Daisy
čvrtfinalistka Eurobota 2003
Daisy byl alternativní robot připravovaný na soutěž Eurobot 2003. Daisy byla řádově jednodušší než její sestra Dana a to se opět v soutěži ukázalo jako velké plus. V celosvětové konkurenci dosáhla velmi dobrého sedmého místa.
Základní informace
Daisy byla postavena na trojúhelníkovém podvozku z Berty.
Použity byly i stejné motory s převodovkami 20:1 a enkodery z
počítačových myší. Řídící desku nahradila jednodušší verze postavená okolo
mikrokontroleru AVR AT90S8535, který se již osvědčil u Aleny
hlavně díky dosažitelnosti a poměru cena/výkon. Inteligenci pak
zajišťoval iPAQ s operačním systémem WinCE. Obracečka, dvoj-kuše a veškeré
další konstrukce byly vyrobeny z Merkuru, kde jednotlivými díly pohybovala čtyři
serva.
Mechanika
Základní trojúhelník, který je zcela totožný s robotem
Berta, rozšířila
konstrukce z Merkuru. Pravidla soutěže omezovala obvod robota (přesněji
konvexního obalu průmětu do roviny) na 120cm. Jelikož trojúhelníková
konstrukce již zabírala 90cm, nezbylo příliš prostoru pro experimentování.
Nakonec byl použit tvar kosočtverce, který měl co největší záběr.
Jádro obracecího mechanismu tvořila ruka ve tvaru L se dvěma stupni
volnosti. To umožňovalo buď puk převrátit, pokud nahoře měl špatnou
barvu nebo propustit, pokud byla správná. Robot se tedy při manipulaci s puky
nemusel zastavovat a
couvat. Jelikož L-ruka byla dost křehká, byla okolo postavena ochranná
kostra. Vedle této ochrany řešila i shazování puků a jejich ideální nasměrování
do L-ruky.
Z levé strany (tento robot měl směr dopředu totožný se špičkou trojúhelníka)
pak ještě byla malá ochrana proti zasekávání puků pod kolečka a zároveň
jejich shazování. V neposlední řadě tato konstrukce chránila i senzor
Sharp GP2D120, který byl namontován uprostřed robota a koukal směrem vlevo.
Další výztuž tvořila kolébka pro kapesní počítač iPAQ, která byla připevněna
k povinnému stožárku na majáček nepřítele. V posledním týdnu ještě
vznikla dvouhlavňová kuše, umožňující sestřelit ping-pongovými míčky
jednobarevné puky. Kuše s dosahem 5-10m byla z důvodů šetření servy
vybavena dvoustupňovým kohoutkem.
Řídící hardware
Elektronika robota se skládala z několika oddělených částí. Jádrem
byla deska postavená okolo mikrokontroleru AVR AT90S8535. Tento čip lze
taktovat na 8MHz, má 8kB programovatelné paměti (flash), 512 bajtů SRAM a
512 bajtů EEPROM. K dispozici je osm A/D převodníků s rozlišením 10bitů,
tři časovače včetně dvou PWM, 32 digitálních I/O. Čip lze snadno
programovat přes paralelní port, stejně jako AT90S4433 v článku
Jak programátor k robotovi přišel.
Cena čipu je okolo 200Kč, tj. rozumná .
Základní deska má především vyvedeny skoro všechny dostupné piny. Některé
jsou připojeny přes odpor k LEDkám, jiné přes komparátor s nastavitelnými
trimry. Vše je připojené pomocí jumperů, takže danou LEDku či komparátor
není nutné použít. Šest digitálních výstupů je vyvedeno na
trojkonektory <zem, externích +5V, I/O pin>, pro snadné připojení
serv. Konečně všechny analogové vstupy mají podobnou konfiguraci <zem,
+5V, analogový vstup>, takže na připojení analogového senzoru stačí
zase jenom trojkonektor.
Základní deska obsahuje patici na H-můstek L293D na řízení motorů. Pro
silnější motory, což byl případ Daisy, je třeba přepojit konektory k
externímu můstku. Na Daisy byl použit můstek MOST2x25.
