ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) aprile

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1 Rete di scuole per la ROBOCUP JR ITALIA ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) aprile della squadra Pinin Dance Istituto ITIS G.B.Pininfarina di Moncalieri (Torino)

2 IL NOSTRO ISTITUTO

3 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile 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; 3. una documentazione delle proposte didattiche e del lavoro degli studenti che coinvolgono l uso di kit o robot autocostruiti per la partecipazione agli eventi organizzati dalla 3

4 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 dell 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.

5 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile Tirri Antonio Tirri Emanuele Tuninetti Luca Fasolo Loris PININ DANCE PARTECIPA ALLA GARA DI DANCE Istituto ITIS G.B.Pininfarina Classi 3A Info 3B Tele - 5B Tele 5

6 1- DATI GENERALI Componenti della squadra: Tirri Antonio ITIS Pininfarina 5B Telecomunicazioni (elettronico e costruttore robot autocostruito) Tirri Emanuele ITIS Pininfarina 3A Informatica (programmatore Java e costruttore robot Lego) Fasolo Loris ITIS Pininfarina 3A Informatica (programmatore NXC, costruttore robot Lego, relazionista) Tuninetti Luca ITIS Pininfarina 3B Telecomunicazioni (elettronico e costruttore robot autocostruito) Docenti responsabili: Iacobelli Cesare Spano Antonio Nicola Enrico

7 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile CAP. 2 - DATI DI CONTESTO E MOTIVAZIONE L idea di partecipare alla Robocup JR è stata raccolta e sviluppata già a partire in anni passati dai nostri attuali docenti responsabili, che cercano ogni volta di far chiarezza su ogni nostro dubbio. Il nostro gruppo è composto da studenti che hanno partecipato l anno scorso e da altri che partecipano per la prima volta quest anno. Il nostro istituto di provenienza, l I.T.I.S. Pininfarina di Moncalieri, mette a disposizione alcune ore fuori l orario scolastico per la realizzazione di progetti di eccellenza; tra questi la realizzazione e programmazione di robot. Tutto ciò con lo scopo di confrontare il nostro lavoro con quello di altre scuole d Italia, partecipando alla RoboCup junior. 7

8 CAP. 3 - NOME E STRUTTURA DEL ROBOT Abbiamo deciso di attribuire al nostro corpo di ballo, composto da 3 robot, il nome di Pinin Dance. E stata presa questa scelta sia per ricordare il nome del nostro istituto di provenienza, che per continuare la tradizione dei nomi dati ai robot negli anni scorsi. I robot che si esibiranno saranno in totale tre, di cui uno autocostruito (composto da parti in legno non appartenenti a nessun kit) e due LEGO. FIGURA 1: REALIZZAZIONE STRUTTURA ROBOT AUTOCOSTRUITO

9 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile Questi ultimi sono identici (fig. 2 e 3) e sono composti da: N 2 Motori inferiori che si occupano del movimento delle gambe. N 1 Motore centrale che si occupa del movimento delle braccia. N 1 Unità centrale (NXT), che conterrà il programma principale. N 1 Sensore di suono. N 1 Sensore di luce. Componenti LEGO. FIGURA 2 I DUE ROBOT LEGO 9

10 Qui di seguito mostriamo lo schema a blocchi relativo ai robot LEGO: Motore gamba sinistra Motore braccia Motore gamba destra Sensore di luce Unità central e (NXT) Sensore di suono FIGURA 3 DUE VISTE DEI ROBOT LEGO

