Rete di scuole per la ROBOCUP JR ITALIA ROBOCUP JR ITALIA 2012 Riva del Garda (TN) 19-21 aprile REPORT DI DOCUMENTAZIONE Della squadra The Spartans Istituto A. Rossi(VI)
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 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 prevederà 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. RICERCATORI ASSOCIATI portano nella Rete il loro contributo scientifico di alto livello. Partecipano di diritto al Gruppo Tecnico e un loro rappresentante al Comitato di Gestione (senza diritto di voto). 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.
FAGGIONATO MARCO NOVELLO MATTEO PANDOLFI GAETANO The Spartans PARTECIPA ALLA GARA DI Soccer B Istituto A. Rossi Classe 4^AT
CAP. 1 - DATI GENERALI Istituto di provenienza: I.T.I.S. A. Rossi Vicenza Docente responsabile: Stefano Andriolo Componenti: Faggionato Marco Novello Matteo Pandolfi Gaetano
CAP. 2 - DATI DI CONTESTO E MOTIVAZIONE L' Istituto A. Rossi, è da sempre conosciuto come uno di quegli istituti che fornisce ai suoi studenti la possibilità di crescere con diverse esperienze formative. Quest'anno tra queste attività proposte era presente anche la partecipazione alla Robocup JR Italia,che da sempre è un fiore all'occhiello dell'istituto. Il nostro Gruppo ha,con estrema coesione,deciso di parteciparvi spinto dalla voglia di conoscere meglio quel campo degli studi scolastici a volte trascurato: l'esperienza pratica. Inizialmente eravamo poco convinti di concorrere per la categoria Soccer, poichè questa è frutto di un complesso intreccio di cicli iterativi e soprattutto di una forte e stabile meccanica. Ciò che però ci ha fatto decidere definitivamente per questa categoria è stata la passione,che accomuna peraltro,noi componenti degli Spartans per il calcio. E importante sottolineare che pian piano la passione che ci spingeva alla risoluzione dei problemi che si sono posti,è cresciuta,portandoci a rimanere a scuola per ore e ore,anche solo per capire in che modo installare un distanziatore nella struttura del Soccer Player. Comunemente agli alti gruppi il problema che si è da subito posto, è stato quello di comunicare al Soccer Player che era in possesso della palla,e che quindi il programma da seguire non era quello di seguire la palla
ma di spingerla,o quantomeno tirarla nella porta avversaria. La risoluzione a questo problema è stata piuttosto difficile da trovare,ma dopo diverse soluzioni provate la più sensata ci è sembrata quella di porre alla base della stuttura dei Soccer Player dei sensori ad ultrasuoni,che al pari dei sensori di colore sono precisi nella comunicazione della presenza della palla. Un altro problema essenziale che ci ha in qualche modo messo i bastoni tra le ruote sin dalle prime prove è stato il far capire al Soccer Player da che parte portare la palla una volta conquistata. La soluzione più adeguata,a nostro riguardo,è il Sensore di Bussola, poichè esso riesce a fornire con estrema precisione i valori del campo magnetico terrestre. Purtroppo però il Sensore di Bussola non si è verificato semplice da integrare nel codice del nostro programma,portandoci quindi a effettuare decine di autogol durante le gare interne all'istituto(31 Marzo 2012). Nelle settimane immediatamente seguenti alle gare scolastiche,abbiamo lavorato duramente per far sì che i Soccer Player funzionassero al meglio, e appena in tempo per queste importanti Gare Nazionali, i Soccer Player sono pronti per mostrare agli altri quale sia il loro vero valore,basta infatti pensare che uno dei due Soccer Player abbia il soprannome di Brutto e Cattivo. Intendiamo infine sottolineare che questa sia la nostra prima apparizione sulla scena Nazionale,e soprattutto che
questa esperienza ci aiuterà sicuramente a crescere per gli anni venturi. Vi lasciamo alla parte tecnica del nostro report, salutandovi al grido di In bocca al lupo a tutti. Immagine 1: Manifestazione a scuola.
CAP. 3 NOME E STRUTTURA DEL ROBOT La squadra si compone di due automi: Vulture Immagine 2: Vulture. Il nome deriva da avvoltoio un rapace forte e con un'ottima vista. Si tratta di un automa costruito e programmato per individuare la palla e condurla nella porta avversaria.