K základní desce přibylo ještě mnoho malých přídavných destiček.
Jednak to byla deska s MAX232 na seriovou komunikaci s PC, různé filtry na
vyhlazení signálu ze Sharpů, destička na enkodery s LEDkami (ta byla přímo
použita z Berty), destička na ovládání světelných závor.
Senzory
Zpočátku měla Daisy pouze několik senzorů CNY70 na detekci černé a bílé.
Dva byly zabudovány v ruce, jeden směrem nahoru a druhý dolů, kde z jejich
rozdílu se dedukovala výsledná barva puku (všechny dvoubarevné puky měly
uvnitř jednu stranu černou a druhou bílou). Dalších X CNYček (původně 3,
pak 5 a v závěru 4) bylo použito pro navigaci na detekci barvy podlahy.
Druhým typem senzorů byly dva Sharpy GP2D120 s dosahem zhruba 80cm a minimální
vzdáleností 8cm. Protože generovaný signál senzoru byl modulován 1kHz a
tato modulace se promítla i do výstupního napětí, bylo třeba mezi základní
desku a senzor ještě přidat vyhlazovací filtr. V konečné konfiguraci byl
jeden Sharp namontován uprostřed robota s výhledem vlevo (směr dán špičkou
trojúhelníku) a druhý na servo, které bylo přiděláno na podpěře pro nepřátelský
majáček.
Digitální vstupy byly nakonec využity pouze dva - jeden pro startovní
kabel a druhý pro světelnou závoru detekce puku v ruce. Zapojena byla sice ještě
druhá závora detekující vstupující puk do přední „brány” a tlačítko
kolize pravého sloupku, ale tuto informaci software nakonec nijak nevyužil.
Mezi senzory by asi taky patřily dva enkodéry udělané z myší měřící
směr a ujetou vzdálenost jednotlivých koleček. Ty byly totožné s robotem
Berta.
PC
„Mozek” Daisy dělal kapesní počítač iPAQ běžící pod operačním
systémem WinCE. Tento počítač komunikoval se základní deskou po seriové
lince rychlosti 36400baud a zajišťoval veškeré rozhodování. Tato
konfigurace se ukázala býti velice šťastnou. Program bylo možné psát přímo
v C++ a kompilovat na standardním PC nebo notebooku. Přes seriovou linku se
dal přímo krokovat případně snadno zkoušet různá nastavení. V okamžiku,
kdy již byl trošku stabilní, tak stačilo prohodit kabel a ten samý program
zkompilovat pro iPAQ. Ve většině případů tak už hned běžel v pořádku
a nebylo třeba dalších zásahů.
Je třeba zmínit několik rozdílů, které nám trošku ztěžovaly život:
- kompilátor pro iPAQ nepodporoval šablony a vyjímky v C++
- na iPAQu dostanete různé výsledky pokud počítáte s float resp. double aritmetikou, zatím co notebook vždy počítal v double
- náš program nepodporoval textový výstup na obrazovku
- iPAQ má taktovací frekvenci 200MHz, což je o něco méně než běžné PC a aritmetika s plovoucí čárkou je implementovaná softwarovou emulací
Software
Základní deska
Program pro řídící desku byl psán v Céčku. Použili jsme osvědčenou
techniku přístupu ke všem potřebným low level parametrům, které u Daisy
byly následující: výstup z iPAQu=(PWM pro levý a pravý motor,
nastavení pozice serv, watch dog, digitální výstupy) a vstupy do iPAQu=(stav
časovače, stav enkoderů, digitální vstupy, analogové vstupy). Komunikace
byla bloková, kde základní deska byla slave a iPAQ byl master.
Každý blok byl navíc jištěn jednoduchým kontrolním součtem. AVRko mělo
za úkol pouze realizovat dané příkazy a číst aktuální hodnoty. Jedinou věc,
kterou mohlo AVRko udělat bez povolení masteru, bylo vypnutí motorů pokud
uplynula doba nastavená v parametru watch dog. Toto bylo velmi užitečné, když
se např. vytrhnul kabel, nebo se program zaseknul.
