Freestyle Robot do wykrywania/zbierania piłek do tenisa ziemnego.

[adrian]

Na początku chciałem się przywitać ze wszystkimi na forum. Od razu muszę napisać, że bardzo wiele zawdzięczam stronie www.forbot.pl, ponieważ wiele razy mogłem liczyć na pomoc fachowców. Moja przygoda z robotyką zaczęła się około 2 lata temu. W ramach pracy inżynierskiej zbudowałem prototyp robota zbierającego piłki tenisowe. Była to bardzo prymitywna konstrukcja, bez żadnego algorytmu sterowania (jedynie lista instrukcji jakie ma wykonać robot - tzn. podjechać do piłki, zebrać ją na swoją platformę, a następnie opróżnić pojemnik z piłką).

W pracy skupiłem się jedynie na chwytaku, przeprowadziłem konieczne obliczenia i symulacje, a konstrukcja robota była jedynie dodatkiem.

Tak naprawdę w tym projekcie nie było nic szczególnego, może poza obsługą pracy kilku serwomechanizmów. Mimo to nauczyłem się wiele i miałem podstawy do kontynuowania swojej przygody z robotami. I w ten sposób w ramach pracy magisterskiej postanowiłem podejść poważniej do tematu. Założyłem sobie, że w robot będzie działał autonomicznie, jednak nie skupiałem się już na samym aspekcie pobrania piłki, ponieważ miałem to zrobione wcześnie. Najważniejsza dla mnie była komunikacja bezprzewodowa oraz obróbka obrazu i dobór odpowiedniego algorytmu. Robot w niczym nie przypominał pierwszej wersji. Najpierw całość zamodelowałem w programie 3D, aby dobrać wstępne gabaryty i rozmieścić wszystkie elementy w rozsądny sposób. Poniżej pierwsza wersja robota w programie CAD:

Aby robot działał autonomicznie, potrzebowałem znać jego prędkość w danej chwili, w tym celu postąpiłem jak większość– zrobiłem własne enkodery ze starej myszki. Dla ciekawych rozwiązania zamieszczam poniżej zdjęcie konstrukcji mechanicznej (na zdjęciu brakuje transoptora szczelinowego, który później był doklejony):

Laserowe wycinanie w plexi pozwoliło mi zapewnić dokładne wymiary, tak by nie było problemu z osiowością itd. Koniec końców testowałem robota na silnikach z wbudowanym enkoderem, ale te też radziły sobie całkiem dobrze. Jedynym minusem było to, że zabierały więcej miejsca i miałem problem z kompaktowym umieszczeniem płytki Arduino i zasilania. Kolejnym etapem był dobór komunikacji. Całość miała wyglądać tak, że kamera obserwuje środowisko – gdy zobaczy piłkę do tenisa wysyła konkretne dane do robota za pomocą modułu Bluetooth HC-06. Robot musiał mieć pewien algorytm jazdy. Pierwsza wersja zakładała stałą pozycję startową, następnie jazdę po łuku do punktu styczności i na koniec jazdę po prostej, co przedstawia poniższy wykres (technika odometrii):

I schemat w Simulinku:

Drugi algorytm zakładał jazdę wzdłuż prostej – coś na zasadzie linefollowera, tylko ze sprzężeniem zwrotnym od kamery:

Gdy robot znajduje się po prawej stronie prostej ma skręcać w lewo i analogicznie gdy jest po lewej stronie skręca w prawo, tak by był jak najbliżej prostej. Oba algorytmy były optymalizowane za pomocą regulatora PID, co w mniejszym lub większym stopniu pomogło. Niestety ze względu na zbyt mało czasu, nie dopracowałem tego do końca, ale taka była idea. Ważną kwestią była realizacja funkcji skrętu – dlatego musiałem tutaj wykonać wszystko bardzo dokładnie. Zdecydowałem się na rozwiązanie wykorzystujące serwomechanizm:

Kolejnym etapem była obróbka obrazu pozyskanego z kamery Logitecha. Wykorzystałem bibliotekę OpenCV i jej mozliwości. W razie pytań mogę opisać bardziej szczegółowo to zagadnienie.

Program wykrywał głównie kolor, dlatego do testów potrzebowałem w miarę jednolitego tła. Następnie za pomocą odpowiednich wzorów wykrywał środek ciężkości i w zależności od algorytmu podjeżdżał do piłki i zatrzymywał się przed nią, co właściwie było ostatnią rzeczą. Pozostało jeszcze wiele rzeczy do dopracowania, ale czas gonił i musiałem skupić się na opisywaniu całości – a pod koniec tuż przed samą obroną zerwałem więzadła w kolanie, co właściwie nie pozwoliło mi na nic więcej. Efektem całości jest poniższy filmik. Wiem, że wiele rzeczy jest do poprawienia – wiele też zrobiłem na około, ale mimo wszystko chciałem Wam pokazać moją pierwszą poważniejszą konstrukcję. Zapraszam do komentowania i z chęcią odpowiem na każde pytanie, bo na pewno nie wszystko będzie dla Was jasne.