11 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile Il robot autocostruito è formato da: N 1 Motore che si occupa del movimento del busto (rotazione ). N 1 Motore che si occupa del movimento della testa (rotazione). N 2 Motori estremi che si occupano del movimento delle mani (rotazione lateraledi 180 ). N 2 Motori che si occupano del movimento dell avambraccio (distensione ed estensione di 90 ). N 2 Motori che si occupano del movimento del braccio (distensione ed estensione di 180 ). N^2 Unità Centrali (ArduinoUno) che si occuperanno di controllare i movimenti del il busto e della testa in base al ritmo della musica. N 1 Unità centrale (ArduinoMega), che contiene il programma di gestione relativo alle variazioni sonore acquisite dal sensore di suono. A seconda delle variazioni sonore ( ritmo e tipo di suono), il dispositivo comunica i movimenti da eseguire agli ArduinoUno che si occuperanno di controllare i movimenti necessari al movimento sincronizzato in base al ritmo musicale. N^1 Equalizzatore grafico autocostruito che si occuperà della rappresentazione grafica degli impulsi sonori ricevuti dall ArduinoMega. N^1 Microfono pre-amplificato (converte i suoni in tensioni compatibili con gli ingressi di ArduinoMega). 11

12 Struttura in legno e polistirolo, da noi progettata e realizzata, che costituisce lo scheletro e il rivestimento del robot (fig 4). FIGURA 4 PRIMO PROGETTO ROBOT AUTOCOSTRUITO

13 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile FIGURA 5 ROBOT IN COSTRUZIONE CON PARTE SUPERIORE E INFERIORE 13

14 La struttura del robot è costituita da uno scheletro di legno, sulla quale sono installati i motori, ArduinoUno e ArduinoMega, e un rivestimento di polistirolo per dargli forma. FIGURA 6 ROBOT IN COSTRUZIONE

15 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile CAP. 4 - MECCANICA Nel nostro progetto sono stati impiegati 3 robot. Due di questi (figura 8) sono stati montati utilizzando pezzi, motori e sensori) appartenenti al kit Mindstorm- NXT, senza apportare alcuna modifica al modello LEGO FIGURA 7 IL KIT NXT DELLA LEGO 15

16 FIGURA 8 ROBOT LEGO MOTORI E SENSORI L altro robot (figura 9), invece, è stato realizzato con un progetto originale Lo scheletro è stato costruito con pezzi di legno opportunamente sagomati. Per ridurre le sollecitazioni meccaniche sui motori che muovono le braccia, queste sono state realizzate in legno di balsa, utilizzato in campo modellistico proprio per la sua leggerezza

17 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile FIGURA 9 COSTRUZIONE SCHELETRO ROBOT Il rivestimento esterno è stato modellato con uno speciale polistirolo molto malleabile. Gli unici componenti acquistati, sono stati motori (fig 10a) ed i componenti elettronici necessari per il funzionamento delle varie parti (motori, LED) mentre tutti gli altri, come per esempio l equalizzatore grafico (figura 10b), sono stati tutti autocostruiti. 17

18 FIGURA 10A MOTORE GOMITO FIGURA 10B EQUALIZZATORE GRAFICO

19 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile Altri dispositivi sono stati autocostruiti, partendo da uno schema di progetto, preparando i lucidi per la fotoincisione (fig. 11) e realizzando le basette elettroniche (fig. 12). FIGURA 11 SCHEMA PER TRACCIATURA PISTA (LAYOUT DELLO SBROGLIATO) 19

20 FIGURA 12 SCHEDA ELETTRONICA PER IL MICROFONO E L EQUALIZZATORE GRAFICO

21 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile CAP. 5 - UNITÀ DI CONTROLLO Le unità centrali adottate per i due robot umanoidi LEGO sono gli NXT, che sono dei moduli programmabili (fig 13) Ciascun modulo possiede 3 porte di uscita per il collegamento dei motori e 4 porte d ingresso per il collegamento dei sensori. Sono alimentati da una batteria ricaricabile ai polimeri Li-Io (da 200 ma/h). In genere si interfacciano con il pc tramite cavo USB utilizzando il programma NXT Software v2.0 per interfacciare il robot con il PC. Per consentire un controllo più sofisticato dei movimenti abbiamo sostituito il firmware fornito dalla LEGO con il firmware Open source LeJOS (LEGO Java Operating System) FIGURA 13 MATTONCINO INTELLIGENTE DELLA LEGO 21

