Manipulace s míčky

Náš první návrh můžete vidět na obrázku. Mechanismus předpokládá, že míčky jsou dostatečně stlačitelné (a motory v mechanismu dost silné), aby bylo možno ignorovat nekulovitost míčku.

Celý mechanismus funguje asi takto: robot jede vpřed a najede na červený míček. V tom okamžiku se otáčí hnědý válec pomalou konstantní rychlostí. Jak robot na míček najíždí, tak se míček nejprve zmáčkne mezi válec a podlahu a později mezi válec a zelený plech (barvy a označení brány vzhledem k schematickému obrázku). Otáčením válce se míček pomalu odvaluje. Vlastně stejně jako na Barboře, ale bez spirály. Pak se hnědý válec zastaví a robot musí zamířit na cíl. Míček je bezpečně skřípnut mezi válcem a zeleným plechem a je s ním možno jezdit dle libosti. Když je zamířeno, opět roztočíme hnědý válec. Míček zachytí fialové válce, které se točí vyšší rychlostí a způsobí vystřelení míčku. Rychlost rotace fialových válců pak určuje tvar balistické křivky, po které míček poletí.

První prototyp, který udělal Pavel Jiroutek (tým Short Circuits Praha), můžete vidět na videu (k přehrátí potřebujete Xvid kodek – ke stažení například na http://koepi.roeder.goe.net/xvid.shtml). Již tento jednoduchý prototyp funguje překvapivě dobře. Místo válce používá pouze jednoduché kolečko z Merkuru a střílecí mechanismus zatím není jeho součástí.

Potvrdila se nám nutnost použití relativně silného motoru, který by dokázal válcem otáčet i v případě, že se míček uvnitř vzpříčí. V prototypu je použito servo modifikované pro kontinuální otáčení, které ovšem tento požadavek nesplňuje. Řešení pomocí silnějšího motoru je takzvané řešení hrubou silou, které sice v praxi často funguje a bývá relativně jednoduché na implementaci, ale většinou se uplatňuje až v případě, že žádné „pěknější” řešení není k dispozici.

Jakým alternativním způsobem by se tedy dal tento problém vyřešit? Na tuto otázku se nám bude lépe hledat odpověd, pokud budeme lépe rozumnět, proč vlastně tento problém vzniká a za jakých podmínek.

Míček může do podavacího mechanismu vniknout v podstatě v libovolné poloze. Pokud se tam dostane „naplocho”, je vše v pořádku a míček se bez problémů odvalí. Zapříčit se míček může zejména v případě, že je natočený „špičkou vpřed”. Válec se ho potom snaží otáčet ve směru, kde není kulatý, a to nemůže dopadnou dobře .

V úvahu přicházejí dvě řešení:

První řešení zvolil tým Short Circuits Praha. Díky tomu, že míčky se odvalují pouze jedním směrem, je možné je před sebou chvíli tlačit a tím je srovnat. Experimenty ukazují, že pokud robot míček před sebou chvíli hrne, tak se srovná tak, aby se mohl volně kutálet ve směru, kterým ho robot tlačí. To je i ideální natočení pro vcucnutí míčku válcem.

Druhé řešení jsme zvolili my, protože doufáme, že výsledný mechanismus by mohl být spolehlivější a robustnější a v neposlední řadě i rychlejší. Základním stavebním kamenem jsou v tomto případě korálky. Velký hnědý válec z původního návrhu je upraven tak, že po jeho obvodu jsou rozmístěny korálky, které umožní míčkům posun do stran bez tření. Také „zelený plech” je nahrazen konstrukcí z korálků, která je navíc vydutá tak, že prostřední část je od válce vzdálená nejvíce a kraje se přibližují.

Na válci jsou díry pro korálky vyvrtané na spirále a dřevěné korálky jsou navlečené na měděném drátu, který je na válci namotaný.

