Analisi di un robot calciatore, tesina

Capitolo 1. Sistemi Automatici

1.1 AUTOMAZIONE DEI SISTEMI

L’automazione è un complesso di tecnologie che usa sistemi di controllo (come

circuiti logici o elaboratori) volte a sostituire l’intervento umano o a migliorarne

l’efficienza nell’esercizio di dispositivi e impianti. Il notevole impulso che

l’automazione ha ricevuto in tempi recenti è legato agli enormi progressi ottenuti

nel campo degli elaboratori elettronici.

Un importante capitolo della scienza dell’automazione è quello che riguarda la

disciplina denominata controlli automatici. Esso tratta lo studio dei dispositivi

(detti regolatori), mediante i quali si modificano i comportamenti di un sistema

da controllare, attraverso la manipolazione delle grandezze in ingresso.

Un sistema è un complesso di elementi interconnessi, in cui si possono

distinguere grandezze soggette a variazioni nel tempo (variabili). Le funzioni che

rappresentano l’andamento delle variabili nel tempo si dicono segnali.

1.2 CONTROLLI AD AZIONE DIRETTA ED IN

RETROAZIONE

L’azione del regolatore si esplica mediante un attuatore, cioè un dispositivo che

provvede a modificare la variabile manipolabile proporzionalmente ad un

segnale fornito dal regolatore, dato dalla variazione di una grandezza fisica

precedentemente adattata alla trasmissione a distanza (tensione o corrente) e

amplificata. P a g . 5 | 62

Tali informazioni vengono rese disponibili mediante dei trasduttori, dispositivi

che convertono una grandezza fisica (es: temperatura, accelerazione, velocità

angolare, ecc.) in un segnale

analogico proporzionale a tale

grandezza, successivamente amplificato (figura 2). Figura 2 Schema di un trasduttore

Un'altra informazione che giunge al regolatore, è detta variabile di riferimento o

segnale di riferimento r, che condiziona la variabile di uscita u. Nei sistemi di

controllo più semplici e diffusi, l’obbiettivo della regolazione è l’inseguimento,

cioè l’ottenimento dell’uguaglianza tra r e u.

Se il regolatore opera utilizzando solamente variabili d’ingresso nel sistema e il

segnale di riferimento, viene detto controllo ad azione diretta o a catena

aperta (figura 3)

Figura 3 Schema di un sistema di controllo a catena aperta

Se il regolatore opera utilizzando informazioni che riguardano la variabile di

uscita u o altre uscite, viene detto controllo retroazionato o a catena chiusa

(figura 4). Un controllo ad azione diretta è caratterizzato dal fatto che il valore

della variabile manipolabile è indipendente dalla variabile di uscita, mentre in

Figura 4 Schema di un sistema retroazionato

un controllo di retroazione il valore della variabile manipolabile dipende dalla

P a g . 6 | 62

variabile di uscita e da altre variabili dipendenti del sistema controllato, per cui

vi è sempre almeno un percorso di segnale chiuso (anello di retroazione).

Nel caso del robot calciatore, il sistema è di tipo complesso in quanto le variabili

manipolate e controllate sono molteplici e vanno ad influire sul controllo dei

motori e del solenoide, che ne determinano la posizione, il verso e il momento

in cui calciare la palla. In figura 5 viene mostrato lo schema a blocchi del robot:

Figura 5 Schema a blocchi del robot calciatore P a g . 7 | 62

Capitolo 2. Robot Soccer

2.1 INTRODUZIONE ALLA ROBOCUP JR

La RoboCup Jr. è un campionato mondiale in cui concorrono diverse discipline

di robot quali:

 Rescue

 Dance

 Soccer

Per ogni nazione viene selezionata una squadra per ogni categoria che

parteciperà al campionato mondiale che si svolge ogni anno in una nazione

diversa.

Nella sfida di calcio della Robocup Junior, squadre di due robot automatizzati

devono competere contro altri team di robot calciatori, in un’ambiente che

simula un campo da calcio, i robot devono rilevare la posizione della palla e per

fare punto devono portarla nella porta avversaria.

Tutto questo deve essere fatto in modo completamente autonomo senza

l’intervento degli esseri umani.