22 Il robot autocostruito, possiede 3 unità centrali costituite da schede a microcontrollore: un Arduino Mega (figura 14a) e 2 ArduinoUno (figura 14b). L alimentazione avviene tramite batteria al piombo ricaricabile da 6V. Queste schede si interfacciano con il pc tramite connessione USB e il firmware utilizzato è quello standard delle schede. FIGURA 14A ARDUINO MEGA

23 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile FIGURA 14B ARDUINO UNO 23

24 CAP. 6 - SENSORI I sensori utilizzati nei robot Mindstorm-NXT sono collegati all unità centrale tramite connettore standard, e appartengono al kit. Essi sono di : suono, che consente al robot di reagire alla variazione dei livelli sonori luce, che consente al robot di reagire ai cambiamenti di luminosità e colore. Per il robot autocostruito è stato utilizzato un unico sensore di suono (microfono) collegato all unità centrale ArduinoMega tramite una scheda di interfacciamento (fig 15) il cui schema è riportato in fig 16. FIGURA 15 SCHEDA DI INTERFACCIAMENTO DEL MICROFONO

25 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile FIGURA 16 SCHEMA ELETTRICO DELLA SCHEDA PER IL MICROFONO E L EQUALIZZATORE GRAFICO Questa scheda si occupa anche di analizzare il suono proveniente dal microfono attraverso il circuito integrato MSQGQ7, che effettua l analisi spettrale del segnale elettrico ricevuto e fornisce i dati alla scheda ArduinoMega per il controllo dell equalizzatore grafico 25

26 CAP. 7 - ATTUATORI I motori utilizzati nei robot Mindstorm-NXT appartengono al kit LEGO. FIGURA 17 MOTORE DELL'NXT

27 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile Nell autocostruito sono stati utilizzati servomotori alimentati a 6 volt, di varia potenza e dimensione per il movimento delle braccia e delle mani (figg 18 e 19) FIGURA 18 SERVOMOTORE PER POLSO FIGURA 19 SERVOMOTORI PER I MOVIMENTI DEL BRACCIO E DEL POLSO 27

28 Ogni servomotore viene poi collegato ad una uscita dell Arduino e da esso comandato (fig 20). FIGURA 20 CONNESSIONE SERVOMOTORE ALL'ARDUINO

29 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile Le schede comandano anche i led luminosi (fig 21) in dotazione al robot autocostruito. Questi si accenderanno e spegneranno a tempo di musica. comandati dalla scheda ArduinoMega. FIGURA 21: PARTICOLARE OCCHIO - LED AD ALTA LUMINOSITÀ L equalizzatore grafico, inserito sull addome del robot autocostruiti, serve a visualizzare (fig 21) la musica sentita dal robot FIGURA 22: EQUALIZZATORE GRAFICO IN FUNZIONE 29

30 Per capire meglio come ottenere i movimenti degli occhi abbiamo creato delle animazioni al computer (in fig 23 due fermo-immagine) FIGURA 23 ANALISI POSIZIONE LED LUMINOSI PER GLI OCCHI

31 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile Il robot autocostruito è posto sopra una pedana luminosa che rappresenta una pista da discoteca (i dettagli della coreografia sono illustrati nell apposita sezione) La pedana è costituita da una struttura in legno a listelli (fig 24a e 24b), leggera e smontabile per un più facile trasporto, sulla quale sono poggiate delle piastrelle in plexiglass trasparente; sotto ogni piastrella c è un led multicolore controllato da una scheda elettronica che genera gli effetti luminosi. L accensione dei vari led è controllata dalla scheda ArduinoMega posto nel robot autocostruiti. FIGURA 24A PEDANA LUMINOSA AUTOCOSTRUITA (PROGETTO) FIGURA 24B PEDANA LUMINOSA AUTOCOSTRUITA (REALIZZAZIONE) 31

