ROBOCUP JR ITALIA 2012

Rete di scuole per la ROBOCUP JR ITALIA ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE Della squadra TOP GUN Istituto LICEO SCIENTIFICO EUROPEO RAINERUM

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE 3

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;

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE 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. 5

Jacopo Carrani Aaron Larcher Michele Mezzanato TOP GUN PARTECIPA ALLA GARA DI Robocup Rescue A Istituto LICEO SCIENTIFICO EUROPEO RAINERUM Classe 3B

CAP. 1 - DATI GENERALI I componenti della squadra sono tre ragazzi, nati nel 1995: Michele Mezzanato, residente a Laives (BZ), Aaron Larcher, residente a Bronzolo (BZ) e Jacopo Carrani, residente a Merano (BZ). Essi frequentano il Liceo Scientifico Rainerum di Bolzano. Il docente responsabile del progetto è il professor Stefano Monfalcon.

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE CAP. 2 - DATI DI CONTESTO E MOTIVAZIONE Tutto ebbe inizio quando l'affiatato trio composto da Aaron, Jacopo e Michele iniziò il suo lungo cammino attività della robotica, cioè quando essi frequentavano la classe prima. In particolare s'imbatterono in un progetto in cui i protagonisti erano i robot, i quali avevano come scopo l'interazione tra l'ambiente e l'essere umano. L'interesse per l'argomento e la sfida propostagli dal professore, li portò alla realizzazione di un robot che con la sua funzionalità, praticità e simpatia riscosse molto successo all'interno dell'istituto. Questo fu l'episodio che diede inizio all'inseparabile squadra di robotici in questione. Per quanto riguarda il nome della squadra, le origini sono più recenti. Fu proprio durante una noiosissima ed estenuante lezione di supplenza di tedesco, che a due componenti del trio (Jacopo e Michele) venne in mente di trovare un passatempo che risvegliasse la loro attenzione e, completamente disinteressati a ciò che la professoressa spiegava, si misero a progettare aeroplanini di carta, per poi destreggiarsi nel loro lancio dalla finestra. Arrivati al fatidico momento del decollo dell'ennesimo origami, si accorsero della presenza di un professore che, dal cortile, li stava osservando. Questi si apprestò ad avvertire la professoressa di matematica che assegnò ai ragazzi una severa punizione. La notizia dell'accaduto, come previsto, arrivò con celerità 9

all'orecchio del professore di fisica, il quale, con altrettanta rapidità, non perse l'occasione per divulgarla in tutto l'istituto, canzonando inoltre i tre ragazzi, Aaron compreso, chiamandoli col nome di Top Gun. Per la precisione i tre diventarono Goose (Michele), Maverick (Jacopo) e Iceman (Aaron). Qualche mese prima dell'inizio dell'anno scolastico 2011/12 venne proposto ai Top Gun di aderire, come ogni anno, ai progetti di robotica proposti dall'istituto e la risposta fu immediata, così al rientro i nostri ragazzi erano già all'opera. Nel dettaglio furono posti di fronte ad un bivio: proseguire con l'opzione 'robotica avanzata' o intraprendere una nuova strada: la Robocup. Mossi dalla curiosità e dalla voglia di avventurarsi in un'esperienza del tutto nuova, i tre ragazzi, si dedicarono quindi alla costruzione di un robot che avrebbe gareggiato a riva del Garda nella categoria 'Rescue A'. Le delusioni dovute ai mancati funzionamenti delle strutture impiegate (tre) furono molte e le fatiche altrettante, ma grazie ad un lavoro costante ed ai pochi ma essenziali consigli del professore la squadra dei Top Gun riuscì a terminare la costruzione di un robot agile e funzionale, il quale verrà in seguito descritto.