I partecipanti sono tenuti a dare il meglio delle loro capacità in programmazione,

robotica, elettronica e meccatronica, ma anche a contribuire al lavoro di gruppo

e alla condivisione delle conoscenze con gli altri partecipanti, a prescindere dalla

cultura, dell’età o del risultato della competizione. P a g . 8 | 62

Il campo da calcio (figura 6) è composto dal terreno di gioco di dimensioni

122 x 183 cm delimitato da linee bianche. Qualora il robot esca dal terreno di

Figura 6 Campo da calcio regolamentare

gioco, subirà una penalità che comporterà l’espulsione di un minuto, durante il

quale, il gioco continuerà normalmente.

Le porte sono di colore blu e giallo, colori che non possono essere presenti in

nessun robot poiché potrebbero causare interferenze.

Le partite si dividono in due tempi da 10 minuti, intervallati da 5 minuti di pausa.

i

Il regolamento completo è disponibile sul sito ufficiale della Robocup jr. dove si

possono trovare le varie limitazioni di forza del calcio (kicker), il tipo di

comunicazione wireless possibile tra i due robot, la massima tensione di

alimentazione, le regole di Fair play e numerose altre restrizioni come il divieto

di double defense (due robot in porta).

Figura 7 Limitazioni fisiche dei robot in base alla categoria P a g . 9 | 62

2.2 INTRODUZIONE AL ROBOT CALCIATORE

Una delle caratteristiche peculiari del robot calciatore, è la disposizione dei

motori, ognuno dei quali disposto ogni 90° rispetto alla circonferenza del robot

(figura 8). Abbinando i motori ad un tipo di

1

ruote dette omnidirezionali (figura 9) è

possibile traslare il robot in qualsiasi

direzione senza necessità di roteare.

Per traslare in avanti il robot, i motori di

destra dovranno roteare in senso orario,

mentre quelli a sinistra dovranno roteare in

senso antiorario. Per muovere il robot a 45° Figura 8 Disposizione dei motori

a destra, è necessario che due motori

diagonali siano fermi mentre gli altri due

ruotino uno in senso orario ed uno

antiorario.

La direzione e la rotazione del robot durante

la partita vengono impostati a seconda delle

variabili fornite dai vari trasduttori montati

sul robot. Particolare attenzione va data al

microcontrollore dedicato ai sensori di palla, Figura 9 Esempio di ruota omnidirezionale

che fornisce la posizione della palla attorno al robot e la sua distanza tramite 20

sensori di cui: 15 posti ogni 12,5 gradi nei 180° frontali e 5 posti ogni 30° sul lato

posteriore. Tale configurazione consente di avere una maggiore precisione nei

movimenti quando la palla si trova davanti al robot.

1 le ruote omnidirezionali forniscono una trazione perpendicolare all’asse del motore e,

grazie all’uso di ruotini posti sul perimetro della ruota stessa, anche parallelamente alla

direzione del motore stesso. P a g . 10 | 62

La bussola elettronica HMC6343 della Honeywell, fornisce l’orientamento

rispetto al nord magnetico terrestre compensato da eventuali campi magnetici

parassiti o da errori di inclinazione, consentendo al robot di avere un punto di

riferimento fisso necessario ad annullare eventuali componenti rotative non

intenzionali del robot.

Come osservato nella sezione 2.1 (figura 6), il terreno di gioco ha delle linee

bianche di bordo che il robot non deve superare per non essere penalizzato; a

tale scopo sono impiegati vari sensori a riflessione posti sotto la base inferiore

del robot per individuare eventuali variazioni di colore.

Per l’individuazione dei bordi del campo o eventualmente di robot avversari, il

robot è equipaggiato con 4 sensori di prossimità ad ultrasuoni disposti ogni 90°

attorno alla circonferenza del robot, ed un sensore di prossimità fotoelettrico con

uscita analogica posto dietro al robot per rilevare con precisione la distanza dalla

propria porta.

Inoltre, come inserito quest’anno nel regolamento internazionale, è possibile

2

giocare con una palla arancione passiva .