32 CAP. 8 - AMBIENTE DI SVILUPPO. Robot Mindstorm-NXT (LEGO): L ambiente di sviluppo impiegato per la creazione dei programmi è Eclipse (fig 25), programmando in Java. FIGURA 25 AMBIENTE ECLIPSE PER JAVA Inizialmente, era stato deciso di programmare in C utilizzando come ambiente di sviluppo BrixCC. Tuttavia, si è deciso di cambiare il firmware Lego e di installarne uno alternativo, ossia LeJOS. Questa modifica ha reso possibile l utilizzo del linguaggio Java e si ha avuto quindi, un ulteriore miglioramento delle prestazioni e un ampliamento delle operazioni che possono essere eseguite dall NXT.

33 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile Robot autocostruito Per le schede ArduinoUno e ArduinoMega l ambiente di sviluppo, impiegato per la creazione dei programmi, è Processing (fig 26), che utilizza un linguaggio C-like. FIGURA 26 AMBIENTE SVILUPPO ARDUINO 33

34 FIGURA 27 ESEMPIO DI PROGRAMMA SCRITTO IN C DI ARDUINO Abbiamo scelto di programmare in C (fig 27) perché esso rispecchia la base di programmazione più comune alle due tipologie di robot da noi ideate.

35 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile CAP. 9 - IL PROGRAMMA SOFTWARE Entrambi i robot (autocostruito ed NXT) sono dotati di programmi analoghi dal punto di vista della logica, anche se sviluppati in ambienti di programmazione diversi. Il programma è composto da un ciclo infinito al cui interno vengono controllati gli stati di tutti i sensori. Ciclo Infinito Controllo sensori di luce Controllo sensori di suono 35

36 Un modulo controlla il sensore di luce, con lo scopo di verificare che i robot LEGO non escano dal perimetro di gara. Un altro modulo controlla il sensore di suono verificando la soglia di intensità della musica, regolando il movimento delle braccia (nel caso dell autocostruito e in parte del LEGO) e delle gambe (solo per quanto riguarda i LEGO). Codice sorgente LEGO: import lejos.nxt.*; import lejos.util.delay; public class Javagara1{ public static void main ( String [ ] args ) throws Exception { SoundSensor ss = new SoundSensor( SensorPort.S1, false); LCD.drawString( "Sound level (%) ", 0, 0) ; while (!Button.RIGHT.isPressed() ) { LCD.drawInt( ss.readvalue( ), 3, 13, 0) ; LCD.refresh( ) ; Thread.sleep( 300) ; if (ss.readvalue()>=30) { int y=0; Thread.sleep(9000) ; Motor.B.setSpeed(360); Motor.B.forward(); Delay.msDelay(5005); Motor.A.setSpeed(300); Motor.A.backward(); Delay.msDelay(1500);

37 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile Motor.A.stop(); Delay.msDelay(300); Motor.A.setSpeed(300); Motor.A.backward(); Delay.msDelay(1500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(300); Motor.A.setSpeed(300); Motor.A.backward(); Delay.msDelay(1500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(300); Motor.A.setSpeed(300); Motor.A.backward(); Delay.msDelay(1500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(300); Motor.A.setSpeed(300); Motor.A.backward(); Delay.msDelay(1500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(300); Motor.A.setSpeed(300); Motor.A.backward(); Delay.msDelay(1500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(300); Motor.B.stop(); Motor.A.setSpeed(300); Motor.A.backward(); Delay.msDelay(1500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(300); Motor.A.setSpeed(300); Motor.A.backward(); 37