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE CAP. 3 NOME E STRUTTURA DEL ROBOT Il robot della squadra Top Gun prende il nome dall'aereo pilotato da Maverick, interpretato da Tom Cruise nel film "Top Gun", cioè "F-4 Phantom II". Nel corso della costruzione del robot la struttura, per problemi di peso, dimensioni e agilità è stata sottoposta a ben 3 grandi modifiche che hanno comportato la parziale distruzione, se non il totale smantellamento del robot (nel caso dell'ultimo cambiamento). Per questo, il nome del robot non è esattamente quello del caccia utilizzato dal talentuoso e giovane pilota americano: al posto del numero II, è stato deciso di porvi il numero III, segno che la versione finale si tratta della terza revisione. F- 4 Phantom III Per la costruzione del robot, sono stati utilizzati i seguenti materiali (Lego): - tre motori - due sensori di luminosità - un sensore di distanza - un sensore di colore - pezzi Lego Technic La struttura si basa su due cingoli, scelti per la grande stabilità che forniscono alla struttura del robot e per avere la maggior aderenza possibile in modo da permettere al robot di completare la salita ed arrivare così all'ultima stanza. 11

I sensori di luminosità sono stati posti sotto la tenaglia e tra le due ruote anteriori per permettere un maggiore controllo ed un'azione immediata da parte dei motori. We i motori fossero stati messi troppo avanti, il robot, nel momento in cui gli stessi avrebbero segnalato la presenza di una curva avrebbero azionato i motori effettuando la curva stessa troppo anticipatamente, mandando così il robot fuori dal tracciato. Il sensori ad ultrasuoni è stato posto al di sotto della tenaglia davanti ai sensori di luminosità per poter vedere gli oggetti ed aggirarli o per dare il segnale per raccogliere la lattina. Tutta la struttura del dell'androide non deve superare la grandezza di 25 centimetri sia in altezza sia il larghezza, altrimenti non sarebbe in grado di passare al di sotto le porte del percorso e all'interno del corridoio, situato tra le prime due stanze.

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE CAP. 4 MECCANICA Al contrario delle prime versioni, in quella definitiva è presente soltanto un mattoncino NXT. Il robot presenta una meccanica sobria e compatta, ma allo stesso tempo resistente. Per quanto riguarda il telaio, le sospensioni consistono in due barre di LEGO Technic a forma di lettera J che separano il mattoncino NXT dai due motori che consentono lo spostamento del robot e da due assi di sezione cruciforme posti sotto la parte posteriore del mattoncino stesso per conferirne stabilità. I sensori sono sostenuti dalla struttura formata dalle sopraccitate barra di LEGO Technic. Infine, per quanto riguarda lo spostamento, si è deciso di dotare il robot di cingoli, così da ottenere la maggiore aderenza possibile con il terreno. La tenaglia con la quale il robot deve alzare la vittima, è stata progettata utilizzando un motore posto sul mattone NTX nel quale è stata introdotta un'asse di sezione cruciforme alla quale è stata agganciata una struttura dotata di un sistema di ingranaggi atti ad aprire la tenaglia stessa tenuta chiusa da un elastico. Nella pagina seguente, alcune immagini che ritraggono il robot F-4 Phantom III. 13

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE CAP. 5 UNITÀ DI CONTROLLO L unità centrale che è stata adottata è un mattone NXT ( NXT brick ); esso può ricevere l input da un massimo di quattro sensori e controlla fino a tre motori elettrici, attraverso cavi RJ12. Il mattone ha un display LCD monocromatico (100x64px), e quattro pulsanti, utilizzati per navigare nell interfaccia utente; possiede anche un altoparlante in grado di riprodurre file sonori campionati a 8kHz. La corrente è fornita da una batteria ricaricabile Li-Ion. Specifiche tecniche: - microprocessore centrale a 32-bit AT91SAM7S256 @ 48MHz (256KB flash memory, 64KB RAM) - microcontroller a 8-bit ATmega48 @ 4MHz (4KB flash memory, 512Bytes RAM) - CSR BlueCore 4 Bluetooth controller @ 26MHz (Memoria flash esterna da 8MBit, 47KB RAM) - Display LCD con matrice da 100x64 pixel - Una porta USB 1.1 (12Mbit/s) - Connettività wireless Bluetooth (Classe II) - 4 porte di input - 3 porte di output Versione del firmware: - 1.3 Requisiti minimi di sistema: - Windows XP 15

