Autonómny stolný futbal: 5 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Hlavným cieľom projektu bolo dokončiť funkčný prototyp autonómneho stolného futbalu (AFT), kde sa ľudský hráč stretne s robotickým protivníkom. Z ľudského pohľadu na hru je stolný futbal veľmi podobný bežnému stolu. Hráči na ľudskej strane sa ovládajú pomocou série štyroch držadiel, ktoré je možné posúvať dovnútra a von a otáčať, aby sa hráči lineárne pohybovali po hracej ploche a kopali loptu smerom k súperovej bráne. Autonómna strana pozostáva z:> Osem servomotorov používaných na manipuláciu s držadlami stolného futbalu> Mikrokontrolér na aktiváciu servomotorov a komunikáciu s počítačom> Webová kamera namontovaná nad hlavou na sledovanie lopty a hráčov> Počítač na spracovanie obrázky z webovej kamery, implementácia umelej inteligencie a komunikácia s mikrokontrolérom Rozpočtové obmedzenia prototypu projekt čiastočne spomalili a jeho funkčnosť obmedzili na minimum. Zistilo sa, že správne motory na pohyb hráčov konkurenčnou rýchlosťou sú veľmi drahé, takže bolo potrebné použiť servá nižšej triedy. Aj keď bola táto konkrétna implementácia obmedzená nákladmi a časom, vyšší prevodový pomer by priniesol rýchlejšie hrajúceho robota, aj keď to by stálo viac ako základná cena 500 dolárov (cena bez napájania a počítača).

Krok 1: Zostavenie riadiacej dosky motora

Pripojené obrázky sú schémou celého obvodu a obrázkom konečného produktu pre riadiacu dosku motora. Všetky tieto požadované diely je možné zakúpiť vo väčšine veľkých internetových obchodov s elektronikou (vrátane spoločností Digi-Key a Mouser. Ako dodatočnú poznámku uvádzame, že všetky diely tu použité boli priechodné otvory, a preto je možné diely montovať na protoboard/dosku na chlieb alebo pomocou pripojeného dizajnu DPS. Oveľa menší balík by bolo možné vytvoriť pomocou niekoľkých dielov na povrchovú montáž. Keď sme implementovali návrh, rozdelili sme ovládače motora na 2 obvody, aj keď nie je žiadna výhoda robiť to inak ako akákoľvek konkrétna použitá schéma kabeláže. Malá modrá doska implementuje riadiace obvody PWM, čo je v podstate iba taktovaný PIC-12F s nejakým špecializovaným kódom.

Krok 2: Zostava servomotora

Používajú sa dva rôzne druhy serv. Najprv je bočný pohyb riadený skupinou štyroch servov s vysokým krútiacim momentom: Robotis Dynamixel Tribotix AX-12. Tieto štyri bežia na jednej sériovej linke a poskytujú úžasné funkcie. Vysoký krútiaci moment umožňuje radenie týchto serv tak, aby bola zaistená vysoká tangenciálna rýchlosť pre priečny pohyb. Od Graingera sa nám podarilo nájsť sadu 3,5 palcových prevodov a dráh, ktoré by s nimi mohli ísť za cenu asi 10 dolárov za každý. Serva poskytujú ochranu proti preťaženiu krútiacim momentom, schému individuálneho adresovania serva, rýchlu komunikáciu, monitorovanie vnútornej teploty, obojsmernú komunikáciu atď. Nevýhodou týchto serv je to, že sú drahé a nie príliš rýchle (aj keď im prevodovka pomáha). Aby sa dosiahol rýchlejší pohyb pri kopaní, používajú sa Hitec HS-81. HS-81 sú relatívne lacné, majú slušne vysokú uhlovú rýchlosť a ľahko sa používajú (štandardný PWM). HS-81 sa však otáčajú iba o 90 stupňov (aj keď je možné-a neodporúča sa-pokúsiť sa ich zmeniť na 180 stupňov). Navyše majú vnútorné nylonové prevody, ktoré sa ľahko odtrhnú, ak sa pokúsite upraviť servo. Stálo by za to peniaze nájsť 180 stupňové rotujúce servo, ktoré má tento typ uhlovej rýchlosti. Celý systém je zviazaný kusmi drevovláknitých dosiek so strednou hustotou (MDF) a drevovláknitých dosiek s vysokou hustotou (HDF). Vybrali si to kvôli nízkym nákladom (~ 5 dolárov za list 6 x 4 palcov), ľahkému rezaniu a schopnosti prepojiť prakticky akýkoľvek povrch. Trvalejším riešením by bolo opracovanie hliníkových konzol, aby všetko držalo pohromade. Skrutky, ktoré držia serva PWM na mieste, sú štandardné skrutky (č. 10 s) so šesťhrannými maticami, ktoré ich držia z druhej strany. 1 mm metrické strojné skrutky, dlhé asi 3/4 , držia AX-12 v MDF, ktorá spája dve servá dohromady. Dvojčinná zásuvková dráha drží celú zostavu dole a v jednej línii s koľajou.

