Barbora
pásové vozítko s barevnou kamerou a počítačem PC, 2002
Barbora byla primárně navržena pro účast na soutěži Eurobot 2002. Další (a důležitější) motivací bylo postavit univerzální podvozek, který bude sloužit jako základ pro další soutěže a výzkumné projekty. Naneštěstí jsme robota nestihli dokončit včas, takže jsme se do soutěže vůbec nekvalifikovali. I přes tento neúspěch jsme získali spoustu cenných zkušeností a podvozek úspěšně slouží už ve třetí variantě robota – Daně.
Základní informace
Řídícím centrem robota je počítač PC pro průmyslové aplikace, operačním
systémem je upravený Linux. Pohon je zajištěn dvěma modelářskými
bezkartáčkovými (BLDC) motory. O sledování pozice se starají čtyři optické
myši. Spektrum senzorů rozšiřují dvě barevné kamery (jedna z nich je
stacionární a připojena pomocí mikrovlnného přenosu) a infračervené senzory pro
detekci čar. Základem systému pro manipulaci s míčky je spirálový zásobník.
Řídící program mj. obsahuje
MCL (Monte Carlo Localization) sledování pozice,
RRTs (Rapidly-Exploring Random Trees)
plánování cesty a rychlý systém zpracování obrazu založený na prahování barev.
Podvozek
Podvozek je z větší části vyroben z běžně dostupných materiálů a dílů.
Především jde o díly používané v automobilovém a leteckém modelářství a také v
automatizaci. Důvodem tohoto řešení bylo především snížení ceny robota a
zkrácení doby vývoje. O mechanickou výrobu podvozku se postarala společnost
Vakuum Praha, která úzce spolupracuje s
Matematicko-fyzikální fakultou
Karlovy Univerzity v Praze, kde většina členů
týmu studuje. Vakuum Praha se specializuje na vakuové a nízkoteplotní systémy
a jemnou mechaniku (vyvíjí se zde např. některé systémy pro družice).
Lehký a odolný podvozek je vyroben z hliníku, při pohledu zhora má zhruba
čtvercový obvod o straně třicet centimetrů. Výška podvozku je dána rozměry
motorů a baterií a je asi šest centimetrů.
Hybnou silou robota jsou dva bezkartáčkové (BLDC) motory vyráběné
českou firmou Mega Motor. Každý tento
motor má při hmotnosti 160 gramů špičkový výkon okolo 600 Wattů. Více než
desetikilogramový robot díky nim dosahuje zrychlení 20ms-2 (2G).
Maximální rychlost je 4ms-1. Robot je schopen jí dosáhnout na
vhodném povrchu zhuba během čtvrtiny sekundy. Pro dobrou trakci a vysokou
stabilitu jsme zvolili pásový pohon realizovaný pomocí průmyslových
kevlarem vystužených HTD řemenů. Podobné řemeny byly použity i pro realizaci
převodovek — obyčejné zubové převodovky by při omezení rozměry podvozku
nebyly schopny přenést dané síly.
Nevýhodou BLDC motorů je složitost jejich řízení. Jelikož nemají komutátor,
potřebují třífázové napájení s proměnnou frekvencí, nízkým napětím (12V) a
velkým proudem (až 50A). Nepřítomnost komutátoru na druhou stranu přináší
vysokou spolehlivost a vysoký poměr výkonu k hmotnosti a rozměrům.
Naštěstí regulátory
TMM 40e-3ph
vyráběné českou společností MGM-Compro
byly přesně to, co jsme potřebovali. Po malé úpravě (kterou výrobce na naši
žádost ochotně provedl) se dají snadno řídit po sériové lince. Namísto
generování signálu ve stylu řízení serv tak nyní můžeme regulátoru poslat
přímo směr a požadovaný výkon (činitel plnění PWM) a zpět se nám vrací
o kolik se motor pootočil.
