ΕΥΦΥΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Το Παράδειγμα του Ποδοσφαίρου

Transcript

1 ΕΥΦΥΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Το Παράδειγμα του Ποδοσφαίρου Αθανάσιος Μπαλαφούτης, Δρ. Ηλεκτρολόγος Μηχ. & Μηχ. Η/Υ, Εκπαιδευτικός Σάμος 2016

2 ΤΕΧΝΗΤΗ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗ ΚΑΙ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ Τι είναι Ρομπότ; Τα Ρομπότ είναι αυτόνομοι τεχνητοί πράκτορες (autonomous arti?icial agents) οι οποίοι δρουν στον πραγματικό, φυσικό κόσμο. Αυτόνομοι Πράκτορες Hardware/Software συστήματα που έχουν τις παρακάτω ιδιότητες: Αυτονομία - Λειτουργούν χωρίς την παρέμβαση του ανθρώπου Αλληλεπίδραση με τους ανθρώπους ή άλλους πράκτορες Αντίληψη του περιβάλλοντος χώρου και αλληλεπίδραση με αλλαγές που συμβαίνουν σε αυτόν.

3 ΤΕΧΝΗΤΗ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗ ΚΑΙ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ Με τι ασχολείται η Ρομποτική ως επιστήμη; Κλάδος της Τεχνητής Νοημοσύνης που σχετίζεται όμως άμεσα με τις επιστήμες του Ηλεκτρολόγου Μηχανικού, Μηχανολόγου Μηχανικού και της Πληροφορικής. Μηχανική κατασκευή για τις λειτουργίες κίνησης Ηλεκτρικά/Ηλεκτρονικά κυκλώματα για την τροφοδοσία και έλεγχο της μηχανικής κατασκευής Αλγόριθμοι/Προγραμματισμός για την προσθήκη λογικής και ευφυΐας.

4 ΤΕΧΝΗΤΗ ΝΟΗΜΟΣΥΝΗ ΚΑΙ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ Διαφορές μεταξύ ρομποτικών συστημάτων και άλλων εφαρμογών τεχνητής νοημοσύνης AI Software Robots Χώρος δράσης Προσομοίωση σε Η/Υ Πραγματικός/φυσικός κόσμος Είσοδος Απαιτούμενος Η/Υ Σύμβολα και κανόνες Γενικού σκοπού Αναλογικά/ψηφιακά σήματα και εικόνες Ειδικό hardware με αισθητήρες και effectors

5 ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗΣ Για την κατασκευή ενός Ρομπότ απαιτούνται τα παρακάτω υποσυστήματα: Πηγή τροφοδοσίας: μπαταρίες, ηλιακοί συλλέκτες. Actuators: Συστήματα γραμμικής κίνησης Ηλεκτρικοί Κινητήρες: περιστροφική κίνηση (AC/DC, βηματικοί, σερβομοτέρ) Σκελετός: Μηχανική στήριξη (μέταλλο, πλαστικό, ξύλο) Μυϊκό σύστημα: Πνευματικά συστήματα αέρα, καλώδια Αισθητήρες: Μεταφέρουν σε πραγματικό χρόνο πληροφορίες από το φυσικό περιβάλλον προς το ρομπότ. Επικοινωνία: RF, BlueTooth, WiFi.

6 ΚΙΝΗΣΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ Τρόποι μετακίνησης: Με μηχανικά πόδια Με τροχούς συνδυασμός των παραπάνω ειδικοί τρόποι (υποθαλάσσια ρομπότ, ιπτάμενα, δορυφόροι)

7 ΚΙΝΗΣΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ Κίνηση με πόδια υψηλή κατανάλωση ενέργειας μεγάλος αριθμός κινητήρων δυσκολία στην υλοποίηση - προβλήματα ευστάθειας αυξημένη πολυπλοκότητα στη χρήση πολλών ποδιών Εάν ένα robot έχει k πόδια, τα πιθανά events που μπορεί να υλοποιήσει είναι N = (2k-1)! Αν k = 2, N = 6 Αν k=6, N =

8 ΚΙΝΗΣΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ Κίνηση με τροχούς Κλασσικοί τροχοί castor wheels ball casters omni wheels

9 ΚΙΝΗΣΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ Omni Directional Wheels

10 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΟΡΑΣΗ Κλάδος της Τεχνητής Νοημοσύνης που βοηθά τα ρομπότ να δουν OCR: οπτική αναγνώριση χαρακτήρων Ανίχνευση προσώπου Αναγνώριση αντικειμένου Εκτίμηση - υπολογισμός θέσης

11 ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗΣ Αναφέρουμε ενδεικτικά: Γεωργία Ιατρική Αυτόνομα οχήματα Διαστημική Μεταφορές/συγκοινωνίες Βιομηχανία Στρατός Εξερεύνηση Διασκέδαση Εκπαίδευση