Simulace, realita, log…
Software na iPAQu byl „o něco” složitější. Vyrůstal postupně
metodou zdola nahoru, takže první část, která byla implementovaná, bylo
schování komunikace se základní deskou. To umožnovala třída
AbstractHardware, která měla úplně stejné parametry jako struktura posílaná
po seriové lince tam a zpět. Navíc měla pouze čistě virtuální funkci
synchronize. Asi by nebylo rozumné se zabývat více detaily, tak spíše k čemu
to bylo dobré. Jednoduchým způsobem se pak celému programu podstrčilo cosi,
co již tento interface mělo – mohla to být třída na komunikaci s AVRkem,
ale stejně tak to mohl být jednoduchý simulátor nebo čtení z logu.
Tuto trojici, simulace, skutečný běh a čtení z logu, považuji za tak důležitou,
že jsem se rozhodl tomu věnovat celý odstavec. Proč? Ok, když úplně začínáte,
tak nic nemáte a nebo to vůbec nefunguje. Je třeba se ujistit, že chyba není
v software a tak ho pustíte se simulátorem. Teď nemám na mysli žádný
softwarový balík za několik tisíc dolarů, ale dvojřádkový kód, který
na požadovaný PWM výstup změní hodnotu enkoderů daným směrem. To je vše.
Pokud chcete něco lepšího, tak si můžete v simulátoru počítat i pozici a
tu posléze nakreslit. Pokud Vám řídící program posílá nějaké nesmysly,
tak to zachytíte jednoduchým krokováním.
Když simulace funguje, tak to zkusíte naostro. Teď by se už nemělo stát,
že robot vyrazí opačným směrem a ublíží si o topení. Pokud k tomu však
dojde, tak máte chybu v simulátoru a cyklus se opakuje. Je dobré se ujistit,
že robot opravdu dostává ty příkazy, o kterých si myslíte, že mu posíláte.
K tomu slouží log-file. Další klíčová věc — jméno log-file generujte
automaticky. Jenom tak se Vám nestane, že si přepíšete předešlý log.
Dále ho generujte vždy! To, co se vám stalo v realitě se už nemusí následujících
x měsíců opakovat … říkáte, že to nevadí?! No vězte, že Murphy si
vybere tu nejlepší příležitost, kdy Vám to zopakuje .
Tak konec kázaní – toto bylo jádro Daisy na které se dalo spolehnout. Řekl
bych, že Daisy patří do kategorie RobotXP, kde tato trojice je asi jako unit
testy v eXtreme Programming. K čemu to bylo dobré?
Robot divně pokulhával, ztrácel se až o jeden celý čtverec, ale pak se vzpamatoval.
Log ukázal, ze analogový vstup číslo 7 odpovídající CNYčku na
detekci podlahy je neustále 255. CNYčko mělo utrženou nožičku a potřebovalo
vyměnit. Toto se stalo asi dvě hodiny před odjezdem na
Istrobota.
Daisy se chovala už pěkně a tak jsem udělal demo kamarádovi. Zatáhl za startovací kabel a robot sebou začal cukat a neustále narážel do krajních bočnic a během celých 90 sekund neopustil okolí startovní pozice.
Log vypadal rozumně, ale program běžící z dat z logu (tady bych zdůraznil,
že se program běžící z logu musí chovat naprosto stejně, tj. na dané
vstupy musí generovat naprosto stejné výstupy, jinak je to celé k ničemu – je dobré
si tuto skutečnost ověřit a dát si pozor na problémy s náhodnými generátory,
float vs. double, časování a pod.) hned po startu umístil robota do záporné
pozice mimo hřiště. Chyba byla v inicializaci a projevila se pouze pokud
trvalo dostatečně dlouho než jste od zapnutí programu vytáhli šňůrku a
navíc v prvních 50ms jste do robota trošku strčili. Tato chyba se
neprojevila několik měsíců a s logem trvalo její opravení pár sekund.
Dovedete si představit jeji hledání bez logu?! Já ne.