[Treker (Damian Szymański)]

Przeniosłem opis do innego działu, bo to wcale nie jest taka "początkująca" konstrukcja, radzi sobie bardzo fajnie 🙂

[dexter]

Cześć, tak czytam ten opis i w sumie nie wiem czy przeoczyłem czy co ale nie wiem gdzie jest ta kamera śledząca piłkę?

Skąd robot wie jak daleko ma do piłki?

Po co korzystałeś z Simulinka?

Pozdrawiam Dexter

[adrian]

Siemka, jeżeli chodzi o kamerę to zwykle znajdywała się ona gdzieś nad robotem, tak by miała dobry podgląd pod obszar w którym może jeździć robot i gdzie może znajdować się piłka - oczywiście za każdym przy zmianie sceny musiałem kalibrować kamerkę, ale że nie miałem zbyt wiele testów to nie trzeba było robić tego aż tak często. I wtedy już analogicznie w zależności z którego algorytmu - jeżeli 1 algorytm to robot nie musiał wiedzieć jak daleko ma do piłki, bo jechał przez pewien wyliczony czas z określoną prędkością, a 2 algorytm - na robocie był znacznik zielony, o czym faktycznie nie wspomniałem, ale ta metoda działała dużo wolniej i jazda robota w niczym nie przypominała linii prostej - brakło mi czasu na poprawki.

A Simulinka używałem właśnie do przetestowania mojego algorytmu, musiałem mieć też jakiś podkład teoretyczny - mogłem zadać w Simulinku np. prędkość jazdy po łuku i prędkość jazdy po prostej i wiedziałem, gdzie robot dojedzie i porównywałem to z rzeczywistością (ale w żaden sposób nie łączyłem tego z robotem podczas jego pracy).

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Marooned]

Masz ode mnie 5 za podejście:

I w ten sposób w ramach pracy magisterskiej postanowiłem podejść poważniej do tematu.

Dokładnie tak wyobrażam sobie sensowne podejście inż./mgr. Jest myśl inżynierska, wykonanie, ocena produktu, kolejna iteracja.

W takich chwilach wspominam moich znajomych i ich prace inż./mgr, które czasem wołały o pomstę do nieba. Jeden plus, że mieliśmy ciętego gościa od seminarium i ku "wielkiemu zaskoczeniu" co niektórych, odrzucił (niestety, tylko jedną) pracę argumentując "brak myśli inżynierskiej". Facet próbował przepchnąć.. teoretyczny opis gaśnic :| (kierunek elektronika i informatyka, co by nie było wątpliwości).

[mactro]

Fajny robot 🙂 Najbardziej ciekawi mnie wykrywanie piłki: czy na podstawie obrazu z jednej kamery jesteś w stanie określić położenie piłki na całym korcie? Albo przynajmniej połowie? Jak Twój algorytm radzi sobie z różnymi nawierzchniami, zmiennym oświetleniem itp.? Planujesz dalej rozwijać swoją konstrukcję, czy odkładasz projekt na półkę?

[adrian]

Jasne, że planuje dokończyć projekt tylko nie w chwili obecnej, za dużo obowiązków niestety, ale w wakacje planuje zamontować chwytak (pewnie trochę zmieniony, a raczej na pewno) tak by w pełni przetestować zbieranie tych piłek. Jeżeli chodzi o wykrywanie tej piłki dla różnego tła, to po odpowiedniej filtracji algorytm radzi sobie bardzo dobrze, nawet jak dołoży się kolejne piłki. W moim przypadku zdecydowanie na plus działa jaskrawość koloru piłki do tenisa. Jeżeli chodzi o zasięg to docelowo na całym boisku miały by być dwie kamery. Wiadomo, że im dalej tym mniejszy obiekt po przefiltrowaniu i pojawiają się szumy, ale czego wymagać od kamerki za 150 zł (jak dla mnie i tak zaskakujący dobry obraz był). A jeżeli pytasz o dokładne wykrywanie obrazu to głównie filtr HSV i tam odpowiednie ustawienie poziomów, a potem standardowe operacje morfologiczne itd. Szczerze mówią sam jestem ciekaw jak to wyjdzie na koniec.

[BlackJack]

Zauważ że przy takiej konstrukcji ramy robota jaką przyjąłeś, chwytak do piłeczek staje się zbędny. Wystarczy że robot wjedzie nad piłkę i wrzuci sobie ją do pojemnika, który tworzy ci się między silnikami napędowymi.

[adrian]

W tej konfiguracji nie zmieści się piłka, tam jest jakieś 2 cm miejsca. Chwytak to tylko jeden z pomysłów (i to chyba najgorsza opcja bo znacznie wydłuży cały cykl). Mam kilka koncepcji, także spoko jest nad czym pracować, ale dzięki za rady.