Zdrojem energie jsou dva desetičlánky NiCd akumulátorů. Máme tak k
dispozici kapacitu 3400mAh při napětí 12V. Ta by umožnilo při maximálním odběru
pohon robota po dobu dvou minut (soutěž trvá 90 sekund). Protože ale skutečný
odběr je asi desetkrát menší, je kapacitní rezerva více než dostatečná.
Akumulátory byly z konstrukčních důvodů řešeny jako nevyjímatelné. Nebylo tedy
možné současně testovat i nabíjet. To se během testovacích jízd ukázalo jako
výrazná nevýhoda. Čekání na nabití akumulátorů zapříčinilo, že testování bylo
nejen nepohodlné, ale i neefektivní. Pro budoucí použití musí být kostrukce
modifikována, aby umožnila výměnu akumulátorů (a tím pádem použití několika
sad).
Manipulace s míčky
Dvojitá spirála z chladírenských měděných trubek se stala základem systému
pro manipulaci s míčky. Tvořila zásobník, do nějž bylo možno uložit až sedm
míčků. To umožnilo robotovi nasbírat co největší počet míčků a poté je
roztřídit do správných košíků. Zásobník byl namontován na vrcholu podvozku
tak, aby ho bylo možné v budoucnu snadno odstranit a nahradit jinou aplikační
nástavbou (pro případné další soutěže či výzkum).
Míček je vždy nejprve zachycen otevřenou částí podvozku (který má tvar
písmene U). Poté je zdvižen párem manipulátorů. Jejich základem jsou
modelářská serva řízená obvodem 556. Dvě polohy jsou přepínány pomocí relé
ovládaného z paralelního portu počítače.
Manipulátory se ukázaly být nejproblematičtějším konstrukčním subsystémem
robota. Jejich realizaci jsme nechali doslova na poslední chvíli, což se
ukázalo jako poměrně zásadní podcenění jejich složitosti. Ve výsledku se nám
nikdy nepodařilo dosáhnout, aby fungovaly spolehlivě.
Po zdvižení míčku osm centimetrů nad podlahu se ho ujal spirálový zásobník.
Vnější konstrukce zásobníku byla pevná a posun míčků zajišťoval otočný
středový válec. Ten byl vyroben z hliníkové trubky a skrýval modelářský motor
se dvěma planetovými převodovkami. Středový válec byl k podvozku připevněn
pomocí menší trubky, která procházela jeho spodní podstavou a byla mechanicky
spojena se statorem motoru. Touto trubkou bylo protaženo i napájení motoru.
Naproti tomu výstupní hřídel druhé převodovky byla spojena s pláštěm válce. Po
připojení napájení se tak plášť začal otáčet.
Elektronika
Hlavní řídící jednotkou robota je základní deska
Advantech
PCM-5864,
pro průmyslové aplikace o rozměrech 20×12 cm. Jako procesor byl použit
AMD
K6®-2
na 500MHz. Systém dále obsahuje 128MB RAM, audio a video vstupy, 100Mb
síťové připojení a sběrnici USB.
Regulátory vrací, o kolik se motory otočily od posledního čtení. Tuto
informaci lze teoreticky použít jako odometrii. Kvalitu těchto dat
znehodnocuje nectnost pásových vozidel — smýkání při zatáčení. Pro
spolehlivější informaci o změně pozice robota jsme na sběrnini USB připojili
čtyři optické myši
IntelliMouse Explorer. Jejich rozlišení je 400dpi a fungují do maximální
rychlosti 1.5 ms-1. Změnu polohy optická myš určuje pomocí snímání
podložky 6000krát za sekundu a vyhodnocení rozdílu po sobě jdoucích snímků.
Jelikož optický senzor myši nemusí být v kontaktu s podložkou, neomezuje
manévrovatelnost robota. Navíc ho nerozhodí ho ani smyk nebo podkluzování, což
je nectnost inkrementálních senzorů spojených s koly (nebo pohonem) robota.