12 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ RoboCup Junior

13 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ WRO GEN II FOOTBALL

14 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ ROBOCUP SOCCER SIMULATION LEAGUE

15

16 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ ROBOCUP SMALL SIZE LEAGUE Ομάδες των 6 Ρομπότ Μπάλα Golf Διαστάσεις Ρομπότ: 180mm x 150mm Οπτικό σύστημα SSL Vision με 2 κάμερες πάνω από το γήπεδο (στα 4m) Επικοινωνία με FM transmittersreceivers

17 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ ROBOCUP SMALL SIZE LEAGUE

18 ROBOCUP SMALL SIZE LEAGUE SSL VISION SYSTEM Main Framework Ταυτόχρονη επεξεργασία εικόνων από πολλές κάμερες Ενοποίηση βασικών λειτουργιών οπτικών συστημάτων, όπως παραμετροποίηση (configuration), οπτικοποίηση (visualization), επεξεργασία (actual processing) Υλοποίση με multi-thread προσέγγιση Το κύριο thread είναι υπεύθυνο για το γραφικό περιβάλλον (GUI) H επεξεργασία της εικόνας που λαμβάνεται από κάθε κάμερα γίνεται σε ξεχωριστό thread Προγραμματισμός σε C++ και Qt Gui

19 ROBOCUP SMALL SIZE LEAGUE SSL VISION SYSTEM

20 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ FunCube Dongle

21 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Framework ανοικτού λογισμικού που επιτρέπει στους χρήστες του να: Σχεδιάσουν Προσομοιώσουν Αναπτύξουν ράδιο-εφαρμογές για πραγματικά συστήματα, όπως: επεξεργασία ήχου, κινητές επικοινωνίες παρακολούθηση δορυφόρων συστήματα ραντάρ δίκτυα GSM

22 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Software-Defined Radio (SDR)

23 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ

24 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ

25 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ ROBOCUP MIDDLE SIZE LEAGUE Ομάδες των 5 Ρομπότ Μπάλα ποδοσφαίρου Διαστάσεις Ρομπότ: 52cm x 80cm Βάρος 40kg Οπτικό σύστημα omni-directional cameras Επικοινωνία με Wireless LAN

26 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ ROBOCUP MIDDLE SIZE LEAGUE

27 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ ROBOCUP MIDDLE SIZE LEAGUE

28 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ ROBOCUP MIDDLE SIZE LEAGUE Search in a perspective view Τα αντικείμενα που είναι πιο κοντά φαίνονται μεγαλύτερα Τα jump points της εικόνας, αντιστοιχούν σε σημεία του φυσικού χώρου που ισαπέχουν

29 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ Standard Platform League

30 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ Standard Platform League

31 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ Humanoid League KidSize, cm height TeenSize, cm height AdultSize, cm height

32 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ Humanoid League

33 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΟ WRO GEN II FOOTBALL Οι ομάδες χρησιμοποιούν ακριβώς το ίδιο hardware (Lego EV3, NXT). Ομάδες των 2 Ρομπότ Μπάλα εκπομπής IR Διαστάσεις Ρομπότ: 22cm x 22cm Βάρος 1kg Αριθμός κινητήρων 4 Αριθμός αισθητήρων 4

34 WRO GEN II FOOTBALL Ελληνικά Ρομπότ

35 WRO GEN II FOOTBALL Ελληνικά Ρομπότ Compass sensor 4 medium servo motors IR Seeker sensor Ultra Sonic sensor Color sensor

36 WRO GEN II FOOTBALL HiTechnic Infrared Electronic Ball IR Seeker sensor (IRB1005)

37 WRO GEN II FOOTBALL Omni Directional Wheels

38 WRO GEN II FOOTBALL Omni Directional Wheels

39 WRO GEN II FOOTBALL Holonomic Drive

40 WRO GEN II FOOTBALL Holonomic Drive

41 WRO GEN II FOOTBALL Holonomic Drive

42 WRO GEN II FOOTBALL Holonomic Drive

43 WRO GEN II FOOTBALL Holonomic Drive

44 WRO GEN II FOOTBALL

45 WRO GEN II FOOTBALL

46 WRO GEN II FOOTBALL

47 WRO GEN II FOOTBALL

48 WRO GEN II FOOTBALL

49 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΝΤΑΣ ΕΝΑ ΡΟΜΠΟΤ ΠΟΔΟΣΦΑΙΡΙΣΤΗ Finite-State Machines (Discrete Finite Automata)

