di precisione a ricircolo di sfere. Gli organi di presa della pinza sono in alluminio. Inseriamo per ultimo (non come fattore di importanza) l inclinometro, il dispositivo che ci permette di comprendere l inizio della rampa, consistente in un piano inclinato di più o meno 25 e che abbiamo costruito noi Gli altri elementi di meccanica sono tutti i supporti per le schede elettroniche e le staffe per i sensori. CALCOLI FORZE E COPPIE DEI SERVOMOTORI FORZA PESO ROBOT: 30 N [Newton] DIMENSIONI MASSIME: 230 X 200 X h 230 [mm] CALCOLO FORZA NECESSARIA AL MOTO: Fa = (mv x Fr) / r = 1 N mv(coefficiente di attrito volvente ruota-legno) in [mm] = 1 mm r(raggio della ruota con pneumatico)=32,5 mm Fr(forza peso del robot) Assumendo una pendenza della salita di circa il 40%, la forza massima necessaria al nostro robot è: Fmax= Fa x 1,4 = 1,4 N CALCOLO COPPIA ALLA RUOTA[Mt]: Poiché le ruote motrici sono 4; F1 = Fmax / 4 = 0,35 N Mt = F1 x r = 11,4 N*mm Un servo AX-12 sviluppa una coppia di 10 kgf*cm, ovvero di 1000 N*mm; 11,4 N*mm denota quindi un campo di sicurezza molto elevato. CALCOLO FORZA NECESSARIA A TENERE LA VITTIMA: 14

15 La pinza comprende due bracci motorizzati ognuno con il proprio motore che sviluppa una coppia (Mt) di 4,5 kg*cm = 450 N*mm.La lunghezza del braccio (b) vale 50 mm, pertanto troviamo la forza premente (F) : F = Mt / b = 9 N Tenendo conto del coefficiente d attrito radente (mr) tra la gomma delle pinze e l alluminio della lattina pari a 0,5; abbiamo la forza premente corretta (Fc) : Fc = F x mr = 4,5 N La Fc dobbiamo moltiplicarla per 2, numero dei motori = 9 N. Considerando ipoteticamente la forza peso della vittima pari a 1 N = 100 gr siamo in sicurezza di quasi 10 volte. CALCOLO FORZA NECESSARIA AL SOLLEVAMENTO DELLA VITTIMA Per l ascensore abbiamo montato un servo uguale a quelli della pinza e sfruttato il sistema di trasmissione a rocchettocremagliera con rendimento meccanico di circa il 90%. Dalla coppia (Mt), uguale a quella precedentemente calcolata [ motore dello stesso tipo], il raggio della ruota dentata (rp) e il rendimento, troviamo la Forza occorrente al sollevamento vittima: Fa = Mt / rp x 0,9 = 16,2 N Il sistema di sollevamento [pinza, motori, slitta] non supera i 5 N di forza peso, in questo modo il fattore di sicurezza vale 16,2 N / 5 N, ovvero circa 3, più che ottimo per assicurarne un regolare funzionamento. DAL LAVORO : 15

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18 AL PRODOTTO : 18

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20 L INCLINOMETRO Esso è composto da uno spezzone di tubo in acciaio inox, chiuso alle estremità da due tappi isolanti in plastica (fatti al tornio) su cui abbiamo avvitato una vite per tappo. Montato sul robot il tubo leggermente inclinato in avanti, in condizione di superficie pianeggiante la sfera fa contatto con la vite anteriore (più bassa); nella salita invece il tubo si inclina e la pallina scenderà sino a toccare il contatto posteriore inviando un impulso alla centralina. 20

21 CAP. 5 UNITÀ DI CONTROLLO (Indicare l unità (o le unità) centrale adottata, precisando se si tratta di un kit o di una soluzione auto costruita. In questo caso indicare in apposita figura numerata e commentata, lo schema elettrico. Indicare in ogni caso i dati tecnici di cui si dispone, come ad esempio l alimentazione, il firmware necessario, eventuali requisiti, le modalità di interfaccia con il PC ecc. CONTROLLO PINZE: La scheda è gestita da un PIC16f876 che ricevendo il consenso dalla scheda madre di avvenuto ritrovo della lattina argentata, manda tutti i dati alla scheda che controlla i motori, in modo tale da far chiudere le pinze e sollevare la lattina e successivamente la scheda madre gli darà il consenso di depositarla nell'apposito luogo. Schema Controllo Braccio: 21