Il robot è stato costruito utilizzando il kit Lego Mindstorms e perfezionando la struttura con aggiunte auto-costruite. L'automa poggia su due ruote motrici anteriori in asse e un ruotino posteriore non vincolato, che è libero di ruotare sul suo asse verticale e che permette al robot di avere una grande libertà di movimento. Sopra ai due motori per lo spostamento si appoggia il mattoncino NXT, il controllore Lego Mindstorms, che siamo andati a programmare. Per aumentare l'efficienza e migliorare il controllo della palla abbiamo aggiunto un sistema di autospin, che consiste in un motore posto anteriormente al robot, che mantiene la palla aderente all'automa, conferendole una rotazione opposta al movimento dell'automa. E' stato attrezzato con tre sensori. Il sensore ad infrarossi, che ha la funzione di individuare la palla, è stato montato sotto il mattoncino NXT rivolto anteriormente. Per far sapere al robot se è in possesso della palla è stato usato un sensore ad ultrasuoni che è stato fissato sopra il disco di metallo, puntato verso l'interno della mezzaluna per la raccolta della palla. Per far orientare l' automa è stato montato un sensore bussola schermato con della carta di alluminio e il più in alto possibile (per evitare gli influssi degli NXT e dei motori) per individuare la porta avversaria. Rhino
Immagine 3:Rhino Il nome ha una storia piuttosto strana, ma senza alcun dubbio
è giustificato dalla sua apparenza, imponente e paurosa allo stesso momento e proprio per questo è stato soprannominato Brutto e cattivo. Rhino è un automa che viene lasciato libero per il campo alla ricerca della palla-emittente a infrarossi. Essenzialmente il compito di questo automa è quello di liberare la strada all'altro automa permettendogli di avere il possesso di palla e di portarla nella porta avversaria. Rhino è frutto di una intuizione del meccanico degli Spartans, realizzato con 3 omnidirezionali self-made e funzionali al massimo in velocità e cambi di direzione. La struttura portante di Rhino è realizzata con 2 Lego NXT attaccati tra loro con connettori Lego. La presenza di 2 NXT è dovuta esclusivamente alla struttura dell'automa, poichè dal punto di vista del software ne sarebbe bastato solamente uno. I motori sono stati posti in posizione verticale, esattamente in modo da averne due dalla parte frontale dell' automa e uno dalla parte posteriore dell' NXT. E' stato munito di un sensore ad infrarossi, posto tra gli NXT, per inseguire la palla e di un sensore di Bussola schermato con della carta di alluminio (per evitare gli influssi degli NXT e dei motori) posto sopra gli NXT per individuare la porta avversaria.
CAP. 4 MECCANICA Il movimento di Vulture è ottenuto mediante due motori anteriori posti in orizzontale che fungono anche da base al robot e dove sono stati applicati sopra l' NXT e i vari sensori; Quello di Rhino invece è ottenuto mediante tre ruote omnidirezionali self-made montate su motori posti in verticale (due anteriori e una posteriore). Per il controllo della palla di Vulture è stato adottato il sistema di autospin con un motore inclinato posto sopra le due ruote anteriori mentre Rhino ingloba parzialmente la palle tra i due motori anteriori e le due ruote omnidirezionali fanno ruotare la palla in avanti. Per aumentare l'agilità di entrambi e per evitare che si incastrino negli angoli o in altri robot, abbiamo ritagliato dei dischi in metallo fissati nella parte inferiore dei robot. Per Rhino è stata necessaria solo una sezione posteriore essendo già di suo parzialmente circolare. Nella parte anteriore di Vulture è stata ritagliata anche una mezzaluna per raccogliere la palla e controllarla meglio, impedendole spostamenti orizzontali con conseguente perdita di controllo. In entrambi i robot sono state utilizzate delle fascette, nastro isolante e colla a caldo per rinforzare i punti di appoggio e quelli sottoposti a maggiori sollecitazioni. Tutti gli altri pezzi utilizzati sono componenti Lego presi per la maggior parte dai kit di montaggio Lego Mindstorms.
CAP. 5 UNITÀ DI CONTROLLO Per l'unità centrale di ciascun robot è stato utilizzato il mattoncino Lego NXT 2.0, fornito dal kit Lego Mindstorms. E' alimentato da una batteria apposita (7,4V; 2200mAh) e necessita del firmware LEGO MINDSTORMS NXT Firmware Version 1.28 I programmi, scritti in NXC, sono stati scaricati sul mattoncino NXT attraverso un cavo USB mediante il compilatore Bricx Command Center. Immagine 4: Mattoncino Lego NXT 2.0.
CAP. 6 SENSORI Sono stati impiegati sensori forniti dalla Lego e dalla HiTechnic, simili in forma a sensori Lego Mindstorms, ma che sono stati acquistati separatamente, e con lo stesso collegamento mediante cavo seriale dei sensori e dei motori Lego Mindstorms. Sono stati impiegati i seguenti sensori: IRSeeker2AC (HiTechnic): si tratta di un sensore a infrarossi che è stato utilizzato per riuscire a individuare e seguire nel campo la palla che emette appunto un segnale pulsante a infrarossi. Sono stati montati su entrambi i robot tra i motori e l'nxt. Immagine 5: Sensore IRSeeker2AC. Compass (HiTechnic): si tratta di una bussola digitale che si orienta col campo magnetico terrestre. E' stata sfruttata per far orientare entrambi i robot nel campo e per individuare la porta avversaria.
Immagine 6: Sensore Compass. Ultrasonic (Lego): si tratta di un sensore ad ultrasuoni che rileva la presenza di oggetti, misurando la distanza calcolando il tempo necessario ad un'onda sonora per tornare indietro, ed è servito per permettere a Vulture di sapere se è in possesso della palla Immagine 7: Sensore Ultrasonic (Lego).