Krok 3: Softvér

Posledným krokom je nainštalovanie všetkého softvéru použitého v zariadení. Skladá sa z niekoľkých jednotlivých častí kódu:> Kód spustený na počítači na spracovanie obrazu> Kód spustený na mikrokontroléri PIC-18F> Kód spustený na každom z mikrokontrolérov PIC-12F Na spracovanie obrazu sú potrebné dva predpoklady. PC. Spracovanie obrazu sa vykonáva prostredníctvom Java Media Framework (JMF), ktorý je k dispozícii prostredníctvom servera Sun tu. Java Sun API, dostupné aj cez Sun, sa používa na komunikáciu s riadiacou doskou motora cez sériový port v počítači. Krása používania Javy spočíva v tom, že * by mala * fungovať na akomkoľvek operačnom systéme, aj keď sme použili Ubuntu, distribúciu Linuxu. Na rozdiel od populárneho názoru, rýchlosť spracovania v Jave nie je taká zlá, najmä v základných slučkách (ktoré analýza videnia používa pomerne málo). Ako je vidieť na snímke obrazovky, pri každej aktualizácii rámca sú sledovaní hráči lopty a súpera. Okrem toho je obrys tabuľky umiestnený vizuálne, a preto bola na vytvorenie vizuálneho obrysu použitá páska modrých maliarov. Góly sa zaznamenávajú, ak počítač nemôže nájsť loptu po dobu 10 po sebe nasledujúcich rámcov, čo zvyčajne naznačuje, že lopta spadla do brány mimo hracej plochy. Keď sa to stane, softvér v závislosti od smeru cieľa spustí zvukový bajt, aby sa buď povzbudil, alebo vypískal súpera. Lepším systémom, aj keď sme nemali čas ho implementovať, by bolo použiť jednoduchý pár infračerveného žiariča/senzora na detekciu pádu lopty do cieľa. Všetok softvér použitý v tomto projekte je k dispozícii v jednom súbore zip, tu. Na zostavenie kódu Java použite príkaz javac. Kód PIC-18F a PIC-12F je distribuovaný pomocou softvéru MPLAB spoločnosti Microchip.

Krok 4: Montáž na webovú kameru

Bola použitá webová kamera Philips SPC-900NC, aj keď sa to neodporúča. Špecifikácie tohto fotoaparátu boli sfalšované technickým alebo predajným personálom spoločnosti Philips. Namiesto toho by stačila každá lacná webová kamera, pokiaľ ju podporuje operačný systém. Viac informácií o používaní webových kamier pod systémom Linux nájdete na tejto stránke. Zmerali sme vzdialenosť potrebnú pre ohniskovú vzdialenosť webovej kamery, aby sa zmestil celý stolný futbal do rámčeka. V prípade tohto modelu fotoaparátu sa ukázalo, že toto číslo presahuje 5 stôp. Na zostavenie držiaka kamery sme použili policové regály dostupné v každom väčšom železiarstve. Regálové regály sa tiahnu nahor z každého zo štyroch rohov stola a sú priečne vystužené uhlovými hliníkovými konzolami. Je veľmi dôležité, aby bola kamera vycentrovaná a nemala uhlové otáčanie, pretože softvér predpokladá, že osi x a y sú zarovnané s tabuľkou.

Krok 5: Záver

Všetky súvisiace súbory projektu je možné stiahnuť na tomto webe. Zálohu väčšiny obsahu stránok nájdete tu, na mojom osobnom webovom hostiteľovi. Zahŕňa to záverečnú správu, ktorá obsahuje marketingovú analýzu, veci, ktoré by sme zmenili, naše pôvodné ciele a zoznam skutočných dosiahnutých špecifikácií. Projekt NIE JE zamýšľaný ako najkonkurencieschopnejší hráč na svete. Je to dobrý nástroj, ktorý ukazuje viac krokov použitých pri navrhovaní takejto šelmy, ako aj slušný prototyp tohto typu robota postaveného za neuveriteľne nízke náklady. Na svete sú aj ďalší takíto roboti a určite by mnohí z nich tohto robota „porazili“. Tento projekt navrhla skupina štyroch elektrotechnických/počítačových inžinierov v Georgia Tech ako hlavný projektový projekt. Žiadni mechanickí inžinieri nedostali pomoc a neboli použité žiadne finančné prostriedky tretích strán. Bol to pre nás všetkých veľký vzdelávací proces a slušné využitie času kurzu senior design. Chcel by som poďakovať> doktorovi Jamesovi Hamblenovi, nášmu poradcovi sekcie, za neustálu pomoc v technických stratégiách> Dr. Jennifer Michaels, vedúca profesorka „za to, že nás neodradili od pokusu o ambicióznejší projekt> James Steinberg a Edgar Jones, starší administrátori dizajnérskych laboratórií, za neustálu pomoc pri objednávaní dielov, odstraňovaní problémov a hľadaní„ skvelých vecí “, ktoré je možné do projektu hodiť s nízkymi nákladmi a vysoká funkčnosť> A samozrejme, ďalší traja členovia môjho tímu, z ktorých nič z toho by nebolo možné: Michael Aeberhard, Evan Tarr a Nardis Walker.