22 Cablaggio controllo braccio: ELETTRONICA: Il sistema è basato sulla suddivisione dei compiti all'interno del robot in modo tale da eseguire più operazioni in parallelo. É gestito da una scheda madre che controlla tutte le altre ogni qualvolta si presenta un evento o semplicemente modificare uno stato del robot. Il sistema è composto principalmente da una scheda che controlla i due motori che permettono l'avanzamento del robot e altri tre motori per muovere la pinza, un'altra scheda che permette di seguire la linea nera tracciata sul terreno, una terza per gestire tutti i movimenti della pinza, un'altra per condizionare tutti i segnali provenienti dai sensori ed visualizzarli in un display LCD, ed infine una scheda madre che controlla e gestisce il sistema. 22

23 SCHEDA MADRE: E' provvista di un microcontrollore avanzato tipo PIC16f877A a 40 pin. Il suo compito è controllare tutti i sensori al fine di ricostruire l'ambiente esterno al robot e agire di conseguenza. Schema elettrico scheda madre: Cablaggio scheda madre: 23

24 Schema scheda segnali: LINEA NERA: La scheda, anch'essa dotata d un microcontrollore tipo PIC16f876, legge i segnali provenienti dai 5 sensori di linea installati sotto il robot per seguire la linea nera, ed in base all'algoritmo caricato all'interno del PIC16f876, comunica al driver motori come muovere i due motori che permettono la locomozione del robot in modo tale da far seguire correttamente la linea nera descritta sul terreno. 24

25 Schema linea nera schema: Cablaggio linea nera schema: 25

26 DRIVER MOTORI: I motori sono controllati tramite un sistema PID. La scheda è dotata di un microcontrollore PIC16f876 che leggendo i segnali provenienti dai due encoder, installati sulle ruote del robot, controlla tramite due ponti H tutti i motori del robot. È provvista di un ingresso seriale tipo RS-232 che tramite questa porta, la scheda madre, gli comunica con che velocità o di quanti gradi si deve girare ogni singola ruota motrice. 26

27 CAP. 6 SENSORI (Descrivere i sensori impiegati, il loro collegamento con l unità centrale, nel caso si tratti di sensori auto costruiti o sono stati significativamente modificati, allegare lo schema elettrico ed una breve descrizione. Se la natura meccanica del sensore è rilevante, aggiungere disegni cad o foto.) Nel nostro robot abbiamo utilizzato sensori acquistati già pronti all uso, questi percepiscono la differenza tra il colore bianco ed il colore nero fino a 10 mm. La piccola centralina che li gestisce è fatta su di un circuito stampato, contenente un pic dedicato. CONDIZIONAMENTO SEGNALI: Tutti i segnali grezzi provenienti dai sensori arrivano in questa scheda per essere condizionati in modo tale da poter ricavare un'informazione utile al sistema. Il robot è provvisto di 21 sensori di cui: tre sensori di distanza con tecnologia ad ultrasuoni; una barriera a raggio infrarosso; un sensore di riflessione IR per rilevare la lattina; cinque mini sensori di riflessione per leggere la linea nera sul terreno; un inclinometro per rilevare la rampa; quattro sensori di contatto, due anteriori e due posteriori per effettuare l'allineamento con il muro; un sensore di tocco per rilevare le stanze che ha oltrepassato; due encoder, realizzati con un disco per encoder con 180 suddivisioni ed un micro sensore di riflessione; un sensore di fine corsa per la pinza ed infine due sensori di contatto a lamelle per rilevare i dossi. 27

28 CAP. 7 ATTUATORI (Descrivere gli attuatori impiegati, il loro collegamento con l unità centrale, nel caso si tratti di azionamenti auto costruiti allegare lo schema elettrico ed una breve descrizione. Nel caso gli azionamenti non siano stati documentati nella sezione relativa alla meccanica, inserire foto o disegni CAD.) Abbiamo due motori per il movimento del robot, due motori per il movimento della pinza e un motore per la cremagliera. Schema driver motori: 28

