Minisumo Enova

[Krzema]

Cześć,
przedstawiamy Wam naszego pierwszego robota zbudowanego w ramach drużyny Magnat Cyber Forge Team. W skład drużyny wchodzą: mechanik Mateusz Piotrzkowski, elektronik Szymon Zagórnik oraz programista Piotr Krzemiński. Konstrukcja powstawała przez prawie 2 lata - od pierwszej burzy mózgów i szkiców na komputerze, przez zbieranie funduszy, wykonanie elementów, montaż, programowanie, aż do pierwszego startu w konkursie. Robot ma już swoje lata, lecz mimo to postanowiliśmy go tu opisać.

Koncepcja i napęd robota

Panujący obecnie w robotach sumo trend skłania do wyboru konstrukcji z dwoma kołami napędowymi. Roboty o takiej strukturze napędu są tanie w budowie, a przy tym zapewniają dobre przyleganie krawędzi tnącej ostrza do podłoża. Problemem w ich przypadku jest nieoptymalne przeniesienie ciężaru robota na podłoże oraz duży moment bezwładności robota.

Konstrukcja z czterema kołami napędowymi jest mało popularna lecz rozwiązuje wiele problemów robotów wyposażonych tylko w dwa koła. Pierwszą zaletą jest możliwość zapewnienia przeniesienia prawie całego ciężaru robota przez opony. Kolejną zaletą jest przesunięcie środka obrotu robota do przodu oraz łatwość wpadania w poślizg robotem. Zalety te są nieznaczące w obliczu problemów z zamocowanym nieruchomo ostrzem. W przypadku gdy koła stanowią trzy niezbędne punkty podparcia bardzo trudno jest zamocować ostrze z taką dokładnością aby przylegało do podłoża.

Zdecydowaliśmy się zaryzykować. Wybór padł na konstrukcję z czterema kołami oraz ruchome mocowanie ostrza - tak aby połączyć zalety struktur napędu z dwoma i czterema kołami.

Szukając silników napędu kół robota wybór ograniczyliśmy do 3 firm oferujących jakościowo najlepsze mikrosilniki elektryczne na świecie - firm Maxon, Faulhaber i Portescap. Głównym ograniczeniem determinującym wybór silników do robota minisumo jest ich maksymalna długość. Zdecydowaliśmy że każde z kół będzie napędzane niezależnie, więc długość silnika wraz z przekładnią i enkoderem nie mogła przekroczyć 50 mm. Po przejrzeniu ofert wymienionych firm okazało się że najmocniejszą konfiguracją o wymaganych wymiarach są silniki Faulhaber 1717 006 SR wraz z przekładnią 16/7 14:1 oraz enkoderami IE2. Silniki te są marginalnie mocniejsze od popularnie stosowanych mikrosilników firmy pololu, lecz mają wielokrotnie większą żywotność. Zdarzały nam się sytuacje całkowitego zatrzymania wszystkich 4 silników na regulaminowe 3 minuty walki a silniki dalej pracują jak nowe.

Mechanika

Konstrukcja robota składa się z 11 elementów. Siedem z nich zostało zoptymalizowanych pod kątem wykonania metodami skrawania z aluminium, stali oraz węglika wolframu. Pozostałe 4 elementy zostały wydrukowane w technologii PolyJet.

Głównym elementem konstrukcyjnym jest płyta centralna. Przykręcone do niej są: tulejki mocujące silniki, element mocujący ostrze, mocowania czujników robota przeciwnika oraz płytka drukowana sterująca robotem. Poniżej znajduje się jeden z siedmiu rysunków wykonawczych tego elementu.

Element mocujący ostrze wykonano ze stali 40 HM utwardzonej do wartości 50 HRC. Dzięki temu wypolerowana powierzchnia trudno się rysuje, a przeciwnicy gładko prześlizgują się na zamocowane wyżej rogi. Element ten posiada oś obrotu oraz jest dociskany dwoma sprężynami - niezależnie z każdej strony. Sprawia to że ostrze dociśnięte jest równomiernie do podłoża.