- Mac OS X v10.3.9 Versioni di sistema raccomandate: - Windows 7 - Mac OS X v10.7.3

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE CAP. 6 SENSORI I sensori equipaggiati dal nostro robot sono i seguenti: - due sensori di luminosità (Lego Technic) - un sensore ad ultrasuoni (Lego Technic) - un sensore di colore (HiTechnic) Sono tutti e quattro collegati all unità centrale tramite cavi RJ12 (Lego Technic). 17

CAP. 7 ATTUATORI Gli attuatori impiegati sono i motori della LEGO dotati di encoder, di un sistema interno di demoltipliche che permettono di gestirne le rotazioni con una precisione di 1 ; un controllo PID permette inoltre di compensare spostamenti indesiderati dovuti all inerzia. Come si può vedere nelle immagini tratte dal sito: http://www.philohome.com/nxtmotor/nxtmotor.htm, il motore della LEGO Mindstorms ha una struttura interna complessa.

CAP. 8 AMBIENTE DI SVILUPPO Come ambiente di sviluppo è stato utilizzato il programma Lego Mindstorms Edu NXT v2.1.f5. Il software è basato su LabView della National Instruments, e consente di utilizzare un linguaggio di programmazione visuale. Mindstorms Edu NXT fornisce un ambiente grafico semplice da usare grazie all utilizzo di un sistema drag and drop. Il programma contiene molteplici funzioni, dalle azioni più semplici, come il movimento dei motori, a funzioni più avanzate, come logiche e variabili. È stato scelto questo software innanzitutto in quanto è stato il primo ambiente di sviluppo con il quale siamo entrati in contatto e anche quello che conosciamo meglio, essendo gli altri a noi poco noti; oltretutto, grazie alla sua semplicità di visualizzazione, la sua comprensione è più immediata, a scapito, però, di una certa lentezza nel salvataggio, compilazione e scaricamento del programma, e alcuni rischi di crash del software con conseguente perdita di dati, soprattutto quando esso è molto pesante.

CAP. 9 IL PROGRAMMA SOFTWARE Il software è stato scritto, come detto sopra, con il programma Lego Mindstorms Edu NXT. Esso permette al robot di compiere tutte le azioni necessarie per completare la gara Rescue A. Per rendere la scrittura meno pesante e più ordinata, parti di programma (come, ad esempio, il seguilinea o la ricerca della lattina) sono state incluse in blocchi personalizzati, i quali compattano la scrittura. Di seguito verranno spiegate nel dettaglio le tre parti: seguilinea, aggiramento dell ostacolo e ricerca della lattina. Per quanto riguarda il seguilinea, l intero processo può essere riassunto in sei punti principali: 1) Il robot inizia una fase di taratura dei sensori di luce, durante la quale entrambi devono essere posizionati su una superficie bianca. Il dato rilevato dai due sensori viene registrato in una variabile ( bianco_1 per il sensore collegato alla porta 1, e bianco_4 per quello collegato alla porta 4).

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE 2) Dopo questa procedura, comincia un ciclo (loop) condizionato al sensore di colore ( HiTechnic Color Sensor ). Nel ciclo vengono effettuati i vari controlli da parte dei sensori di luce. Il sensore di luce sinistro (porta 4) registra i dati relativi alla luminosità, che vengono confrontati con il dato scritto nella variabile bianco_4. La differenza tra il dato registrato nella variabile e quello rilevato dal sensore viene confrontata ad un intervallo compreso tra -5 e +5. 3) L intervallo è collegato ad un interruttore (switch) di tipo logico. Se il risultato è no (ciò significa, quindi, che il sensore sta rilevando il colore nero), allora, tramite i motori collegati alle porte A e C, il robot sterzerà verso sinistra; il robot uscirà dal ciclo quando la differenza tra la variabile bianco_4 e i dati rilevati dal sensore di luce 23

sinistro sia compresa tra -5 e +5 (cioè fino a quando il sensore destro tornerà a rilevare il colore bianco). 4) Se il risultato è sì, viene effettuata la stessa procedura del punto 2, relativa però al sensore destro (porta 1).