38 Delay.msDelay(1500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(300); Motor.A.setSpeed(300); Motor.A.backward(); Delay.msDelay(1500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(300); Motor.A.setSpeed(300); Motor.A.backward(); Delay.msDelay(2500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(500); Motor.B.setSpeed(400); Motor.B.backward(); Delay.msDelay(26000); Motor.B.stop(); Delay.msDelay(13400); Motor.A.setSpeed(800); Motor.A.forward(); Delay.msDelay(500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(400); Motor.A.setSpeed(900); Motor.A.forward(); Delay.msDelay(400); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(450); Motor.A.setSpeed(1000); Motor.A.forward(); Delay.msDelay(355); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(905); Motor.A.setSpeed(1000); Motor.A.forward();

39 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile Delay.msDelay(10300); Motor.A.setSpeed(800); Motor.A.forward(); Delay.msDelay(500); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(400); Motor.A.setSpeed(900); Motor.A.forward(); Delay.msDelay(400); Motor.A.stop(); Delay.msDelay(450); Motor.A.setSpeed(1000); Motor.A.forward(); Delay.msDelay(1000); Motor.A.setSpeed(1000); Motor.A.forward(); Delay.msDelay(1000); Motor.A.setSpeed(1000); Motor.A.forward(); Motor.B.setSpeed(1000); Motor.B.forward(); Delay.msDelay(10000); y = y+1; if(y==1) { Motor.C.stop(); Motor.B.stop(); Motor.A.stop(); break; } } //endif principale) else { Motor.C.stop(); Motor.B.stop(); 39

40 Motor.A.stop(); } } // end while LCD.clear( ) ; LCD.drawString( "Program stopped", 0, 0) ; LCD.refresh( ) ; }// end main }// end class

41 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile CAP SORGENTE DI ALIMENTAZIONE La fonte di alimentazione dei robot Mindstorm-NXT deriva da una batteria ricaricabile ai polimeri Li-Io (da 200 ma/h). Nell autocostruito l alimentazione è data da una batteria ricaricabile da 6V/12Ah (fig 28) FIGURA 28 FOTO BATTERIA PER ROBOT AUTOCOSTRUITO 41

42 APPENDICE 1 LA COREOGRAFIA E I COSTUMI Al momento la coreografia non è stata completamente ultimata, ma l idea è la seguente. All avvio della musica, a ritmo lento, i robot Lego (fig 28) iniziano a ballare, mentre il robot autocostruito sente la musica (l equalizzatore grafico s illumina), ma è dormiente. Poi apre gli occhi (si accendono i LED, simulando i movimenti degli occhi) e muove la testa. Il ritmo della musica aumenta ed il robot autocostruito, osservando i fratelli minori prende coscienza della sua natura e comincia a muoversi (testa, occhi, braccia, busto) sulla pista di una discoteca (la pedana luminosa). L esibizione si conclude con i tre robot che danzano freneticamente insieme. Dietro ai robot si esibiscono alcuni allievi come ballerini. Gli abiti dei robot LEGO sono stati realizzati con la collaborazione dei familiari di alcuni studenti Per il robot autocostruiti sono state adottate soluzioni tipiche delle costruzioni di carri di Carnevale FIGURA 29 ROBOT LEGO CON L ABITO DI SCENA

43 ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva Del Garda aprile INDICE P.6 - CAP. 1 - DATI GENERALI P.7 - CAP. 2 - DATI DI CONTESTO E MOTIVAZIONE P.8 - CAP. 3 - NOME E STRUTTURA DEL ROBOT P.15 - CAP. 4 - MECCANICA P.21 - CAP. 5 - UNITÀ DI CONTROLLO P.24 - CAP. 6 SENSORI P.26 - CAP. 7 ATTUATORI P.32 - CAP. 8 AMBIENTE DI SVILUPPO P.35 - CAP. 9 IL PROGRAMMA SOFTWARE P.41 - CAP. 10 SORGENTE DI ALIMENTAZIONE P.42 - APPENDICE 1 LA COREOGRAFIA E I COSTUMI 43