A tale scopo è stata aggiunta una telecamera con

microprocessore dedicato con interfaccia SPI per

il rilevamento dei colori. È possibile non solo

riconoscere la palla, ma anche la colorazione

delle porte ed eventuali segni particolari sui

robot, consentendo tattiche più complesse come

il riconoscimento dello sfasamento fra il robot e

la porta avversaria, o addirittura la sua posizione Figura 10 Telecamera

all’interno del campo. presente sul robot

2 Una palla di colore arancione che non emette luce propria come la palla

standard da gioco. P a g . 11 | 62

Tutto questo è consentito grazie ad un modulo Bluetooth integrato nei robot che

consente lo scambio di informazioni continuo fra i due robot.

Il robot possiede anche un sistema di calcio formato da un solenoide con un

solido ferromagnetico al suo interno che, in presenza di un forte campo

magnetico generato da una corrente che scorre nel solenoide, viene spinto fuori

ad alta velocità.

Figura 11 Foto del robot dove è possibile distinguere i vari componenti presenti sul robot

P a g . 12 | 62

2.3 ANALISI DELLA COMPONENTISTICA

2.3.1 Microcontrollore

Prima di parlare di microcontrollore, è necessario chiarire la differenza fra

microcontrollore e microprocessore.

Il microprocessore è l’unità di elaborazione dati e di controllo di un qualsiasi

calcolatore, e viene spesso indicato con la sigla CPU (Central Processing Unit).

Sebbene disponga di una potenza di calcolo molto elevata (frequenze di lavoro

che si aggirano sui 4 GHz), la CPU da sola non può funzionare data la necessità

di un’unità di memoria (RAM e ROM) esterna dove poter alloggiare i programmi

su cui esso opera. Per applicazioni specifiche o di tipo industriale, si fa ricorso a

sistemi più compatti, come i microcontrollori.

Un microcontrollore è un sistema completo integrato in un singolo chip,

progettato per ottimizzare il rapporto prezzo-prestazione di una specifica

applicazione. Esso incorpora al suo interno una CPU, unità di memoria (Flash,

RAM, ROM) e può contenere diversi dispositivi I/O come buffer, ADC, linee di

comunicazione I2C, UART, SPI, ed altri

moduli a seconda dell’applicazione

specifica. Il robot utilizza due

microcontrollori ARM Cortex-M4

MK20DX256VLH7 inserito in una scheda

compatibile con l’IDE (Integrated

Development Environment) di Arduino

chiamata Teensy 3.2 (figura 12).

Il microcontrollore incorpora una CPU da Figura 12 Scheda del microcontrollore Teensy

32 bit con frequenza di lavoro da 72 MHz 3.2 utilizzato

fino a 144 MHz (Contro gli 8 bit a 20MHz del microcontrollore precedentemente

utilizzato Atmega2560), 34 canali digitali I/O che possono erogare 20mA a 3.3V

di cui 12 con funzione PWM e 2 convertitori analogico-digitale che permettono

di leggere fino a 21 sorgenti separate. Sono presenti inoltre 2 canali di

P a g . 13 | 62

comunicazione I2C, un canale SPI e 2 canali UART che consentono di stabilire

una comunicazione con un ampio numero di moduli esterni. Il microcontrollore

è stato scelto per la sua velocità di calcolo e l’ampio numero di pin analogici e

digitali che consentono di controllare un ampio spettro di moduli aggiuntivi.

Come indicato precedentemente, la Teensy è compatibile con l’IDE di Arduino

grazie al bootloader precaricato nel chip che gli consente di interfacciarsi con il

computer tramite interfaccia seriale (Serial Wire Debug). Questo consente di

programmare la Teensy senza dover ricorrere ad un programmatore ARM, che

aumenterebbe il dispendio economico e lavorativo. Altro vantaggio notevole del

bootloader è quello di poter utilizzare le librerie sviluppate dalla community di

Arduino e PJRC (Casa produttrice della Teensy) che rendono il programma molto

più fruibile rispetto a quello standard del microcontrollore.

2.3.2 Bussola

Come esplicato nella sezione 2.2, il robot ha

bisogno di un punto di riferimento per potersi

orientare relativamente all’ambiente circostante.

Considerando l’elevato numero di disturbi

magnetici (Motori dei robot, gambe in metallo del

campo, solenoidi) è stato necessario optare per una

bussola che fosse in grado di compensare campi

magnetici esterni. Figura 13 Bussola HMC6343

Il modulo HMC6343 restituisce il beccheggio, rollio e imbardata dal

magnetometro e le forze agenti sul chip (X, Y, Z) grazie ad un accelerometro a 3