Content uploaded by Tomasz Winiarski
Author content
All content in this area was uploaded by Tomasz Winiarski on Mar 06, 2016
Content may be subject to copyright.
Modularne środowisko do rywalizacji
robotów sportowych śledzących linię
Maciej Węgierek, Bartosz Świstak, Tomasz Winiarski
lipiec 2015
O autorach
Maciej Węgierek
Jest studentem Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki War-
szawskiej oraz prezesem Koła Naukowego Robotyki „Bionik”. W 2014 roku pełnił
funkcję koordynatora zawodów robotów sportowych Bionikalia 2014 w ramach
Grantu Rektora Politechniki Warszawskiej. Jego główne zainteresowania nauko-
we obejmują robotykę manipulacyjną i techniki rozpoznawania obrazów.
Rysunek 1: Maciej Węgierek
Bartosz Świstak
Jest studentem Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki War-
szawskiej oraz wiceprezesem Koła Naukowego Robotyki „Bionik”. W latach 2013–2014
współorganizował zawody robotów sportowych Bionikalia oraz brał udział w dwóch
Grantach Rektora Politechniki Warszawskiej. Prowadził też prace badawcze w ra-
mach Grantu Dziekana Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politech-
niki Warszawskiej, a także w projekcie RobREx, finansowanym przez Narodowe
Centrum Badań i Rozwoju.
1
Rysunek 2: Bartosz Świstak
Tomasz Winiarski
Jest adiunktem w Instytucie Automatyki i Informatyki Stosowanej Politechniki
Warszawskiej. Sprawuje funkcję kierownika laboratorium robotyki w macierzy-
stym instytucie, a także opiekuna studenckiego Koła Naukowego Robotyki „Bio-
nik”, które współtworzył i z którym organizował imprezy popularyzujące robotykę
oraz realizował granty badawcze. W 2010 roku otrzymał za osiągnięcia nauko-
we nagrodę indywidualną drugiego stopnia Rektora Politechniki Warszawskiej,
w 2011 roku wyróżnienie w konkursie „Innowator Mazowsza”, a także pierwszą
nagrodę w konkursie „Młodzi Innowacyjni” PIAP. Jego zainteresowania naukowe
dotyczą z jednej strony konstrukcji i nawigacji robotów mobilnych dedykowanych
do zadań usługowych, z drugiej strony specyfikacji i implementacji zadań mani-
pulatorów i chwytaków ze szczególnym uwzględnieniem hybrydowego sterowania
pozycyjno-siłowego oraz sterowania impedancyjnego. W swoich pracach kierował
grantami rektorskimi, dziekańskimi, a także finansowanymi przez Narodowe Cen-
trum Nauki.
Rysunek 3: Tomasz Winiarski
2
Streszczenie
Rozmaitość zawodów robotów, organizowanych na całym świecie, wskazuje na to,
że bez wahania możemy już mówić o robotyce sportowej - nie tylko jako dziedzinie
rozrywki, ale także badań [8]. W ostatnich latach wykreowano kilka popularnych
konkurencji, dla których sformułowano wymagania dotyczące konstrukcji i opro-
gramowania robotów. Standaryzacja wymagań obiektywizuje wynik rywalizacji,
podobnie jak ma to miejsce chociażby w wyścigach Formuły 1. Jednym z proble-
mów jak dotychczas było ujednolicenie środowiska, w których konkurują roboty
sportowe śledzące linię na czas. W niniejszym artykule opisujemy prace, które do-
prowadziły do opracowania, wytworzenia i weryfikacji modularnego środowiska do
rywalizacji tego typu robotów (ang. Line Follower).
Abstract
The number of worldwide robotic competitions led to the conclusion that sport
robotics became an important area of both entertainment and research. The
competitions evolve to standardize assumptions for hardware and software of
participating robots. This makes the tournament results partially disinterested
analogically to Formula 1 car racings. In sport robotics the standardization of
competition environment still remains the problem for Line Follower robots. In
the article we present research on the specification, development and verification
of modularized boards for these robots.
