Minisumo StealthMamut - niewidzialny robot MiniSumo

[mcwo82]

StealthMamut to nasz drugi robot minisumo.

Robot startował na zawodach ze zmiennym szczęściem. Ale miał swoje chwile chwały  Największe sukcesy to 2 miejsce w Rzeszowie oraz 1 miejsce na RA w 2014 roku.

Od konceptu do realizacji

U początku całej koncepcji znalazł się pomysł, żeby zbudować robota, który będzie słabo wykrywalny przez czujniki przeciwnika, czyli technologia znana jako Stealth  Pierwsze testy polegały na sprawdzeniu sposobu reakcji czujników Sharp (najpopularniejsze) gdy skierujemy je pod kątem ok. 45 stopni na lustro. Zgodnie z przewidywaniem promienie były odbijane przez lustro i czujnik lustra nie wykrywał.

Zrozumieliśmy, więc że robot z obudową w kształcie piramidy z luster ustawionych pod kątem będzie odbijał promienie czujników i będzie teoretycznie w 100% niewidoczny. Pierwszy projekt powstał w sketchupie na wiosnę 2013 i był to 4 kołowy robot, z 4 silnikami, 3 czujnikami Sharp GP2Y0D340K. Bryła robota byłą w kształcie ściętego ostrosłupa o podstawie ośmiokąta.

Projekt ten był ciekawy, natomiast bardzo trudny w realizacji. Dlatego zawiesiliśmy prace i pomysł musiał dojrzeć. Pod koniec 2013 roku koncepcja zaczęła się krystalizować. Pierwszym krokiem było uproszczenie projektu o następujące założenia:

1. Robot 2 kołowy z dwoma silnikami – dzięki temu było dużo więcej miejsca oraz odpadał problem docisku noża pojawiający się przy 2 osiach
2. Tylko 1 czujnik przeciwnika

Powstał kolejny projekt w Sketchupie,

oraz film animowany prezentujący koncepcje:

Aby projekt można było urzeczywistnić, kluczową sprawą było znalezienie dostawcy odpowiednich luster. Stanęło na lustrach z plexi z firmy Audioplex. Były one w miarę łatwe w obróbce i wytrzymalsze niż lustra szklane. Zakupiliśmy arkusz luster i okazał się on odpowiedni do naszych potrzeb.

Gdy mieliśmy już materiał wykonany prototyp obudowy z zakupionych „luster”, tak aby sprawdzić skuteczność koncepcji Stealth. Okazało się, że koncepcja stealtch działa Oczywiście w praktyce prototyp nie był w 100% niewidzialny – szczególnie na krawędziach. Natomiast był na tyle niewidzialny że technologię uznaliśmy za wartą przeniesienia na prawdziwego robota.

Robot został stworzony w rekordowo krótkim czasie kilku tygodni. Bardzo pomogły doświadczenia z poprzednimi robotami. W pierwszych kilku zawodach robot borykał się z chorobami wieku dziecięcego (zarówno mechanicznie jak i program), ale po kolei wszystko zostało dopracowane i mógł stanąć w szranki z najlepszymi.

 

Projekt 3D

Robot był od początku do końca szczegółowo zaprojektowany w 3D w programie SketchUp.. Względem projektu z końca 2013 dodaliśmy dodatkowy czujnik (w sumie 2 czujniki) oraz został wybrany akumulator (Dualsky). Zostało też zaprojektowane całe wnętrze tak aby sprawdzić czy wszystkie części na pewno się mieszczą. Po dopracowaniu projektu ogólnego, dolna stalowa podstawa została zaprojektowana w programie Inventor.

 

Elektronika 

Podstawowe elementy wykorzystane w układzie to:

1. Procesor Atmega 16 - sterowanie całym robotem
2. 2 czujniki 40 cm Sharp GP2Y0D340K - czujniki przeciwnika ustawione na wprost.
3. 2 czujniki linii – CNY70 - do wykrywania linii oczywiście.
4. TB6612– dwa mostki dla silników głównych, sterowany sygnałami PWM z procesora
5. Stabilizator napięcia LM1117 dla zapewnienia 5V zasilania dla układów.

