ROBOCUP JR ITALIA 2012

Transcript

1 Rete di scuole per la ROBOCUP JR ITALIA ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) aprile Della squadra Another Brick Istituto ITIS Marconi di Gorgonzola

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; 3. una documentazione delle proposte didattiche e del lavoro degli studenti che coinvolgono l uso di kit o robot auto

3 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.

4 autori A. Leporini D. Cinquini R. Di Benedetto Another Brick PARTECIPA ALLA GARA DI Rescue Istituto Marconi Classe triennio ITIS e Liceo Tecnologico

5 CAP. 1 - DATI GENERALI Studenti Marcandalli Simone - IIIBE Leporini Andrea - IIIBE Pasina Francesco - IVAE Cinquini Daniele - IVBE

6 Di Benedetto Roberto - IIIBE Mora Andrea - IIIAE Docente Boccasile Alfredo, insegnante di sistemi elettrici e automatici nel corso Elettrotecnica ed Automazione

7 CAP. 2 - DATI DI CONTESTO E MOTIVAZIONE L I.T.I.S. MARCONI è presente sul territorio di Gorgonzola dal Inizialmente erano presenti solo le specializzazioni di elettrotecnica e telecomunicazioni. Nell A.S. 1996/97 è stato attivato il Liceo Scientifico Tecnologico, infine nell A.S. 2003/04 è stato attivato il corso di specializzazione in Informatica Industriale. Nel 2008/09 viene attivata la prima esperienza di robotica che si conclude con la partecipazione alla prima RoboCup di Torino nella categoria Rescue, seguita l'anno scorso dalla partecipazione alla manifestazione di Catania. Quest'anno è iniziata la seconda fase del nostro progetto a lungo termine, che prevede la realizzazione di sensori progettati dagli studenti e lo studio approfondito di sensori prodotti da terze parti. L'obiettivo futuro è quello di trovare degli sponsor per poter sviluppare dei robot progettati interamente dagli studenti. Fermo restando l'obiettivo principale che è quello di fornire agli studenti uno spazio per vivere la scuola da protagonisti, facendo dello studio un momento di realizzazione personale e di condivisione con gli altri.

8 CAP. 3 NOME E STRUTTURA DEL ROBOT Il nome deriva da una famosa canzone dei Pink Floyd e dal fatto che l'unità centrale della Lego viene indicata in inglese come brick. Abbiamo utilizzato vari sensori e attuatori della LEGO: - Contatto - Luce - Colore - Motori - Ultrasuoni Questi sensori sono stati affiancati da alcuni sensori forniti da altri produttori: - Sensore a ultrasuoni SRF02 - Multiplexer - Sistema di visione artificiale V3 Ogni sensore è stato provato più volte e in diverse condizioni, al fine di valutarne il comportamento nelle nelle diverse condizioni di funzionamento. A questi si è aggiunto un sensore di contatto multiplo sviluppato dal nostro gruppo di robotica. Sono stati formati dei gruppi che si sono occupati delle seguenti attività: 1) analisi del sistema di visione V3 Mindsensor (descritto nel capitolo sei) sua programmazione, interfacciamento con LEGO Mindstorm ed utilizzo; 2) sviluppo hardware e software di un sistema di cinque sensori di contatto che, tramite un'unica linea di ingresso

9 analogica, fornisce informazioni sugli urti del robot con oggetti dell'ambiente. Si veda il capitolo 6 per i dettagli tecnici; 3) analisi dei protocolli di trasmissione seriale e in particolare dell'i2c e del Bluetooth. Il primo protocollo è di fondamentale importanza per i gruppi che si occupano dello sviluppo dei sensori, mentre la trasmissione Bluetooth è utilizzata per scambiare dati con il PC. Il gruppo ha sviluppato un'interfaccia grafica in C# per la visualizzazione delle variabili rilevanti durante la navigazione del robot. Il sistema sviluppato serve esclusivamente per il monitoraggio del sistema, visto che in gara non è permessa la comunicazione del robot con il PC; 4) multiplexer per la gestione dei due motori della pinza che serve per portare la vittime nel luogo sicuro; 5) realizzazione meccanica, utilizzando principalmente i contributi disponibili in internet, e il testo manuale del costruttore di robot.