1 Wstęp
Zawody robotów są wydarzeniem, w którym zbudowane i zaprogramowane przez
zawodników roboty muszą wykonać zadanie, rywalizując ze sobą. Konkretny cel
działań robota określany jest przez daną konkurencję turniejową. Roboty najczę-
ściej oceniane są pod kątem dokładności i szybkości wykonywania zadań. Niektó-
re dyscypliny zakładają też walkę par, w której roboty konkurują o dominację
w bezpośrednim starciu.
Na świecie organizowanych jest bardzo wiele zawodów robotów. Niektóre sta-
wiają wyzwania na granicy możliwości technicznych robotów i mają elitarny cha-
rakter. Historycznie zaliczyć do nich można zawody samochodów autonomicznych
DARPA Grand Challenge [3,13] i DARPA Urban Challenge [4,7], a współcześnie
DARPA Robotics Challenge z finałami w 2015 roku. Do skomplikowanych i w swo-
jej zasadniczej formie wymagających zaangażowania całych zespołów należą roz-
grywki robotów grających w piłkę nożną RoboCup [1, 2, 6], organizowane przez
The RoboCup Federation. W niniejszej pracy skoncentrujemy się na rywalizacji
robotów w kategoriach indywidualnych, których konstrukcja i oprogramowanie
leży w zasięgu zdolnych studentów.
Największymi zawodami robotycznymi na świecie są RoboGames [5,11] (rys. 4),
organizowane w San Mateo w Kalifornii. W skład zawodów wchodzą konkuren-
3
Rysunek 4: RoboGames 2008 – konkurencja sumo (robogames.net)
cje takie jak: Combat, Sumo, Line Follower, Maze/MicroMouse, zawody huma-
noidów (wyścigi, walki, zadania), Robot Soccer, Art Bots i zawody pojazdów
autonomicznych. Nie mniej ważną imprezą są mistrzostwa Europy autonomicz-
nych robotów mobilnych – RobotChallenge [12] – organizowane w Wiedniu od
2004 roku. Podczas tego wydarzenia można obserwować roboty z wielu kategorii
związanych z Sumo (lego, nano, micro, mini, mega, humanoid), Line Follower,
Humanoid Sprint i Freestyle. Większość robotów występujących w zawodach jest
autonomiczna, a w niektórych konkurencjach (np. Robot Combat) roboty są ste-
rowane zdalnie. Ich budowa zależna jest od konkurencji, w której biorą udział.
Roboty walczące charakteryzują się mocną i zwartą budową, zaś jednostki wy-
ścigowe zbudowane są z lekkich materiałów, dzięki którym osiągają stosunkowo
dużą moc przy małej masie.
Z powodu względnej łatwości budowy robotów i przeprowadzenia zawodów na
pierwszy plan pod względem popularności wysuwają się trzy konkurencje robotów
sportowych: sumo, micromouse i line followers. Dla dwóch pierwszych wypracowa-
no już standardy dotyczące parametrów robotów i plansz co pozwala na możliwie
obiektywne wyłonienie zwycięzców rozgrywek i co nie mniej ważne przygotowanie
się do nich. Specyfikacja plansz i wymagania dotyczące robotów są publikowane
przez organizatorów zawodów w regulaminach danych konkurencji. W konkuren-
cji sumo typowo rozróżnia się kategorie robotów przedstawione w tabeli 1.
Z kolei dla konkurencji Micromouse, określa się:
•planszę: 16 ×16 komórek,
•rozmiar komórki: 18 ×18 cm,
•wysokość ścian: 5 cm.
W niniejszym artykule opisujemy działania, które doprowadziły do opraco-
wania, wytworzenia i weryfikacji modularnego środowiska do rywalizacji robotów
sportowych śledzących linię na czas. Sekcja 2 opisuje charakterystykę zawodów
4
Klasa Wymiary Ciężar Średnica Obwódka
robota robota planszy planszy
Mega 20 ×20 cm 3 kg 154 cm 5 cm
Mini / Lego 10 ×10 cm 500 g 77 cm 2,5 cm
Micro 5 ×5 cm 100 g 38,5 cm 1,25 cm
Nano 2.5 ×2.5 cm 25 g 19,25 cm 0,625 cm
Humanoid 50 ×20cm 3 kg 154 cm 5 cm
Lego Sumo (15 ×15 cm 1 kg 154 cm 5 cm
Tabela 1: Kategorie robotów sumo
takich robotów organizowanych w Polsce i na świecie. Sekcja 3 przedstawia pro-
pozycję zestandaryzowanego dla nich środowiska w postaci modularnych plansz.