Myši poskytují pouze relativní změnu pozice. Proto chyba určení pozice roste s
časem. Abychom tomu předešli, je na robotovi pět reflexních fotozávor
Vishay
CNY-70
K detekci barvy (resp. světlosti) podložky. Na soutěži byly použity pro
detekci sítě čar namalované na podložce. Jejich výstup pomáhal eliminovat
kumulativní chybu relativních senzorů pomocí algoritmu MCL
(Monte Carlo Localization).
 Vnitřek optické myši IntelliMouse Explorer |
 Detektory čar s CNY-70 |
 Spínaný napájecí zdroj pro počítač |
Elektronika je napájena spínaným zdrojem založeným na obvodech
Maxim MAX787.
Hlavním významem zdroje je poskytnutí stabilního napětí nezávisle na stupni
vybití akumulátorů a poklesu jejich napětí při zátěži.
Pro vyhledávání míčků je robot vybaven barevnou CMOS kamerou. Ta je
připojena k počítači přes rozhraní CVBS integrované na desce. Výstup z kamery
je tak téměř okamžitě k dispozici. Kromě vestavěné kamery je robot schopen
přijímat videosignál prostřednictvím mikrovlnného přenosu z kamery vně robota
(na soutěži v majáčku na kraji hřiště).
Struktura programového vybavení
Díky použití PC technologie jsme byli schopni nasadit operační systém
Linux. Ten poskytuje svobodu v modifikaci jádra i ovladačů pro dosažení
maximálního výkonu. Řízení robota je částečně implementováno přímo v jádře
(časově kritické operace), zbytek (zpracování obrazu, navigace…) jsou
obyčejné procesy.
Ovladače zařízení v linuxovém jádru
Při popisu začneme odspodu – ovladači zařízení v jádru systému.
Ovladače se skládají z následujících modulů: tmm.o, mailbox.o,
fifo.o, mice.o, ct69k.o, cvideo.o, serio.o, serport.o, elevator.o. Moduly
mailbox.o and fifo.o implementují meziprocesovou komunikaci. Z uživatelského
hlediska se tato primitiva chovají jako soubory, lze je otevírat a zavírat,
lze z nich číst, zapisovat nebo na nich čekat na data. Narozdíl od
standardních prostředků jádra operačního systému poskytují podporu
multicastových zpráv (zpráv s více příjemci).
Schránka (Mailbox) je úložiště pro jednu datovou strukturu.
Typicky do ní jeden proces zapíše a několik si ji přečte. Po přečtení schránky
procesem se tomuto jeví jako prázdná (tzn. každý proces může přečíst uložená
data pouze jednou). Pokud je schránka otevřena jako blokující, následující
čtení proces zablokuje do doby, než jsou k dispozici nová data (tj. dokud
"producent" do schránky znovu nezapíše).
Fronta (FIFO) je určena pro sekvenční zpracování a přístup. Při
otevření pro čtení je ze začátku prázdná. Při otevření pro zápis, pokud ji
jiný proces nemá otevřenou pro čtení, se chová jako „černá díra”:
zahodí vše, co se do ní zapíše. V opačném případě jsou data k dispozici
procesu, který ji má otevřenou pro čtení.
Ostatní moduly tvoří rozhraní na jednotlivé části robota. Řídící programy s
nimi komunikují pomocí schránek, front a speciálních zařízení vytvořených
těmito moduly. Zmíněné části robota jsou regulátory TMM 40e-3ph (tmm.o),
optické myši IntelliMouse Explorer (mice.o), video vstup (ct69k.o, cvideo.o) a
spirálový zásobník řízený prostřednictvím paralelního portu (elevator.o).
Lokalizace (sledování pozice robota)
Informace o pozici robota je počítána pomocí algoritmu
MCL (Monte Carlo
Localization). Relativní informace o změně pozice je získávána z optických
myší. Každý pár myší poskytuje informaci o posunutí a otočení. Použili jsme
čtyři myši, protože při daném nasazení se výstup ukázal celkem nespolehlivý.