CAP. 7 ATTUATORI Per il movimento sono stati impiegati i motori forniti dal kit Lego Mindstorms, così come per il funzionamento del sistema di autospin. Come detto sono stati utilizzati tre attuatori per automa e tutti i motori sono stati collegati al mattoncino NXT mediante cavi seriali, forniti anch'essi dal kit Lego Mindstorms. Immagine 8: Motore Lego Mindstorms.
CAP. 8 AMBIENTE DI SVILUPPO Abbiamo deciso di programmare i robot in linguaggio NXC, mediante il compilatore Bricx Commad Center (versione 3,3,8,8) perché il linguaggio C ci era già familiare, in quanto lo avevamo già studiato a scuola, e perché il programma creato è più semplice, leggero, preciso e reattivo rispetto ad altri linguaggi di programmazione a noi noti. Immagine 9: Il linguaggio NXC.
CAP. 9 IL PROGRAMMA SOFTWARE I due robot sono stati programmati in linguaggio NXC, e i rispettivi programmi sono stati scaricati nel controllore mediante il compilatore Bricx Command Center. Il programma non contiene più funzioni Task,ma solamente un' unica funzione main, effettuata all'infinito. Prima di iniziare la funzione abbiamo definito,come in un qualsiasi programma in C++ le variabili, per semplificare il modo in cui i sensori vengono letti. Immagine 10: esempio di definizione delle variabili fondamentali. Subito dopo aver definito le variabili,la funzione main è iniziata,con l'inserimento delle variabili secondarie e il settaggio dei sensori. In questo si rende possibile la comunicazione sensore-nxt poiché l'nxt sa in quale delle sue 4 porte prelevare le variabili legate al sensore voluto.
Immagine 11: esempio di definizione delle variabili secondarie e settaggio dei sensori. Dopo queste due operazioni che fanno parte di qualsiasi codice in C++,e pertanto simili tra i due robot il programma vero e proprio è iniziato,ovviamente i due programmi differiscono l'uno dall'altro,il che è dovuto alla differente composizione dell'hardware degli automi: Vulture: Come già detto tutto il programma si sviluppa all'interno della funzione principale main, ma si possono distinguere le più parti che lo compongono: Inseguimento della palla: in questa fase il robot legge il valore che il sensore a infrarossi posto sopra i motori rileva e di conseguenza si muove verso la palla e la insegue puntandole contro. Rilevamento possesso: in questa fase viene controllato il valore assunto dal sensore di ultrasuoni. Se questo è inferiore a 4 cm significa che la palla è entrata nella mezzaluna di controllo e che quindi Vulture ne è in possesso e può procedere con l'individuazione della porta. Goal: a questo punto, quando Vulture si accorge di essere in possesso della palla, smette di
seguirla e legge il valore di angolo che il sensore bussola rileva. In funzione di questo Vulture si gira e aggiusta la traiettoria, finchè non si pone di fronte alla porta, quindi prosegue diritto alla ricerca della porta. Questa serie di operazioni viene ripetuta all'infinito, finchè il programma non viene bloccato dal capitano della squadra. Immagine 12: Il programma di Vulture.
Rhino: Il programma si sviluppa in due fasi: Inseguimento della palla: in questa fase il robot legge il valore che il sensore a infrarossi posto sopra i motori anteriori rileva e di conseguenza si muove verso la palla e la insegue puntandole contro. Aggiustamento della traiettoria:quando il robot si accorge grazie al sensore di infrarossi che la palla è davanti a lui ruota se stesso verso la porta avversaria e si muove verso di essa. Immagine 13: Il programma di Rhino
CAP. 10 SORGENTE DI ALIMENTAZIONE Entrambi i robot sono alimentati dalla batteria fornita dalla Lego per NXT. Essa ha una tensione di uscita pari a 7,4V e fornisce 2200mAh. Immagine 14: Batteria Lego NXT.
APPENDICE 1 RINGRAZIAMENTI Dobbiamo infine ringraziare la scuola per il supporto tecnico, le nostre famiglie per il supporto morale e la squadra di 5^BT Lanerossi per averci insegnato la programmazione dei sensori a noi prima sconosciuti. Ringraziamo inoltre gli organizzatori dell'edizione Riva del Garda 2012 per la manifestazione. Ultimi ma non meno importanti, ringraziamo il precedente computer di Matteo Novello per le sagome circolari, le fascette, il nastro isolante e la colla a caldo, immancabile fonte di coesione per la nostra squadra.
APPENDICE 2 SPONSOR
INDICE P.5 - CAP. 1 - DATI GENERALI P.6 - CAP. 2 - DATI DI CONTESTO E MOTIVAZIONE P.9 CAP. 3 NOME E STRUTTURA DEL ROBOT P.13 CAP. 4 - MECCANICA P.14 CAP. 5 UNITÀ DI CONTROLLO P.16 CAP. 6 - SENSORI P.18 CAP. 7 - ATTUATORI P.19 CAP. 8 AMBIENTE DI SVILUPPO P.21 CAP. 9 IL PROGRAMMA SOFTWARE P.27 CAP. 10 SORGENTE DI ALIMENTAZIONE P.28 - APPENDICE 1 - RINGRAZIAMENTI P.29 - APPENDICE 2 - SPONSOR