10 CAP. 4 MECCANICA Inizialmente vengono progettate diverse strutture utilizzando i pezzi Technic della LEGO. Queste strutture vengono conservate come muletti per la gara finale. Nel corso della gara dello scorso anno abbiamo visto che, pur mancando in alcuni casi di robustezza, il modelli costruiti con pezzi LEGO hanno il grande vantaggio di essere facilmente modificabili in base alle difficoltà del percorso di gara. Il robot è composto da due motori in posizione orizzontale che fanno muovere i cingoli sostenuti da tre cerchioni, saldamente staffati. Abbiamo deciso di utilizzare i cingoli per migliorare l'aderenza del robot in presenza di ostacoli e detriti. La struttura portante (rappresentata nelle foto) ci ha permesso di installare il sensore di contatto, i due sensori di luminosità e la CAM (sovrastata da una torcia a LED emittente luce blu per permettere la visione della vittima).

11 Alla destra del mattoncino intelligente è posta la pinza per il salvataggio composta da due motori di cui uno mobile che si muove come un avambraccio. Alla sinistra è posto il multiplexer per aumentare le porte di uscita utilizzabili. Ai lati della camera sono poste due staffe con all estremità due sensori di contatto (oltre a quello posto dentro la pinza).

12 CAP. 5 UNITÀ DI CONTROLLO ll kit utilizzato è il LEGO NXT, di cui si riporta uno schema a blocchi dell'unità centrale: Processore principale: Atmel 32-bit ARM processor, AT91SAM7S KB FLASH 64 KB RAM 48 MHz Co-processore: Atmel 8-bit AVR processor, ATmega48 4 KB FLASH 512 Byte RAM 8 Mhz

13 Caratteristice dei motori LEGO Encoder integrato nel motore con sensibilità 1 Posizioni relative e non assolute Velocità massima pari a circa 200 RPM Coppia massima 24 Ncm Motori estremamente robusti Connessioni di Input/Output Per la programmazione è stato utilizzato l'ambiente di sviluppo BricXcc e il linguaggio NCX. Il collegamento al robot, per l'aggiornamento dei programmi, avviene tramite porta USB. Il firmware installato sul robot è quello potenziato prodotto dal progetto BricXcc, versione I driver di comunicazione sono i Fantom driver forniti da LEGO.

14 CAP. 6 SENSORI Nel corso dell'anno scolastico abbiamo sviluppato una scheda per acquisire i dati provenienti da cinque sensori di contatto e trasmetterli all'unità centrale utilizzando una sola porta di ingresso. Abbiamo acquistato alcuni dispositivi Mindsensor e abbiamo studiato il loro funzionamento e li abbiamo utilizzati nelle fasi di test, anche se non tutti verranno utilizzati nel corso delle gare. Chiaramente abbiamo anche lavorato e acquisito esperienza con i sensori forniti dalla LEGO. Nelle pagine seguenti i dettagli sui dispositivi utilizzati.

15 Sistema per la visione artificiale Scheda tecnica da: &PAGE_id=78

16

17

18 Sensori di contatto Questo sensore, in grado di rilevare fino a cinque contatti tramite un'unica porta analogica, è stato progettato e costruito secondo lo schema elettrico seguente: Abbiamo montato una breadboard secondo lo schema elettrico precedente e abbiamo eseguito la maggioranza dei test su di essa:

19 Resistenze R0 R1 R2 R3 R4 R5 Valore (KΩ)

20 Dopo le prove iniziali, per poter scrivere il programma di gestione, abbiamo completato la tabella riportata di seguito, con le varie possibilità di uso dei cinque contatti: tasto Tasto x 3 x Tasto 2 Tasto 3 x x x x 4 x x 5 x x Tasto 4 Tasto 5 x x x x Le combinazioni di contatti che non possono essere usate o che posso essere scambiate sono le seguenti: Tasti 1/4 premuti(possibilità di sostituzione con Tasto 1 premuto) Tasti 1/5 premuti(possibilità di sostituzione con Tasti 2/3 premuti) Tasti 2/4 premuti(possibilità di sostituzione con Tasto 1 premuto) Tasti 4/5 premuti(possibilità di sostituzione con Tasto 4 premuto) Tasti 1/2/3/4 premuti(possibilità di sostituzione con Tasti 2/5 premuti) Con l aiuto degli studenti e dei professori del laboratorio di telecomunicazioni è stata costruita la basetta definitiva che verrà utilizzata anche nella gara:

21 Infine i sensori di contatto sono stati saldati a cavi di 50 cm e isolati. Per l alimentazione si utilizza quella dell unità centrale NXT.