Jak bude vypadat celá konstrukce můžete vidět na jednom z našich výkresů. V horní části je pak vidět i střílecí mechanismus, který sestává ze dvou samostatných (menších) válců, které míčku udělí potřebnou energii. Jejich návrh je založen zejména na následujících údajích a výpočtech:

Předpokládáme tvar letu parabolicky, bez odporu vzduchu, s tím, že míček vlétá do branky v nejvyšším bodě letu.

Střelba vzhůru

Střelba vpřed

Protože jak energie míčku, tak energie válců závisí kvadraticky na rychlosti s jakou míček vypouštíme, poměr energií 1:10 zůstává i při vyšších rychlostech a o něco málo se zlepšuje, protože deformační energie je konstanta. Při použití mosazi je poměr energií 1:30 (tj. pro vystřelení míčku na vzdálenost 2m pod úhlem 10° je třeba pouze jedna třicetina energie akumulované ve válci).

Střílecí mechanismus můžete shlédnout na videu při střelbě vpřed a vzhůru.

Tento článek bude postupně doplňován tak, jak se bude dopracovávat celý mechanismus.

Je nám líto, ale slibované postupné doplňování článku se nám jaksi nepodařilo realizovat, díky naprostému zahlcení prací na robotovi. Dobrou zprávou ale je, že navržený mechanismus fungoval (skoro) bezchybně po celou dobu soutěže.

Jak vypadal hotový mechanismus namontovaný na Ester se můžete podívat na obrázku. V přední části (před kamerou na hledání míčků) je infra závora pro detekci nabíraných míčků. Další senzory již zahrnují pouze jednosměrné (bez možnosti detekce směru otáčení) enkodéry na všech třech válcích. Vybavení senzory bych zmínil jako asi největší nedostatek našeho návrhu. V době, kdy jsme celý mechanismus navrhovali, nebylo úplně jasné, jaké senzory by byly nejvhodnější, a tak jsme udělali něco jednoduchého s tím, že když to nebude stačit, tak něco doplníme. Jak se ale blížil termín soutěže, měli jsme stále ještě mnoho věcí, které byli urgentnější. Navíc ani teď není zcela jasné, jak by mělo vypadat ideální řešení.

Když jsme míček hned po sebrání stříleli do branky, všechno bylo relativně v pohodě. Problémy začaly až v momentě, když jsme se rozhodli sbírat míčků více a pak je střílet všechny dohromady. Algoritmus pro jeden míček vypadal následovně: (a) spusť velký válec (b) při přerušení infra závory odpočítej N tiků enkodéru a zastav válec (c) nahlaš míček v robotovi. Modifikace pro dva míčky byla relativně složitá. Vlastní algoritmus byl více méně stejný, ale problém spočíval v detekci počtu míčků v robotovi. Při hledání jednoho míčku bylo skoro jedno, kolik míčků vlastně robot chytil (1, 2 nebo 3?), ale při hledání více míčků je tato informace takříkajíc kruciální.

Navíc se strategie s hledáním více míčků ukázala jako zcela nevyhovující, až bych skoro řekl chybná. Během prvních dvou zápasů ve Francii jsme nedali ani bod, protože Ester po nalezení prvního míčku hledala míček další a během té doby se typicky srazila s protivníkem, což způsobilo ztrátu pozice a defakto konec šancí. Pro další zápasy jsme se vrátili ke strategii najdi-a-vystřel, ale díky hlubším modifikacím v kódu kvůli podpoře sbírání více míčků, se nám stejně stávalo, že detekce nefungovala dostatečně spolehlivě.

Na druhou stranu — na vlastní střílení byl moc pěkný pohled. Střílecí válce stačilo roztočit na požadovanou rychlost danou vzdáleností od branky a všechny míčky v robotovi mezi ně postupně vsunout. Mimo občasných výpadků enkodérů způsobených uvolněnými kontakty si opravdu není na co stěžovat. Ester bez větších problémů střílela i přes úhlopříčku a branku neomylně trefovala.

Máte-li jakékoli dotazy či připomínky – kontaktujte nás. Rádi vám odpovíme. Za většinu fotek, videí a výpočtů vděčíme Vojtovi Pavlíkovi.