50 FINITE-STATE MACHINES (DISCRETE FINITE AUTOMATA) Παράδειγμα Έστω ότι θέλουμε να διαβάσουμε ένα αρχείο txt γραμμή προς γραμμή και να εκτυπώσουμε την 1η λέξη που συναντάμε σε κάθε γραμμή. Αλγόριθμος: Να προσπεράσουμε τους λευκούς χαρακτήρες που ίσως υπάρχουν στην αρχή της κάθε γραμμής Να διαβάσουμε τους χαρακτήρες της 1ης λέξεις και να τους εκτυπώσουμε Να προσπεράσουμε τους επόμενους χαρακτήρες μέχρι το τέλος της γραμμής

51 FINITE-STATE MACHINES (DISCRETE FINITE AUTOMATA) Κλασικός προγραμματισμός

52 FINITE-STATE MACHINES (DISCRETE FINITE AUTOMATA)

53 FINITE-STATE MACHINES (DISCRETE FINITE AUTOMATA) Επιθετικός IR=3 move 40 move 120 move 20 IR=4 IR=5 Start move 0 Ultrasonic Shoot IR=6 move -20 IR=7 move -40 move -120

54 FINITE-STATE MACHINES (DISCRETE FINITE AUTOMATA) Επιθετικός Rotate 10 GREEN Go Back WHITE time=4 sec move Dark GREEN Rotate 0 Light GREEN Rotate -10 Γνωρίζοντας τη θέση του αντιπάλου τέρματος, ο Compass sensor διορθώνει συνεχώς τον προσανατολισμό του επιθετικού, ώστε αυτός να κοιτά πάντα το αντίπαλο τέρμα.

55 FINITE-STATE MACHINES (DISCRETE FINITE AUTOMATA) Επιθετικός

56 FINITE-STATE MACHINES (DISCRETE FINITE AUTOMATA) Τερματοφύλακας IR=6-9 move 180 Start IR=5 stop GREEN Ultrasonic Shoot LIGHT GREEN IR=4-1 move -180

57 FOLLOW LINE

58 FOLLOW LINE

59 FOLLOW LINE

60 FOLLOW LINE

61 FOLLOW LINE

62 FOLLOW LINE

63 FOLLOW LINE - PID ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ

64 FOLLOW LINE - PID ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ Proportional: Πόσο μακριά βρίσκεται το ρομπότ από τη γραμμή Integral: Συσσωρευμένο σφάλμα σε συνάρτηση με το χρόνο Derivative: Ρυθμός Ταλάντωσης (δεξιά - αριστερά από τη γραμμή)

65 FOLLOW LINE - PID ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ

66 FOLLOW LINE Με χρήση αισθητήρων υπέρυθρης ακτινοβολίας

67 FOLLOW LINE Με χρήση αισθητήρων υπέρυθρης ακτινοβολίας

68 FOLLOW LINE - PID ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ

69 Βαθμονόμηση αισθητήρα χρώματος How to calibrate color sensor in light sensor mode

70 Ανάγνωση τιμών αισθητήρα Τοποθετούμε τον αισθητήρα στη φωτεινότερη επιφάνεια και διαβάζουμε την τιμή του στη μεταβλητή LIGHT Τοποθετούμε τον αισθητήρα στη σκοτεινότερη επιφάνεια και διαβάζουμε την τιμή του στη μεταβλητή DARK

71 Κάνοντας τα Μαθηματικά OFFSET = DARK SCALE = 100 / (LIGHT - DARK) CALIBRATED_READING = (SENSOR_VALUE - OFFSET) x SCALE

72 Εφαρμόζοντας τις εξισώσεις Έστω ότι DARK = 40 και LIGHT = 80 OFFSET = DARK = 40 SCALE = 100 / (LIGHT - DARK) = 100 / (80-40) = 2.5

73 Εφαρμόζοντας τις εξισώσεις Αν η τρέχουσα τιμή που διαβάζει ο αισθητήρας είναι: SENSOR_VALUE = 40 CALIBRATED_READING = (SENSOR_VALUE - OFFSET) x SCALE = (40-40) x 2.5 = 0

74 Εφαρμόζοντας τις εξισώσεις Αν η τρέχουσα τιμή που διαβάζει ο αισθητήρας είναι: SENSOR_VALUE = 80 CALIBRATED_READING = (SENSOR_VALUE - OFFSET) x SCALE = (80-40) x 2.5 = 100

75 Εφαρμόζοντας τις εξισώσεις Αν η τρέχουσα τιμή που διαβάζει ο αισθητήρας είναι: SENSOR_VALUE = 60 CALIBRATED_READING = (SENSOR_VALUE - OFFSET) x SCALE = (60-40) x 2.5 = 50

76 ΛΑΒΥΡΙΝΘΟΣ

77 ΛΑΒΥΡΙΝΘΟΣ

78 ΛΑΒΥΡΙΝΘΟΣ

79 WRO 2013

80 WRO 2013

81 WRO 2013

82 WRO 2014

83 WRO 2014

84 WRO 2015

85 WRO 2015

86 WRO 2015

87 WRO 2015

88 WRO 2015