29 Cablaggio Driver Motori: 29

30 CAP. 8 AMBIENTE DI SVILUPPO (Descrivere l ambiente di sviluppo impiegato ed il linguaggio di programmazione, precisandone la versione. Spiegare la motivazione della scelta.) Tutti i programmi di controllo, dei motori, dei sensori e del controllo del movimento sono stati fatti in linguaggio c utilizzando un ambiente di sviluppo adatto ai microcontrollori della microchip della microsoft. 30

31 CAP. 9 IL PROGRAMMA SOFTWARE (Descrivere il software originale prodotto per implementare il robot (o i robot se più di uno). Per i linguaggi grafici si possono inserire le immagini di sezioni del programma.) Il programma del robot è stato concepito seguendo uno schema logico di Programmazione dinamica. Il programma è stato concepito per far si che la manutenzione di ogni singolo modulo (Oppure comunemente conosciuta come funzione) sia veloce e che la realizzazione risulti ottimale per debugging e taratura dei valori. L'ambiente di sviluppo è MBLAB con un linguaggio di programmazione derivato dall' ANSI C: l'hi TECH C. Il programma, principalmente, può essere suddiviso in tre parti: stanza inferiore, salita e stanza superiore. La funzione di movimento sfrutta la modulazione del segnale in PWM, cioè, tramite modulo CCP del PIC, possiamo generare delle onde quadre. La stanza inferiore possiede una funzione di seguilinea con tre sensori di luce centrali e due agli estremi anteriori di Provvidenza e delle funzioni che raddrizzano l'andamento del robot stesso. La funzione della salita viene avviata quando l'inclinometro manda 1 logico al PIC di controllo sensori e aspetta che finisce la salita, quindi che il segnale dal piedino dell'inclinometro torni 0. La terza funzione consiste nel trarre in salvo la vittima tramite una funzione di ricerca sul campo sfruttando il sensore ad ultrasuoni, prelevare la vittima ed alzarla tramite la pinza anteriore e portarla nel punto di salvataggio. Qui sotto è presente uno stralcio di codice del PIC che si occupa di seguire la linea: void main (void){ Setup(); 31

32 while(1){ while(en_linea){ valore=ssx<<4 + SX<<3 + C<<2 + DX<<1 + DDX; switch(valore){ case 0b : centro Avanti(100); break; //linea al sinistra del centrale sinistra del centrale destra del centro destra del centrale dx case 0b : //linea a Sinistra(100); break; case 0b : //linea super Sinistra(100); break; case 0b : //linea a Destra(100); break; case 0b : // linea super Destra(100); break; case 0b : //linea a 90 Gira90dx(100); break; 32

33 dx ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) aprile case 0b : //linea a 90 Gira90dx(100); break; case 0b : //linea 90 sx Gira90sx(100); break; Dir1=0; Dir2=0; } } } } case 0b : //linea 90 sx Gira90sx(100); break; Qui, tramite dei switch case e l'unione delle condizioni attuali dei sensori in una variabile del PIC, possiamo scegliere che funzione dobbiamo avviare per eseguire la giusta manovra e selezionare il verso del motore. Qui sotto abbiamo una funzione di manovra in particolare: void Avanti(float velocita){ Dir1=1; Dir2=1; velocita=velocita*1.5; CCPR1L=(char)velocita; CCPR2L=(char)velocita; } 33

34 CAP. 10 SORGENTE DI ALIMENTAZIONE (Precisare la o le fonti di alimentazione del robot, indicandone tensione nominale e (se nota) carica nominale.) ALIMENTAZIONE: Il sistema è alimentato da una batteria LI-PO da 14,8V 2200mA/h collegata ad un alimentatore stabilizzato in grado di ottenere in uscita la tensione per i motori, 12V per quelli motrici e 6V per i restanti e la tensione per la logica di 5V. 34

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36 INDICE P.5 - CAP. 1 - DATI GENERALI P.6 - CAP. 2 - DATI DI CONTESTO E MOTIVAZIONE P.10 - CAP. 3 NOME E STRUTTURA DEL ROBOT P.13 - CAP. 4 - MECCANICA P.21 - CAP. 5 UNITÀ DI CONTROLLO P.27 - CAP. 6 - SENSORI P.28 - CAP. 7 - ATTUATORI P.30 - CAP. 8 AMBIENTE DI SVILUPPO P.31 - CAP. 9 IL PROGRAMMA SOFTWARE P.34 - CAP. 10 SORGENTE DI ALIMENTAZIONE 36