22 Scheda tecnica da: cpath=15_50&products_id=249

23 Software di gestione dell'input:

24 Multiplexer L'Nxtmmx-v2 è un multiplexer che si collega ad una delle 4 porte di input. In questo modo si hanno a disposizione 2 ulteriori porte per i motori, restando libera una connessione di ingresso per un sensore digitale. Per funzionare ha bisogno di un alimentazione compresa tra i 7 e i 9 volt, alimentazione fornita da una batteria esterna. E' stato utilizzato per collegare i due motori della pinza che ci permette di afferrare la vittima. Caratteristiche tecniche

25

26 Librerie The library file from following URL, and at the top of your NXC program file, include it with following directive: #include "NXTMMX-lib.nxc" Library file URL: module=documents&jas_documentmanager_op=viewdocument&jas _Document_id=154

27 CAP. 7 ATTUATORI MOTORI LEGO Encoder integrato nel motore con sensibilità 1 Posizioni relative e non assolute Velocità massima pari a circa 200 RPM Coppia massima 24 Ncm Motori estremamente robusti Pinza Di seguito viene riportata una foto della pinza utilizzata nell'ultima stanza.

28 CAP. 8 AMBIENTE DI SVILUPPO L'ambiente di sviluppo utilizzato è BricXcc, progetto open sourse arrivato alle release (da noi utilizzata). Il firmware caricato sui robot è quello potenziato, release Il linguaggio utilizzato è l'nxc. La scelta è stata dettata dal fatto che il software è open source, il linguaggio è di fatto un C, linguaggio molto utilizzato anche dagli studenti delle nostra scuola che non si occupano di robotica. Infine, in internet è presente parecchio materiale e la compatibilità con i sensori prodotti da terze parti è molto buona. E' stato utilizzato anche Microsoft C# Express Edition, per visualizzare in tempo reale i dati rilevati dai sensori, chiaramente solo in fase di test e non durante la competizione.

29 CAP. 9 IL PROGRAMMA SOFTWARE I diversi componenti del gruppo hanno affrontato indipendentemente le diverse problematiche relative alla gestione del robot, dal settaggio iniziale, al movimento, alla rilevazione della vittima. Ogni compito è stato implementato tramite una diversa funzione. Di seguito riportiamo qualche esempio di programmazione. Settaggio sensori ed il check Un programma ci permette di tarare i sensori di luminosità in modo che riconoscano i diversi colori previsti (fondo, ostacoli, vittima e traccia). Viene rilevata per tre volte la luce riflessa dai diversi elementi presenti sul piano e infine viene calcolata la media ed assegnato il risultato alla variabili globali. E' stato predisposto anche un programma per il controllo del corretto settaggio e collegamento dei sensori prima della partenza della gara. task check() { SetSensorTouch(contatto); SetSensorLowspeed(USavanti); ButtonCount(BTNCENTER,true); while(buttoncount(btncenter,true)<1) { TextOut(10,LCD_LINE1,"TEST MOTORE DESTRA",true); TextOut(10,LCD_LINE2,"PORTA A",false); OnFwd(OUT_A,50); } Off(OUT_A); while(buttoncount(btncenter,true)<1) { TextOut(10,LCD_LINE1,"TEST MOTORE SINISTRA",true); TextOut(10,LCD_LINE2,"PORTA B",false); OnFwd(OUT_B,50); } Off(OUT_B); while(buttoncount(btncenter,true)<1) {