Robot vyrazil, ale během celé jízdy neotočil jediný puk, přestože je detekoval. Odešel regulátor na serva nebo se pokazil program na desce, když jsme dvě serva rozšířili na čtyři?
Ano, zase log ukázal … že chyba byla v software a není tedy třeba
koukat ani na regulátor ani kontrolovat jednotlivá zapojení. Serva zkrátka
nedostala jediný příkaz se pohnout. Proč? Zase špatná inicializace modulu
pro otáčení puků. Před hlavním programem jsem vždy pouštěl test
hardware – tentokráte jsem to neudělal a tak se dostalo do proměnné
m_lastTimeCmdChanged
nesmyslně velké číslo a modul nemohl provést žádné další změny polohy ruky.
Stačí, nebo mám přidat ještě pár zkušeností s čidly Sharp, které vidí
puky v libovolné vzdálenosti podle toho, jak se na ně podíváte…?
Strategie & moduly
Když základ funguje, tak je vše jednodušší. Když nefunguje, tak je třeba
ho zjednoduššit a pak třeba začne fungovat. To je asi globální strategie,
i když o té neměla být řeč. Příkladem může být ježdění po lomené
čáře. Daisy jezdila pěkně, ale trošku do obloučků. Zkoušeli jsme různé
typy řízení, ale v zatáčce jí to vždy rozhodilo a než se pořádně
srovnala, tak už jela do další zatáčky. Řešení? Použili jsme to samé
co Dana, která měla v zatáčkách problém se svlékáním (pásů). Prostě
Daisy jezdila pouze rovně, a když chtěla zatočit, tak se nejprve otočila na
místě, a pak zase jela rovně. Zde bylo daleko méně parametrů a po relativně
krátkém čase to celkem dobře fungovalo.
Další softwarový balík převzatý od Dany bylo GMCL, modul pro navigaci
pomocí CNYček. Pokud do robota nikdo neboural, tak tato metoda udržovala
pozici robota +/- 5cm s chybou v úhlu asi do deseti stupňů. To stačilo na
shazování puků, ale jak se později ukázalo, to bylo nedostatečně přesné
na střílení.
Obracení puků a ježdění fungovalo nezávisle. Modul Flipper pouze
sledoval, zda nebyl detekován puk, a když ano, tak podle barvy předal příkaz
k převrácení či propustění puku. Mezi jednotlivými přikazy musely být
1-1.5s pauzy, aby serva stihla akce provést. Toto fungovalo velice dobře,
pokud se robot pohyboval dopředu, ale selhávalo to v pravotočivých zatáčkách
a při couvání. Na soutěž však tento základní koncept už měněn nebyl.
Plánování pohybu se vyvíjelo od pevně zadané cesty až po integraci
mapy a střílení. Verze, která nakonec běžela na všech zápasech, měla tento
program:
SeqEle seq[] =
{
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 0.45, 0.45),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 2.4, 0.45),
SeqEle(SeqEle::ASK_MAP),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 0.3, 0.6),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 0.3, 1.05),
SeqEle(SeqEle::RESET_MAP),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 2.4, 1.05),
SeqEle(SeqEle::ASK_MAP),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 0.3, 1.05),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 0.3, 1.65),
SeqEle(SeqEle::RESET_MAP),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 2.4, 1.65),
SeqEle(SeqEle::ASK_MAP),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 0.3, 1.65),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 0.9, 1.65),
SeqEle(SeqEle::RESET_MAP),
SeqEle(SeqEle::ASK_MAP),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 0.9, 0.45),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 0.9, 1.65),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 1.5, 1.65),
SeqEle(SeqEle::RESET_MAP),
SeqEle(SeqEle::ASK_MAP),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 1.5, 0.45),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 1.5, 1.65),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 2.1, 1.65),
SeqEle(SeqEle::RESET_MAP),
SeqEle(SeqEle::ASK_MAP),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 2.1, 0.45),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 2.1, 1.65),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 2.7, 1.65),
SeqEle(SeqEle::RESET_MAP),
SeqEle(SeqEle::ASK_MAP),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 2.7, 0.45),
SeqEle(SeqEle::GO_TO_WAYPOINT, 2.7, 1.65),
SeqEle(SeqEle::RESET_MAP)
};
Robot měl vyjet ze startovní pozice (levý dolní roh měl souřadnice 0.0,
0.0) a jet směrem rovnoběžně s dlouhou stranou. Zároveň probíhalo mapování
všech puků do vzdálenosti 60cm na levé straně. Příkaz ASK_MAP pak
vygeneroval seznam nových cílů tak, aby Daisy vysbírala všechny puky po levé
straně. Většinu jich totiž shodila, a tak již nebyly na původních pozicích.