Ostrza które stosujemy są wykonane dla nas na zamówienie z węglika wolframu. Poniżej zdjęcie porównawcze tego ostrza ze starą wersją zintegrowaną z mocowaniem do płyty centralnej.

Felgi robota mają średnicę 24 mm. Posiadamy kilka kompletów z poliamidu i kilka z aluminium. Nie zauważyliśmy większej różnicy w działaniu robota na różnych kompletach. Opony mają zewnętrzną średnicę 30 mm co daje grubość opon równą 3mm.

Przetestowaliśmy wiele materiałów na opony od firmy Smooth-On: Mold Star 15, Mold Star 30, Mold Max 20, Vyta Flex 10, Vyta Flex 30, Vyta Flex 20. Ten ostatni wykazał najlepsze własności mechaniczne i jest przez nas aktualnie stosowany. Do mieszanki dodajemy czarny barwnik, co zwiększa nieco nieco lepkość opon.

Waga robota waha się w zależności od zastosowanych felg i baterii od 460 do 495 gramów.

Elektronika

Płyta sterowania robota to laminat FR4 o grubości 0.8mm. By spełnić wymagania związane z fizycznym rozmieszczeniem układów na płytce, wykorzystaliśmy technologię produkcyjną umożliwiającą nam użycie ścieżek o szerokości 0.2mm oraz rastrze podobnej szerokości. Znajdujące się na płytce układy zapewniają prawidłową pracę robota w trybie domyślnym tj. walka na ringu (bez opcji wybierania taktyki i różnych trybów). Program robota wykonywany jest przez wcześniej wspomniany 32-bitowy mikrokontroler ST32F107R8T6. Został on wybrany ze względu na aż cztery dostępne timery, które są niezbędne do obsługi sygnałów z enkoderów silników. Na płycie sterowania znajdują sie również cztery mostki H, złącza od czujników przeciwnika sześć transoptorów i dwa stabilizatory napięcia na 3.3V i 5V.

Moduł interakcji użytkownika z robotem stanowi płytka drukowana umieszczona pod górną pokrywą robota. Jest ona w znacznym stopniu mniej skomplikowana od płytki sterującej, niemiej jednak zawiera ona oddzielny mikroprocesor STM32F103CVT. Obsługuje on wyświetlacz OLED o rozdzielczości 128x64 piksele poprzez interfejs SPI. Wykrywa on również sygnał z zmieszczonego na płytce odbiornika podczerwieni oraz czterech przycisków stykowych. Dzięki przyciskom lub bezprzewodowo z pomocą pilota RC5 użytkownik jest w stanie włączyć robota i wybrać algorytm pracy robota wyświetlany na wyświetlaczu OLED. Komunikacja między górnym i dolnym mikroprocesorem odbywa się za pomocą interfejsu UART. Obie płytki drukowane są połączone ze sobą taśmą FFC.

Zasilanie

Zastosowaliśmy dwukomorową baterię litowo-polimerową, która przy maksymalnym naładowaniu daje 8.4V. Nie wyróżnia się ona niczym szczególnym poza rozmiarem i kształtem, który jest idealnie dopasowany do konstrukcji robota i wewnętrznego rozmieszczenia elementów. Pojemność baterii to 900 mAh

Czujniki

Sensorami umożliwiającymi wykrywanie przeciwnika są popularne Sharpy GP2Y0D340K. Są to czujniki IR o zasięgu do 40 cm. Są cyfrowe, tj. wskazują pojawienie się obiektu lub jego brak. W środku sensora umieszczony jest układ cyfrowy kondycjonujący otrzymaną wiązkę podczerwieni oraz emitujący cyfrowy sygnał wykrycia do mikrokontrolera. Zasilany jest wyłącznie 5V więc sygnał Vout również jest na tym poziomie. Fakt ten nie komplikuje układu, gdyż użyty mikrokontroler ma wejścia kompatybilne z 5V mimo, że sam jest zasilany na 3.3V. W celu skutecznego wykrywania przeciwnika umieszczono aż 6 sensorów ułożonych w konfiguracji: 2 patrzące do przodu, 2 pod skosem 45 stopni oraz 2 patrzące na boki robota.