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE 5) L intervallo è collegato ad un altro switch di tipo logico. Se il risultato è sì (e ciò indicherebbe che entrambi i sensori rilevano il colore bianco), allora i motori procedono in avanti 0,3 secondi. 6) Se il risultato è no, viene effettuata la stessa procedura del punto 3. Insieme al seguilinea, nel ciclo condizionato al sensore di colore è presente la funzione di aggiramento dell ostacolo. Il suo funzionamento è abbastanza semplice: quando il sensore a ultrasuoni rileva un oggetto ad una distanza minore di 5 centimetri, il robot si 25

ferma e si gira di 90 gradi verso sinistra; a questo punto effettua un controllo con il sensore ad ultrasuoni, per verificare che ci sia abbastanza spazio per attuare la manovra di aggiramento. Se rileva un oggetto (verosimilmente una parete) ad una distanza minore di 15 centimetri, il robot effettua una rotazione di 180 gradi verso destra ed attua la manovra di aggiramento; in caso contrario, il robot effettua la manovra di aggiramento dalla parte opposta.

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE Vicino: Lontano: Quando il programma esce dal ciclo condizionato al sensore di colore, significa che ha raggiunto l ultima stanza, in quanto il sensore rileva la linea di carta argentata posta all ingresso della terza stanza. A questo punto entra in gioco l ultima parte del programma, la ricerca della lattina. Una volta varcata la soglia della terza stanza, il robot si ferma e comincia a girare verso destra per un piccolissimo intervallo di tempo per volta, registrando ogni volta la distanza rilevata dal sensore ad ultrasuoni in una variabile, che verrà poi confrontata con la distanza rilevata subito dopo; se la differenza tra il valore della variabile e la distanza rilevata è molto grande, ciò significa che è stata vista la lattina. A questo punto, il robot continuerà a girarsi sino a quando non vedrà più la lattina; quindi, si girerà dalla parte opposta, e proseguirà in avanti sino a che il sensore ad ultrasuoni non rileverà una distanza minore di 5 centimetri. Il robot, quindi, 27

si fermerà, ed attiverà la tenaglia, tramite il terzo motore, la quale scenderà e afferrerà la lattina, alzandola poi a 3 centimetri dal terreno. In seguito, il robot procederà all indietro per tutta la superficie dell ultima stanza, fino a quando non troverà un area nera, grazie al sensore di colore. A questo punto, il robot girerà di 180 e lascerà la lattina sul piano nero.

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE CAP. 10 SORGENTE DI ALIMENTAZIONE Il robot, costruito con materiale della Lego e presenta le batterie standard di alimentazione, con 7,4V e tensione nominale pari a 1400mA La batteria utilizzata 29

APPENDICE In quest appendice finale, si tratteranno le varie modifiche strutturali e di programma che il robot ha subìto. Prima di tutto, analizzerò i cambiamenti di struttura. Le prime due versioni del robot erano molto diverse da quella attuale, come si può osservare dall immagine sottostante, che raffigura la seconda versione. Tra la prima e la seconda versione, non sussistevano molte differenze, a parte il fatto che, nella prima, i mattoncini NXT risultavano poco accessibili, e ciò implicava una notevole difficoltà nel cambiare le batterie, in caso di necessità.