Środowisko to podlegało weryfikacji (sekcja 4). Pracę kończy podsumowanie (sek-
cja 5).
2 Zawody robotów śledzących linię
W konkurencji „Follow the Line” głównym zadaniem robotów jest przejechanie
trasy po wyznaczonej linii w jak najkrótszym czasie. Jest to jedna z najpopular-
niejszych dyscyplin i występuje praktycznie na każdych zawodach robotów spor-
towych (tab. 2), w tym na RobotChallenge (rys. 5).
Nazwa zawodów Miejsce Termin
Robomaticon 2014 Warszawa 8 Mar 2014
RobotChallenge 2014 Wiedeń 29-30 Mar 2014
Robotic Tournament 2014 Rybnik 12 Kwi 2014
Trójmiejski Turniej Robotów 2014 Gdańsk 24 Maj 2014
Robotic Day 2014 Praga 21-22 Cze 2014
Robochallenge 2014 Bukareszt 1-2 Lis 2014
Sumo Challenge 2014 Łódź 15 Lis 2014
Bionikalia 2014 Warszawa 6 Gru 2014
Robotic Arena 2014 Wrocław 6 Gru 2014
Tabela 2: Przegląd wybranych zawodów robotów z konkurencją FTL w 2014 roku
Najprostszą planszą do FTL jest tor wyklejony z taśmy na płaskiej powierzch-
ni (rys. 6). Jest to rozwiązanie tanie, ale nie pozwala na stworzenie dwóch takich
samych torów, a ponadto wykazuje dużą podatność na uszkodzenia mechaniczne,
np. wskutek przerwania lub odklejenia taśmy. W takiej sytuacji naprawa powo-
duje zmianę toru i układu planszy.
Konkurencję FTL można podzielić na kategorie:
•Line Follower (klasyczne),
5
Rysunek 5: RobotChallenge 2015 - Line Follower ( c
Christoph Welkovits,
www.robotchallenge.org)
Rysunek 6: Przykładowa improwizowana plansza na zawody FTL
•Line Follower Enhanced (utrudnienia),
•Line Follower Turbo (turbiny),
•Lego FTL (Mindstorms).
Każda kategoria różni się modyfikacjami zasad tworzenia planszy lub kon-
strukcjami robotów dopuszczonych do zawodów. Klasyczny Line Follower odbywa
się na torze składajacym się z odcinków prostych i łuków. W wersji rozszerzonej
(Enhanced) mogą pojawić się chwilowe przerwania trasy, skrzyżowania, wznie-
sienia oraz przeszkody na drodze, które trzeba omijać, a potem wrócić na trasę.
Kategoria Line Follower Turbo dopuszcza roboty z napędem tunelowym. Jego
zadaniem jest wytworzenie dodatkowej siły dociskającej robota do podłoża i po-
zwalającej na utrzymanie się na trasie przy dużych prędkościach. W kategorii
Lego FTL jedynym elementem konstrukcyjnym robota są klocki Lego i zesta-
wy Mindstorms. Unormowane części i oprogramowanie pozwala na uczestnictwo
mniej doświadczonych zawodników, dopiero stawiających pierwsze kroki w tej
dziedzinie. Regulaminy dotyczące tej konkurencji robotyki turniejowej nakładają
6
ograniczenia na wielkość robotów, nie stanowią jednak standaryzacji środowiska
ich rywalizacji.
3 Modularne środowisko dla robotów śledzących
linię
Jednym z czynników wpływających na sukces robota w zawodach jest środowi-
sko, w jakim jest testowany. Plansza pozwalająca na profesjonalną weryfikację
algorytmów sterowania powinna umożliwiać:
•budowanie różnych tras w krótkim czasie,
•zapamiętanie ułożonej trasy i zbudowanie takiej samej po upływie czasu,
•zbudowanie dwóch identycznych tras do przeprowadzania wyścigów równo-
ległych,
•stworzenie unormowanego środowiska do badań.