Myši totiž potřebují velmi přesné nastavení polohy a výšky nad podložkou (nízká
hloubka ostrosti použité optiky). Problémy způsobovala i lesklá barva použitá
pro čáry. Při použití čtyř myší bychom tak měli dostat šestkrát stejnou
informaci (z každé z šesti dvojic), což usnadní vyfiltrování chybné
informace.
Relativní informace o změně pozice je použita jako vstup pravděpodobnostního
algoritmu MCL. Algoritmus spočívá ve vygenerování sady vzorků (ve stavovém
prostoru) reprezentujících možnou polohu robota. Věrohodnost těchto vzorků se
posuzuje podle korespondence teoretických a reálných senzorových dat.
Nevěrohodné pozice jsou zahozeny, na základě věrohodných se dogenerují nové.
Tento postup se opakuje po změně pozice robota a při zpracování nových
senzorových dat.
Plánování cesty
Naše plánování cesty je implementací algoritmu
RRTs (Rapidly-Exploring Random Trees).
Rychle rostoucí náhodné stromy (RRT) jsou datové struktury a algoritmy pro
efektivní prohledávání n-dimenzionálního nekonvexního prostoru. RRT jsou
konstruovány inkrementálně způsobem, který efektivně minimalizuje vzdálenost
náhodně vybraného bodu od stromu. RRT jsou obzvláště vhodné pro plánování cesty
v prostředí, které obsahuje překážky nebo kde se vyskytují jiná omezení (na
pohybové schopnosti robota, závislost plánování na rychlosti a čase…). RRT se
doporučují jako technika pro generování cest bez cyklů v nelineárních systémech
s omezeními na dosažitelné stavy. RRT lze intuitivně chápat jako Monte-Carlo
verzi Voronoi diagramů.
Hlavním vstupem plánovače cesty je příkaz ze strategického plánovače a
výstupem cesta. Modul dále používá informace o pozici robota a míčků. Cesta je
posloupnost bodů. Každý bod obsahuje relativní pozici vůči předchozímu bodu,
očekávanou posuvnou a rotační rychlost a čas dosažení cíle.
Řízení
Vstupem pro řídící modul (tzv. wheelman) je cesta vygenerovaná
plánovačem cesty. Role řidiče je tak redukována na lineární interpolaci
posunutí a otočení mezi jednotlivými body cesty. Rychlosti motorů jsou řízenou
zpětnovazební smyčkou založenou na algoritmu PID. Zpětná vazba je zajištěna
filtrovanými daty z šesti párů myší.
Zpracování obrazu
Srdcem modulu zpracování obrazu je klasifikace založená na prahování v
barevném prostoru YUV. Výstup z kamery byl kalibrován na geometrická zkreslení
a poloha míčků (relativně k robotovi) se vypočítává z pevné pozice kamery a
souřadnic barevných shluků v obraze.
Sledování objektů
Úkolem modulu pro sledování objektů je filtrování výstupu zpracování obrazu
za použití informace o poslední pozici sledovaných míčků. Pro sledování polohy
míčků je použit algoritmus typu Monte Carlo (podobný jako pro lokalizaci).
Protože míčky stejné barvy jsou nerozlišitelné, je pro včechny míčky stejné
barvy použita jediná distribuce vzorků. Tento algoritmus je výpočetně náročný
a jeho výkon nebyl tak dobrý, jak jsme očekávali. Experimenty ukázaly, že
obyčejné průměrování dvou posledních snímků je spolehlivější a navíc méně
výpočetně náročné. S ohledem na tyto výsledky byla práce na pravděpodobnostním
algoritmu zastavena a použilo se průměrování.
Plánování
Modul strategického plánovače je založen na předpokladu, že robot je
schopen vykonávat určité základní úkoly. Úlohou plánovače je vygenerovat
posloupnost těchto akcí tak, aby maximalizoval šanci na výhru v soutěži
Eurobot 2002.