Ze względu na kształt robota, podzieliliśmy elektronikę na 3 płytki. Dla oszczędzenie miejsca zastosowaliśmy w większości elementy typu SMD. 

Płytka główna wypełnia przestrzeń w obudowie i jest bazą dla procesora oraz zapewnia złącza dla czujników linii. Diody na tej płytce wykorzystywane były tylko do celów testowych. W pierwotnej koncepcji zasilanie czujników miało być wyłączane w pewnych fazach walki tak aby czujniki nie emitowały wiązki i tym samym zdradzały pozycji. Okazało się jednak, że przy obecnym tempie walk dużo ważniejsza jest świadomość sytuacyjna niż jakikolwiek niewielki efekt wyłączenia czujników. 

Schemat głównej płytki poniżej:

Środkowa płytka jest bazą dla mostków dla silników oraz stabilizatora. Schemat poniżej:

W końcu górna płytka jest tylko bazą dla złącza programatora, przycisków, diod oraz głośnika.

Ciekawa jest geneza wykorzystania głośnika. Ze względu na górną obudowę, która jest także z lustra nie widać na zewnątrz żadnych diod. Tak wiec aby wybrać program startowy używamy przycisku po naciśnięciu którego liczba piknięć głośnika mówi jaki program został wybrany. Oczywiście obecnie większość robotów ma tak nisko czujniki że nie omiata wiązką górnej powierzchni, ale 1 lub dwa takie się zdarzały. Dodatkowo użycie u góry lustra poprawia estetykę całego robota. 

 Schemat górnej płytki poniżej:

Generalnie elektronika spełnia dobrze swoje zadania, chodź można było na pewno jeszcze bardziej upchać elementy oraz zastosować lepsze taśmy to łączenia sygnałów pomiędzy poszczególnymi płytkami.

Płytki PCB

Płytki zostały wykonane w Eaglu.  Ich wykonanie zostało  zlecone do firmy, która wykonuje PCB, a lutowanie było już po naszej stronie. Najtrudniejszym elementem było przylutowanie procesora oraz mostków, ale udało się to zrobić. Łączenie pomiędzy płytkami zostało wykonane na taśmach z goldpinami i jest to chyba najgorzej wykonany element robota. 

Płytki zostały osadzone na 2 długich śrubach przytwierdzonych do podłoża. 

Zasilanie

Zdecydowaliśmy się na zasilanie 11,1 V z 3 celowego pakietu Dualsky 400 mAh. Odpowiednie napięcie dla układów elektronicznych (5V) zapewnia stabilizator liniowy. Jeśli chodzi o silniki to PWM tak dobiera napięcie średnie aby ich nie spalić (max 9V).

Mechanika

Podstawa robota wykonana jest z stalowej blachy i stanowi oparcie dla ścian obudowy z luster. Niestety ze względu na problemy technologiczne elementy podpierające lustra prościej nam było zrobić z balsy, przez co podstawa jest trochę za lekka i trzeba było próbować dociążyć robota dodatkowymi odważnikami z ołowiu. Niestety udało się to tylko połowicznie ponieważ nie było tyle miejsca. Cięższy materiał do dociążenia (np. iryd czy osm, czyli metale o większej gęstości) jest niestety cenowo poza zasięgiem.

Silniki główne to Pololu 30:1. Są one bardzo dobre dla tego robota, ponieważ jest on przez to szybki i może wykonywać zwody i manewry okalające szczególnie w pierwszej części walki. Niestety w zwarciu przegrywają z silnikami 50:1.  

Koła sami odlewamy koła z silikonu co bardzo dobrze wpływa na przyczepność robota.  Niestety sama wymiana kół jest trudna dlatego nie zawsze są czas i chęci na zrobienie tego przed zawodami co skutkuje gorszymi parametrami podczas walk.