Po vybrání prvních dvou řad pak Daisy nastoupila na třetí řadu,
smazala si mapu (RESET_MAP) a postupovala stejným způsobem. Obdobně
uklidila i pátou a šestou řadu. Tím jedno "šrafování" skončilo
a přešla na uklízení v kolmém směru, tedy rovnoběžně s kratší stranou
hřiště.
Detekce kolize
Právě popsaná strategie měla ještě integrovanou detekci kolize. Pokud
horní Sharp uviděl druhého robota, jak překáží na cestě do aktuálního cíle
(WAYPOINT), tak se tímto cílem již déle nezatěžoval a přešel na
další cíl v tabulce. Stejný postup byl použit při detekci kolize pomocí
virtuálního bumperu.
Pokrytí prostoru alespoň ve dvou směrech (v daném časovém limitu 90
sekund to Daisy pořádně ani nestíhala) mělo zásadní výhodu, že pokud se
druhý robot zasekl např. u kraje první řady, tak část, kterou Daisy nenavštívila,
byla následně doklizena ve druhém směru.
Slabiny a problémy
Detekce nepřátelského robota rozhodně nefungovala na 100%. Bylo by třeba
si pamatoval minimálně poslední scan, protože servo naměřilo obzor 180
stupňů zrhuba za sekundu. Vedle nedostatku času nás od zasadních změn
odrazovaly zkušenosti s dolním Sharpem na mapování puků. Tam se totiž ukázalo,
že je bezpodmínečně nutné naskenovat celé puky a pak vybírat naměřená
minima. Z jednoduchého měření nebylo možné určit, zda se jedná o puk ve
vzdálenosti 60cm, nebo ve vzdálenosti 25cm, kdy vidíme pouze jeho okraj.
Podobné problémy jsme očekávali při detekci druhého robota a na jejich
analýzu už ve Francii zkrátka nedošlo.
Další výraznou slabinou bylo vzpamatování se z chyb lokalizace. Pokud do
Daisy narazil silný a těžký robot a GMCL se ztratilo, tak pak se celá naplánovaná
cesta stávala nerealizovatelnou. To se např. stalo v posledním zápase se
Supaero, kdy po kolizi Daisy už pouze oťukávala jeden roh. Bylo potřeba jednak
tuto situaci detekovat a dále začít jezdit bez znalosti pozice, nebo se dokázat
samo-lokalizovat. Na detekci jsme měli vymyšlený a častečně o testovaný
algoritmus, kdy pokud spodní Sharp nevidí žádnou překážku a zároveň by
podle jeho pozice v mapě měl vidět bočnici stolu, tak se robot ztratil. To
celkem fungovalo, ale neprošlo to dostatečným počtem testů, tak jsme to
nakonec zrušili (také nebyla implementovaná náhodná jízda po hřišti, což
byla velká chyba, takže by modul detekce jinak byl k ničemu).
Závěr
Daisy byl další z robotů kategorie RobotXP (tu jsem si sám vymyslel, tak jí
v žádné encyklopedii nehledejte ), kterému se, s dostatkem štěstí,
podařilo dosáhnout potenciálního životního maxima.
Daisy zároveň patří mezi ty roboty, které si můžete
udělat doma sami, takže Vás snad bude i trošku motivovat… .
Máte-li jakékoli dotazy či připomínky –
kontaktujte nás.
Rádi vám odpovíme.
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.