Naším prvním nápadem byla „ručně kódovaná vítězná strategie”
založená na použití konečného stavového automatu. Jak se ukázalo později během
vývoje, tento přístup měl dva zásadní problémy:
- automat se stával čím dál tím složitější, až jsme se nakonec shodli na tom, že navrhnout úspěšný systém tímto způsobem je prakticky nemožné
- i kdyby to bylo možné, robot nikdy během hry nemá zcela přesnou informaci o stavu svém či celé hry
Druhý přístup je založen na diskretizaci stavového prostoru. Pro každý stav
ohodnocovací funkce nejhorší možné skóre, kterého lze dosáhnout. Toto
ohodnocení je založeno na předpokladu, že robot si může vybrat
„nejlepší” koš a ten bránit — stát před ním a nedovojit
protivníkovi z něj míčky vybrat (předpokládá se, že soupeř sesbírá všechny
ostatní míčky).
Nejhorší skóre slouží k rozhodnutí, zda vybraná akce může vést ke zhoršení
výsledného skóre nebo zda je možné i přes provedení akce zachovat stávající
skóre (je bezpečná). Bezpečnost vykonání příkazu se počítá pro konstatní časový
interval.
Výběr následující akce je založen na dvou předpokladech: akce je bezpečná a
je součástí postupu, který povede ke zlepšení nejhoršího možného skóre.
Základní příkazy, které je robot schopen vykonat jsou přesuny do bodu
[x,y,α] nebo vyvolání nějaké akce aplikační nástavby (otočení středového
válce…). Základní akce lze kombinovat do složených akcí. Například sebrání
míčku je dlouhá posloupnost příkazů, která je mnohokrát znovupoužitelná.
Použitím složených akcí se strategický plán stává kompaktnějším (méně větvení).
Skutečnost, že složené akce lze dekomponovat na posloupnost jednoduchých akcí
umožňuje jednotné vyhodnocení bezpečnosti plánu a použítí dobře
definovaného rozhraní pro jejich provádění.
Závěr a plány do budoucna
Robot Barbora byl dokončen a je je k dispozici pro další výzkum.
Naneštěstí se hardware ukázal složitější, než jsme očekávali, takže nezbyl
prakticky žádný čas na odladění řídícího programu (v reálných podmínkách)
nutné pro úspěch v soutěži. Přesto se ukázalo, že soutěž je výborná motivace
při stavbě robota. Do budoucna očekáváme doladění software a poskytnutí
experimentálních výsledků o výkonnosti systému.
Členové týmu
| Vojtěch Pavlík | mechanika, elektronika, navigace, linuxové jádro |
| Kamil Řezáč | mechanika, elektronika, řízení motorů |
| Zbyněk Winkler | plánování, vysokoúrovňové řízeni |
| Martin Mareš | zpracování obrazu, plánování, linuxové jádro |
| Petr Daněček | zpracování obrazu, rozpoznávání objektů |
| Jan Kára | plánování cesty, RRT |
| Jaroslav Sládek | sledování objektů, shánění sponzorů |
| Markéta Kyloušková | tlumočení, morální podpora, trička |
Financování
Tento projekt by nemohl být realizován bez podpory následujících osob a
organizací:
- Smrcek, American University of Guttenberg
- Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze
- nadace Physics on Stage
- MGM Compro
- Loctite
- a samozřejmě všichni členové týmu, kteří obětovali svá prasátka či jiné pokladničky
V případě dalšího zájmu o tento projekt, případně pokud máte nějaké
připomínky, kontaktujte nás prosím pomocí
tohoto formuláře.
Pošlete email redakci.
Všechny materiály, které máme k dispozici, jsou již součástí článku, na který reagujete (tj. pokud tam tedy není např. plánek na stavbu, je to proto, že nic takového nemáme).
Vaši zprávu se bohužel nepodařilo odeslat, ale můžete nám napsat sami na adresu webmaster-at-robotika.cz
Vaše zpráva byla úspěšně odeslána
Pro odeslání formulář je třeba mít zapnutý javascript.