Obudowa typu Stealth

W praktyce obudowa typu stealth nie jest tak idealna, jak w założeniach. Można jednak powiedzieć, żę w miarę dobrze spełnia swoją rolę. Niestety są elementy, które ułatwiają lokalizacje robota:

• Otwory na czujniki
• Metalowa podstawa (kilka mm od podłogi)
• 2 śruby po bokach przytrzymujące obudowę

Dodatkowo w trakcie walk w kilku miejscach lustra zostały porysowane przez noże innych robotów. Naprawienie tego wymagało by wymiany obudowy, ale jest to bardzo czasochłonne wiec nie zostało to nigdy zrealizowane.

Program

Program bazuje na programie z moich poprzednich robotów – FlyingMamut oraz MicroMamut. Został stworzony jest w oparciu o konkretne reguły odpowiadające staną czujników oraz stanowi logiki. Na podstawie stanu czujników i stanu obecnego ustalany jest stan następny.

Program został napisany w języku C. Używałem WinAVR. Programuję przez USBAsp. Do debugowania programu używam złącza RS-232, którego moduł z układem MAX232 podpisany jest dodatkowo do robota.

W toku prac i testów program został rozwinięty o specjalne manewry używane przy starcie robota do walki, tak aby korzystając z „niewidzialności” mógł zajść przeciwnika od tyłu. Niestety część robotów używa najprawdopodobniej algorytmów „na ślepo” atakujących w najbardziej prawdopodobne miejsce gdzie będzie nasz robot, a na małej planszy 77cm nie ma dużego pola manewru. Z powyższego powodu dobrze szło naszemu robotowi na planszy 144 cm na zawodach Robotic Arena we Wrocławiu.

Dodatkowym mankamentem jest to, że gdy nasz robot ustawia się przodem to jest bardziej widoczny dla przeciwnika.

Podsumowanie

Jesteśmy bardzo zadowoleni z tego robota szczególnie, dlatego że udało się wprowadzić do zawodów kolejnego po FlyingMamucie  robota, który nie bazuje tylko i wyłącznie na czystej sile i mocnym, ostrym klinie. Oprócz dobrej zdolności do walki, nasz robot jest też jednym z robotów o najczystszej formie i najlepszym designie (zewnętrznym).

Dużym komplementem dla nas było to, gdy jeden z sędziów na pierwszych zawodach tego robota w Wałbrzychu powiedział „Nie myślałem jeszcze jakiś robot zaskoczy mnie w zawodach Minisumo”. Sukcesy tego robot sprawiły, że cały czas myślimy nad kolejnym nietypowym robotem, który mógłby walczyć o zwycięstwo

[Treker (Damian Szymański)]

@mcwo82 już dawno nie było u nas żadnego nowego robota minisumo! Dzięki za szczegółowy opis - na pewno będzie inspiracją dla wielu osób

[jas123]

Fajny robot . Oryginalny pomysł na "pancerz", nigdy nie widziałem  takiego rozwiązania.

[ethanak]

Co prawda minisumo to akurat nie moja bajka ale zainteresowała mnie koncepcja "niewidzialności". Jestem ciekaw, czy:

• zmiana kształtu i materiału obudowy (przecież nie musi odbijać w 100% światła w kosmos, ważne aby nie odbijała w stronę przeciwnika) nie pomogłaby w osiągnięciu lepszych efektów;
• użycie innych czujników (np. coś w stylu VL53L1X) które da się schować za szkłem nie zlikwidowałoby problemu z otworami na czujniki.

Ot, takie moje przemyślenia...

[mcwo82]

@Treker @jas123 Dzięki!

 

@ethanak Dzięki za odpowiedź.

Mam pytanie, co rozumiesz przez zmiana kształtu obudowy? Wydaje mi się, że wybrany przez nas kształt jest blisko optymalnego... 

Odnośnie czujników to w czasach jak robot był budowany to królowały sharpy GP2Y0D340K  i nie było nic lepszego pod względem dokładności i szybkości. Btw. tak na szybko spojrzałem i widzę że te VL53L1X też nie są tak szybkie jak sharpy.

 

Pozdrawiam.

Maciek