Jednostki obliczeniowe

Dolna płytka zawiera główny procesor STM32F107 taktowany zegarem o częstotliwości 72 MHz. Zajmuje się przetwarzaniem informacji z czujników linii oraz przeciwnika, a także wysterowuje silniki korzystając z wbudowanych fabrycznie enkoderów magnetycznych i regulatora PID. Na górnej płytce znajduje się drugi procesor STM32F103 (również 72 MHz) zajmujący się obsługą wejścia/wyjścia czyli przycisków, wyświetlacza i wbudowanego odbiornika podczerwieni. Taki podział zadań pomiędzy dwa procesory wydaje się zbędny/przesadzony, lecz jest to pozostałość z pierwszych wersji robota..

Programowanie

Do komunikacji z robotem użyto dwóch interfejsów: SWD (Serial Wire Debug) – szeregowa odmiana popularnego interfejsu JTAG. Umożliwia on programowanie oraz debugowanie mikrokontrolera sterującego. Do komunikacji między dwoma modułami (mikroprocesorami) oraz komunikacji komputer – mikroprocesor użyto interfejsu UART. Fizyczne połączenie robota z komputerem stanowi złącze MicroHDMI. Zostało ono wybrane ze względu na liczbę dostępnych pinów oferowane przez standard HDMI, trwałość mechaniczną i dostępność. Medium łączące wymienione interfejsy i komputer jest przejściowa płytka drukowana z standardowymi złączami dla programatorów. Rysunek poniżej przedstawia omawianą „przejściówkę”.

Oprogramowanie

Program dla robota pisany jest w języku C, z użyciem Standard Peripheral Library. W newralgicznych miejscach, aby przyśpieszyć kod, wykonywane są operacje bezpośrednio na rejestrach - dzięki temu został zachowany balans między czytelnością a wydajnością kodu. Jeśli chodzi o IDE, początkowo wykorzystywane było TrueSTUDIO Lite, lecz ze względu na swój limit wielkości programu wynikowego (32 kB?) byliśmy zmuszeni do przejścia na CoIDE.

Silniki wysterowywane są regulatorem PID, lecz tak naprawdę tylko człon P jest aktywny. Zaimplementowany został pełny regulator PID, lecz okazało się, że na członie P robot zachowuje się dobrze i nie ma potrzby uaktywniać pozostałych współczynników. Magnetyczne enkodery wbudowane w silnik dostarczają aż 7168 impulsów na obrót, co zapewnia wysoką dokładność. Został wykorzystany wbudowany w STM32F107 interfejs dla enkoderów, dzięki czemu zliczanie impulsów sygnału kwadraturowego odbywa się niejako "w osobnym wątku" - nie są potrzebne przerwania, wystarczy odczytywać położenie koła ze wskazanego rejestru.

Dzięki czterem czujnikom linii z przodu, możemy obliczyć w przybliżeniu kąt pod jakim podjeżdżamy do linii. Wystarczy prosta trygonometria - znamy odległość między czujnikami, znamy też dystans jaki robot przejechał od momentu zobaczenia linii zewnętrznymi czujnikami do momentu zauważenia jej czujnikami wewnętrznymi. Znając kąt pomiędzy osią robota a linią, możemy odpowiednio wykonać manewr wycofania się ku środkowi planszy.

Odbiornik podczerwieni na górnej płytce służy nam głównie do odbierania sygnałów z pilotów sędziowskich. Zastosowaliśmy własny odbiornik przede wszystkim aby zaoszczędzić na miejscu, lecz również aby móc odbierać niestandardowe komendy dla robota, np. wskazówki dotyczące taktyki. Dzięki "deweloperskiej" wersji aplikacji Sumo Remote możemy wysyłać w zasadzie dowolny kod do robota - po dopracowaniu funkcja ta będzie dostępna publicznie.