30 TextOut(10,LCD_LINE1,"TEST MULTIPLEXER",true); TextOut(10,LCD_LINE2,"PORTA S1",false); //ChiudiPinza(); //non sono sicuro del nome } while(buttoncount(btncenter,true)<1) { SetSensorLight(luceDestra); TextOut(10,LCD_LINE1,"TEST SENSORE LUCE DESTRA",true); TextOut(10,LCD_LINE2,"PORTA S2",false); NumOut(20,LCD_LINE3,Sensor(luceDestra),false); } while(buttoncount(btncenter,true)<1) { SetSensorLight(luceSinistra); TextOut(10,LCD_LINE1,"TEST LUCE SINISTRA",true); TextOut(10,LCD_LINE2,"PORTA S3",false); NumOut(20,LCD_LINE3,Sensor(luceSinistra),false); } while(buttoncount(btncenter,true)<1) { TextOut(10,LCD_LINE1,"TEST SENSORE ULTRASUONI",true); TextOut(10,LCD_LINE2,"PORTA S4",false); NumOut(20,LCD_LINE3,USavanti,false); } while(buttoncount(btncenter,true)<1) { TextOut(10,LCD_LINE1,"TEST SENSORE CONTATTO ",true); TextOut(10,LCD_LINE2,"Tasto T1",false); SensorMC(); NumOut(10,LCD_LINE2,t1,true); NumOut(10,LCD_LINE2,t2,true); NumOut(10,LCD_LINE2,t3,true); NumOut(10,LCD_LINE2,t4,true); NumOut(10,LCD_LINE2,t5,true); //programma dibbe valori } }

31 I contributi dei diversi componenti della squadra sono stati salvati in diversi file caricati tramite include: //AREA INCLUDE #include "include\bt\protocol.h" //gestione CAM #include "\include\nxtcam_v3p0\nxtcamlib-default.h" #include "include\cinquini8_4_12.h" //gestione movimento in stanza 1 e 2 #include "include\leporini30_3_12.h" //#include "include\demarco10_4_11.h" #include "include\trasmettipc8_4_12.h" // inserire con Mora - Goi le funzioni del multiplexer #include "include\multiplexer\nxtmmx-lib.h" #include "include\mora_goi_2_4_12.h" // gestione sensore di contatto multiplo #include "include\dibenedetto8_4_12.h" //Gestione sensori per lettura da I2C #include "include\sensori_8_4_12.h" Il task principale richiama, a seconda delle situazioni,le funzioni opportune: task main() { stanza=0; arrivato=0; risultato_movimento=0; largavittima=2; rapportoruota=20; delta=2; cargento=33; SetSensorLight(luceDestra); SetSensorLight(luceSinistra);

32 CustomSensorActiveStatus(contatto); SetSensorMode(contatto,SENSOR_MODE_RAW); SetSensorType(contatto,SENSOR_TYPE_CUSTOM); SensorMC(); ResetAllTachoCounts(OUT_AB); start sensori; //start ricevi_trasmetti; while (arrivato==0) { if (ButtonPressed(BTNCENTER,true)) gestioneemmergenza(); // programma da eseguire in caso di intervento del capitano switch (stanza) { case 0: // settaggio(); stanza=1; break; case 1: if (risultato_movimento==0) risultato_movimento=muovi1(); NumOut(10,LCD_LINE3, risultato_movimento,true); break; case 2: ultima_stanza(); break; } } } Il task ricevi_trasmetti permette l'invio delle informazioni principali al PC, solo in fase di test. task ricevi_trasmetti() { string trasmetti; int lunghezza; long tempo=0; // -- check the bluetooth connection (we need to behave as a "master"): // -- if no "master" connection is there, then it will complain and exit slavecheck(); // configurato con PC come Master while (true) // ordine di invio: tempo # bottone # x # y # { // trovare il separatore "#" per dividere i valori alla ricezione tempo = CurrentTick()-FirstTick() ;