W obliczu typowych rozmiarów robotów i przebiegu tras za cel postawiliśmy
sobie skonstruowanie planszy składającej się z kwadratowych elementów o roz-
miarach 20 ×20 cm. Każdy z elementów miał posiadać nadruk w postaci np.
linii prostej, łuku czy skrzyżowania. Połączone elementy tworzyłyby gotową tra-
sę. Zaletą takiego rozwiązania miała być ich trwałość, odporność na uszkodzenia
oraz dokładność wykonania. Ponadto za bardzo ważną cechę środowiska uznali-
śmy minimalną wysokość uskoków pomiędzy złączonymi kaflami. Gotowa trasa
miała stanowić spójną całość w postaci gładkiego toru przystosowanego niemal
dla każdej konstrukcji robotów Line Follower.
Podstawowym problemem konstrukcyjnym okazał się dobór materiału, z któ-
rego miały być wykonane kafle. Pierwszą próbą było wycinanie elementów z bla-
chy. Tak wykonane kafle były odporne na uszkodzenia, ale nie były idealnie pła-
skie, przez co po ich złączeniu powstawały uskoki utrudniające robotowi prze-
jazd Odkształcały się trwale i nie pozwalały się łatwo wyprostować. Kolejne pró-
by obejmowały wykorzystanie różnego rodzaju tworzyw sztucznych [10], które
ocenialiśmy pod kątem sztywności, podatności na trwałe odkształcenia, wytrzy-
małości na uszkodzenia mechaniczne, możliwości dokładnego cięcia maszynami
cyfrowymi oraz dostępnych technik malowania. Jednym z rozważanych materia-
łów był polichlorek winylu. Testowe kafle, wycięte przy użyciu lasera, okazały
się być idealnie płaskie i lekkie. Na każdym z nich wyznaczyliśmy kształt tra-
sy przy użyciu samoprzylepnej folii wyciętej również laserem. Matowa struktura
otrzymanych wzorów nie odbijała światła, dzięki czemu znakomicie sprawdzała
się podczas próby przejazdu robota FTL, który do wykrycia czarnej linii korzy-
sta z fotoelektrycznego czujnika odbiciowego. Wadą tak wytworzonych elementów
była bardzo niska odporność na uszkodzenia mechaniczne oraz odklejanie się folii
przy krawędziach kafli. Polichlorek winylu jest tworzywem kruchym i może pęknąć
7
nawet podczas upuszczenia go z wysokości 1 metra na twardą podłogę. W wyni-
ku wielu prób zdecydowaliśmy się na wykonanie toru z płyty poliwęglanowej [9],
która została pocięta przez maszynę cyfrową typu waterjet. Na każdym z kafli
został naniesiony nadruk przy użyciu technologii utrwalania farby promieniem
ultrafioletowym.
Rysunek 7: Opracowane wzory kafli, adekwatne do typowych tras z ciągłą linią
Gotowa plansza składa się z 48 elementów o wymiarach 20 ×20 cm i tworzy
spójną całość dzięki obramowaniu wykonanemu z płaskowników aluminiowych.
W naszym laboratorium mamy do dyspozycji dwa identyczne tory. Duża licz-
ba nadmiarowych elementów pozwala na tworzenie bardzo zróżnicowanych tras
o różnym poziome trudności. Wzory kafli, którymi dysponujemy, przedstawione
są na rysunku 7.
Rysunek 8: Kafle w pudłach i fragment planszy w stadium układania
4 Weryfikacja
Gotowa plansza (rys. 9 i 8) była wykorzystywana podczas organizacji ogólnopol-
skich zawodów robotów Bionikalia 2014 oraz zajęć laboratoryjnych na Wydziale
8
Rysunek 9: Przykładowe plansze ułożone z kafli
Elektroniki i Technik Informacyjnych Poltechniki Warszawskiej. Godny uwagi
jest fakt, że modularna konstrukcja umożliwiała zbudowanie różnych tras w za-
leżności od etapu przeprowadzanych rozgrywek i interakcję z zawodnikami, którzy
mieli możliwość wyboru niektórych elementów planszy podczas finałów zawodów.