Monochromatyczny wyświetlacz OLED o rozdzielczości 128x64 umieszczony na górnej płytce umożliwia wybór taktyk, a także wyświetlanie informacji testowych. Nie posiada on wbudowanej czcionki, więc konieczna była implementacja wyświetlania własnych czcionek/obrazków. Aby zaoszczędzić miejsce w pamięci Flash procesora, obrazy kompresowane są algorytmem RLE za pomocą konwertera w postaci aplikacji na PC, po czym na robocie dekompresowane są w locie. Dzięki temu możemy użyć dużych i czytelnych czcionek, czy też schematycznych ikon obrazujących manewry robota. Krótkie demo działania wyświetlacza:

(muzyka niestety nie jest odtwarzana z robota 😃).

Po więcej szczegółów zapraszamy na naszą stronę: http://mcft.eu/_portal/page/knowledge_base/cat/6/Enova_MiniSumo#art_Enova_MiniSumo.

Osiągnięcia

Sezon 2013/2014:

• 1. miejsce na Roboxy 2014 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Trójmiejskim Turnieju Robotów 2014 w kategorii Minisumo Deathmatch
• 3. miejsce na Trójmiejskim Turnieju Robotów 2014 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Cyberbot 2014 w kategorii Minisumo Deathmatch
• 2. miejsce na Cyberbot 2014 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Robot-SM 2014 w Göteborgu w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Ogólnopolskich Zawodach Robotów ROBOmotion 2014 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Ogólnopolskich Zawodach Robotów ROBOmotion 2014 w kategorii Minisumo Deathmatch
• 1. miejsce na Robotic Tournament 2014 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Robotic Tournament 2014 w kategorii Minisumo Deathmatch
• 1. miejsce na Copernicus Robots' Tournament 2014 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Copernicus Robots' Tournament 2014 w kategorii Minisumo Deathmatch
• 1. miejsce na Robotic Arena 2013 w kategorii Minisumo Debel (z robotem Mirror Mateusza Paczyńskiego)
• 2. miejsce na Robotic Arena 2013 w kategorii Minisumo Enhanced
• 2. miejsce na Robotic Arena 2013 w kategorii Minisumo Classic
• 2. miejsce na Sumo Challenge 2013 w kategorii Minisumo+
• 1. miejsce na Sumo Challenge 2013 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce w konkursie robotów Gdańskich Dni Elektryki Młodych 2013 w kategorii Minisumo

Sezon 2012/2013:

• 1. miejsce na Leś-Tech 2013 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Roboxy 2013 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na CybAiRBot 2013 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Robocomp 2013 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na ROBOmotion 2013 w kategorii Minisumo Deathmatch
• 1. miejsce na ROBOmotion 2013 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Copernicus Robots Tournament 2013 w kategorii Minisumo Deathmatch
• 1. miejsce na Copernicus Robots Tournament 2013 w kategorii Minisumo
• 3. miejsce na Trójmiejskim Turnieju Robotów 2013 w kategorii Sumo²
• 1. miejsce na Trójmiejskim Turnieju Robotów 2013 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Robotic Tournament 2013 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na RobotChallenge 2013 w Wiedniu w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Robomaticon 2013 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na T-BOT 2013 w kategorii Minisumo
• 1. miejsce na Robotic Arena 2012 w kategorii Minisumo Enhanced
• 2. miejsce na Robotic Arena 2012 w kategorii Minisumo

Poniższy film prezentuje walki Enovy na konkursie RobotChallenge 2013 w Wiedniu:

A tutaj kompilacja walk Enovy z konkursu Robocomp 2013 w Krakowie:

[tomek127pol]

Ja mam pytanie nie co do samego robota, a do zasad walki, czy jeśli robot przeciwnika sam wypadnie z ringu, tzn. nasz robot nawet go nie dotknie, to czy walka uznawana jest za rozstrzygniętą na naszą korzyść?

Bo jeśli tak to można by pokusić się o budowę robota który byłby na tyle szybki by ustawiać się przy brzegu ringu i w ostatnim momencie zrobić unik przed przeciwnikiem który by z tego ringu wypadał 😃

Oceniał Waszego robota nie będę, chyba wystarczającą opinią są wyniki jakie osiągnął na zawodach 🙂

[kuba_snk]

Wyniki w zawodach mówią same za siebie.