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE Purtroppo, però, anche la seconda versione non nacque perfetta. Infatti, essa presentava molteplici difetti; ad esempio, per il suo funzionamento occorrevano ben due mattoncini NXT, in quanto la struttura della tenaglia era strutturata in modo diverso: era dotata di un carrello sul quale la pinza poteva scorrere; essa necessitava, quindi, di due mattoncini, perché per il suo corretto funzionamento erano richiesti due motori che, sommati ai due motori utilizzati per il movimento del robot, superavano il limite di tre motori collegabili ad un solo mattoncino. Quindi, nonostante questo sistema semplificasse molto la tenaglia, l uso di due cervelli era una grande scomodità, perché appesantiva e ingrandiva significativamente la struttura: ciò comportava quindi una riduzione dell agilità, maggiore difficoltà nel passare in mezzo alle porte (a causa delle grandi dimensioni), e, inoltre, il robot non riusciva a effettuare la salita. Un altro lato negativo di questa struttura era la scarsa accessibilità ad alcune parti, come i sensori di luce. Proprio per questo motivo, non siamo riusciti a portare a termine una pre-gara organizzata dalla nostra scuola e da alcuni istituti della nostra regione: a causa di un guasto ai sensori, il robot non era più in grado di seguire la linea, e non siamo riusciti a rimuoverli e sostituirli in tempo. Dopo questo fallimento, abbiamo deciso di smantellare completamente il nostro robot, e ricostruirne da zero uno nuovo. Così è nato, quindi, il F-4 Phantom III. Dotato di un solo cervello, è molto più compatto, agile e leggero. 31

Inoltre, abbiamo deciso di distanziare maggiormente i due sensori di luce l uno dall altro: in questo modo, è molto più improbabile che il robot perda il tracciato. Nonostante la presenza di questi lati positivi, c è tuttavia un elemento mancante in quest ultima versione, che però non poteva essere incluso nuovamente: la tenaglia a due motori. Infatti, dato che, utilizzando un solo mattoncino NXT, l unica possibilità per realizzare la tenaglia era quella di avere un solo motore, l impresa è stata molto più ardua. Tuttavia, grazie all utilizzo di vari ingranaggi e demoltipliche, siamo riusciti a realizzare una struttura soddisfacente. Per quanto riguarda la parte di programmazione, invece, il percorso è stato meno travagliato, ma abbiamo comunque affrontato diverse difficoltà, soprattutto per quanto riguarda la parte del segui linea, alla quale ci siamo dedicati per la maggior parte del tempo. Dopo vari tentativi, abbiamo scoperto, infatti, il sistema di auto taratura dei sensori: il robot registra in una variabile il dato che i sensori stanno rilevando in quel dato momento. In questo modo, non sarà necessario tarare i sensori in base alla percentuale di luminosità (da 0 a 100) che rilevano, e tutto il sistema è molto più accurato. Inoltre, per affrontare la salita, la vecchia versione del robot aveva bisogno di una spinta maggiore da parte dei motori, e ci eravamo posti il problema di come far riconoscere al robot che aveva intrapreso la salita. Inizialmente, avevamo pensato di includere

ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE un accelerometro, però, dato il limite di sensori massimo (quattro) collegabili al mattoncino, non abbiamo potuto realizzare quest idea; fortunatamente, la versione finale del robot è in grado di affrontare la salita con la stessa potenza dei motori di quando procede su una superficie piana: senza dubbio, un grande vantaggio. La versione finale F-4 Phantom III 33

INDICE P.8 - CAP. 1 - DATI GENERALI P.9 - CAP. 2 - DATI DI CONTESTO E MOTIVAZIONE P.11 - CAP. 3 NOME E STRUTTURA DEL ROBOT P.13 - CAP. 4 MECCANICA P.15 - CAP. 5 UNITÀ DI CONTROLLO P.17 - CAP. 6 SENSORI P.18 - CAP. 7 ATTUATORI P.20 - CAP. 8 AMBIENTE DI SVILUPPO P.22 - CAP. 9 IL PROGRAMMA SOFTWARE P.29 - CAP.10 SORGENTE DI ALIMENTAZIONE P.30 - APPENDICE