Użycie materiału, jakim jest poliwęglan, umożliwiło wykonanie niemal idealnie
płaskiego podłoża. Gotowa konstrukcja niestety nie jest pozbawiona wad. Do-
pracowania wymaga technologia nadrukowywania wzorów, która w przypadku
naszej planszy okazała się nie być w pełni odporna na zarysowania. Możliwości
gotowej planszy przedstawiliśmy na filmie: https://www.youtube.com/watch?
v=922RQBibau4
5 Podsumowanie
Przegląd zawodów robotów śledzących linię skłonił nas do prac nad uniwersal-
nym i łatwym w rekonfiguracji środowiskiem ich rywalizacji. Opracowano mo-
dularne plansze, które sprawdziły się już jako element zawodów Bionikalia 2014,
a także jako baza do prowadzenia zajęć dydaktycznych na Wydziale Elektroniki
i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. Sukces rozwiązania skła-
nia do zaproponowania rozgrywek pucharowych w ramach polskiej serii zawodów
w omawianej konkurencji. Zestandaryzowana wersja tras pozwala w szczególności
na prowadzenie badań nad algorytmami sterowania robotów, które znajdą zasto-
sowanie podczas wyścigów na trasach budowanych według tych samych, znanych
kryteriów.
Podziękowania
Pragniemy podziękować wszystkim osobom z Koła Naukowego Robotyki „Bio-
nik”, bez których zaangażowania organizacja zawodów Bionikalia 2014 nie była-
by możliwa. Podziękowania należą się też Rektorowi Politechniki Warszawskiej,
Dziekanowi Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych, Dyrektorowi Insty-
tutu Automatyki i Informatyki Stosowanej, Kołom Naukowym KNTG Polygon,
9
KNEST i KNR, a także innym sponsorom, którzy istotnie wsparli projekt finan-
sowo i organizacyjnie.
Literatura
[1] Sven Behnke, Manuela Veloso, Arnoud Visser, Rong Xiong. RoboCup 2013:
Robot Soccer World Cup XVIII. Springer, 2014.
[2] Reinaldo A. C. Bianchi, H. Levent Akin, Subramanian Ramamoorthy, Komei
Sugiura. RoboCup 2014: Robot Soccer World Cup XVII. Springer, 2015.
[3] Martin Buehler, Karl Iagnemma, Sanjiv Singh. The 2005 DARPA Grand
Challenge: The Great Robot Race. Springer, 2007.
[4] Martin Buehler, Karl Iagnemma, Sanjiv Singh. The DARPA Urban Chal-
lenge: Autonomous Vehicles in City Traffic. Springer, 2009.
[5] D. Calkins. An Overview of RoboGames. IEEE Robotics & Automation
Magazine, Styczen 2011.
[6] Xiaoping Chen, Peter Stone, Luis Enrique Sucar, Tijn van der Zant. RoboCup
2012: Robot Soccer World Cup XVI. Springer, 2013.
[7] Jan Effertz. Sensor Architecture and Data Fusion for Robotic Perception in
Urban Environments at the 2007 DARPA Urban Challenge . Gerald Sommer,
Reinhard Klette, redaktorzy, Robot Vision. Springer, 2008.
[8] Peter Kopacek. Automation in Sports and Entertainment. Shimon Y. Nof,
redaktor, Springer Handbook of Automation. Springer, 2009.
[9] Poliwęglany. WNT, 1971.
[10] Jan F. Rabek. Polimery: Otrzymywanie, metody badawcze, zastosowanie.
Wydawnictwo Naukowe PWN, 2013.
[11] stona organizatorów zawodów robogames. http://robogames.net/.
[12] stona organizatorów zawodów robotchallenge. http://www.
robotchallenge.org/.
[13] Sebastian Thrun. Winning the DARPA Grand Challenge. Johannes Fürn-
kranz, Tobias Scheffer, Myra Spiliopoulou, redaktorzy, Machine Learning:
ECML 2006. Springer, 2006.
10