[MateuszMCFT]

@tomek127pol

Ciekawy pomysł. Jeśli przeciwnik zechce cię w niedługim czasie zaatakować to nie ma przeciwwskazań w regulaminie. Może zobaczymy się niedługo na ringu 🙂

[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

[Mechano]

Czy Enova ma jakieś czujniki z tyłu? Na filmiku jednej walki widać jakby widziała przeciwnika z tyłu i na niego skręciła.

[Treker (Damian Szymański)]

Jeszcze raz gratuluję świetnej konstrukcji. Z mojej strony szczególne uznania za część mechaniczną.

Co do elektroniki, dlaczego nie zastosowaliście mikrokontrolerów w innych (mniejszych) obudowach? Otwór na środku płytki, rozumiem, że pod tajną broń - turbinę 😉?

Co do oprogramowania. Czy macie zaimplementowane coś w rodzaju "układu współrzędnych", który pozwoliłby na zbliżone określenie pozycji Enovy/przeciwnika względem całego ringu?

[MateuszMCFT]

@Mechano

W planach było umieszczenie czujników z tyłu i nawet jest na nie fizycznie miejsce w obudowie, jednak na pewnym etapie rozwoju zaczęliśmy upraszczać wszystko co się dało, żeby zmniejszyć opóźnienie projektu.

@Treker

Dzięki 🙂 Otwór jest ewentualnie na magnes, gdyby zaczęto stosować metalowe ringi.

[Treker (Damian Szymański)]

Robiliście jakieś testy, czy magnes umieszczony tak blisko procesora i ścieżek nie resetowałby układu?

[Sabre]

Treker, a niby dlaczego stałe pole magnetyczne miałoby resetować procesor czy wpływać w jakikolwiek inny sposób na resztę elektroniki robota. Może jedynie wpływać na silniki.

[Krzema]

@Treker, co do układu odniesienia, obecnie nie mamy zaimplementowanego dosłownie czegoś takiego. Przede wszystkim dlatego, że jak widać nie jest to potrzebne - robot dobrze radzi sobie bez tego. Zastosowane rozwiązanie jest dziecinnie proste, a skuteczność w naszej sytuacji jest niewiele gorsza niż odometrii z prawdziwego zdarzenia. Myśleliśmy kiedyś o zastosowaniu czujników rzeczywistego przesunięcia i położenia kątowego (na bazie samych odczytów z enkoderów byłoby ciężko, chociażby przez spore i nieregularne tarcie na oponach podczas obrotu), ale koniec końców projekt został mocno uproszczony i póki co wyszliśmy na tym na plus.

Co do pola magnetycznego - słabo się na tym znam, ale w/g mnie stałe pole magnetyczne nie powinno zakłócać pracy elektroniki. Dopiero przy zmiennym polu coś mogłoby się dziać. Choć szczerze mówiąc jeszcze nie testowaliśmy jak robot jeździ z magnesem 🙂

[Asmox]

A czy siła Lorentza nie wpływa przypadkiem na elementy elektroniczne? Mielibyśmy pole magnetyczne, mamy i przemieszczające się elektrony. Więc muszą działać i siły na ten układ.

[raczek]

genialny robot 😃 (piwo for you)

[SzymonMCFT]

Z tego co mi wiadomo, dopiero zmienne pole magnetyczne indukuje ewentualne zakłócenia. Ale tego nie sprawdzaliśmy, dohyo minisumo zazwyczaj wykonane są z drewna 🙂

[madman07]

Kiedyś dyskutowaliśmy o tym ze znajomymi. Stałe pole magnetyczne (nawet z silnych magnesów) nie ma wpływu na pracę mikrokontrolerów ani na jakikolwiek rodzaj pamięci.

[MateuszMCFT]

ARM na płytce odpowiadającej za interfejs z użytkownikiem znajduje się około 2 mm od korpusu silnika. Nie stwierdziliśmy problemów z tym związanych.