33 trasmetti = NumToStr(tempo) + "#" + NumToStr(d) + "#" + NumToStr(s); trasmetti= trasmetti+ "#" + NumToStr(distanza) ; trasmetti= trasmetti+ "#" + NumToStr(xG) + "#" + NumToStr(yG); trasmetti= trasmetti+ "#" + NumToStr(xGl) + "#" + NumToStr(yGt); trasmetti= trasmetti+ "#" + NumToStr(xGr) + "#" + NumToStr(yGb); TextOut(3,LCD_LINE3,trasmetti,false); sendtomaster(trasmetti); } } Le due funzioni seguenti gestiscono i motori della pinza, tramite il multiplexer. const byte Addr = 0x06; void ChiudiPinza() { int v; long tach; MMX_Init( SensorPort, Addr, 0 ); while(true) { MMX_Run_Degrees(SensorPort,Addr,MMX_Motor_2,MMX_Direction_For ward,70,120,mmx_completion_wait_for,mmx_next_action_brake); MMX_Run_Unlimited(SensorPort,Addr,MMX_Motor_2,MMX_Direction_Re verse,70); Wait(5000); MMX_Stop(SensorPort,Addr,MMX_Motor_2,MMX_Next_Action_Brake); MMX_Run_Degrees(SensorPort,Addr,MMX_Motor_1,MMX_Direction_For ward,70,80,mmx_completion_wait_for,mmx_next_action_brake); MMX_Run_Unlimited(SensorPort,Addr,MMX_Motor_1,MMX_Direction_For ward,70); Wait(5000); } } void ApriPinza() { int v; long tach; MMX_Init( SensorPort, Addr, 0 ); while(true)

34 { MMX_Run_Degrees(SensorPort,Addr,MMX_Motor_1,MMX_Direction_Rev erse,70,60,mmx_completion_wait_for,mmx_next_action_brake); MMX_Stop(SensorPort,Addr,MMX_Motor_1,MMX_Next_Action_Brake); MMX_Run_Degrees(SensorPort,Addr,MMX_Motor_2,MMX_Direction_Rev erse,70,45,mmx_completion_wait_for,mmx_next_action_brake); MMX_Run_Unlimited(SensorPort,Addr,MMX_Motor_2,MMX_Direction_Re verse,70); Wait(3000); } } Monitoraggio su PC dei dati acquisiti dai sensori Il programma è stato elaborato nel linguaggio Visual C# e permette la comunicazione tramite bluetooth tra il PC e il brick Lego Mindstorm NXT. Il programma si divide principalmente in sei Forms di cui uno di nome Controllo il quale contiene gli altri cinque Forms che sono: Connessione, Grafico Luce Destra, Grafico Luce Sinistra, Mappa e WebCam. Connessione Il Form Connessione si divide in due parti: una parte per la gestione della connessione e una seconda parte per la gestione dei dati. Il form serve per collegarsi, via Bluetooth, al brick Lego Mindstorm NXT e per ricevere i dati rilevati dai sensori dell NXT. I dati saranno inseriti all interno della tabella per esser visualizzati dall utente. Il Form Controllo con il Form Connessione attivo.

35 Grafico Luce Destra e Grafico Luce Sinistra Entrambi i form hanno la stessa funzione, cioè quella di visualizzare in un grafico cartesiano i valori rilevati dei due sensori di luce del Lego Mindstorm NXT nel corso del tempo. I Forms Luce Destra e Luce Sinistra mentre rappresentano i valori dei sensori (asse Y) nel corso del tempo (asse X).

36 Video Camera il Form Cam svolge la funzione di rappresentare, mediante dei rettangoli, l oggetto rilevato in tempo reale dalla CAM. Il Form Cam mentre rappresenta un oggetto blu visto dalla webcam del Lego Mindstorm NXT.

37 CAP. 10 SORGENTE DI ALIMENTAZIONE Il mattoncino intelligente della LEGO utilizza una fonte di alimentazione a 9 V. Noi abbiamo utilizzato le batterie al litio della Lego. Inoltre abbiamo utilizzato per il multiplexer una sorgente batteria esterna a 9 V e per la torcia 4 batterie da 1,5 V.

38 INDICE CAP. 1 - DATI GENERALI CAP. 2 - DATI DI CONTESTO E MOTIVAZIONE CAP. 3 NOME E STRUTTURA DEL ROBOT CAP. 4 MECCANICA CAP. 5 UNITÀ DI CONTROLLO CAP. 6 SENSORI - S ISTEMA PER LA VISIONE ARTIFICIALE - S ENSORI DI CONTATTO - M ULTIPLEXER CAP. 7 ATTUATORI CAP. 8 AMBIENTE DI SVILUPPO CAP. 9 IL PROGRAMMA SOFTWARE PAG. 5 PAG. 7 PAG. 8 PAG. 10 PAG. 12 PAG. 14 PAG. 15 PAG. 18 PAG. 24 PAG. 27 PAG. 28 PAG. 29