Freestyle Robot do wykrywania/zbierania piłek do tenisa ziemnego.

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.