Facolt di Ingegneria Universit degli studi di Siena

Facoltà di Ingegneria – Università degli studi di Siena Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Relatore: Prof. Domenico Prattichizzo Correlatori : Prof. Antonio Vicino Dott. Ing. Marco Casini Tesi di Laurea di: Fabio Carusi 1

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Outline L’ Automatic Control Telelab (ACT) Lego Mindstorms Realizzazione dell’applicazione • Software di comunicazione • Lego Robot • Sistema di rilevamento • Sistema di rica • Sistemi di Sicurezza • Video on-line Analisi e sintesi di un controllore Un esempio di sessione Sviluppi futuri 2

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms ACT – Automatic Control Telelab 3

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms “Automatic Control Telelab” (ACT) L’Automatic Control Telelab (ACT) è un laboratorio remoto sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università degli Studi di Siena con lo scopo principale di creare un ambiente didattico che permetta agli studenti di interagire con processi fisici attraverso la rete Internet Principali caratteristiche dell’ACT: • Possibilità di realizzare esperimenti REMOTI di complessità e di tipo diversi su vari processi fisici reali. • Compatibilità con qualsiasi calcolatore/browser web senza necessità di installare software aggiuntivo. • Interfaccia grafica user-friendly ma allo stesso tempo completa e potente. • Accessibilità in qualsiasi momento da qualunque calcolatore connesso alla rete Internet. • Interazione basata su Matlab/Simulink 4

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Processi Disponibili • Motore CC per il controllo di posizione e velocità. (Lineare - Stabile) • Controllo di livello di un serbatoio. (Nonlineare - Stabile) • Sistema di levitazione magnetica. (Nonlineare - Instabile) • Simulatore di elicottero. (Nonlineare - Instabile - MIMO) • Lego Mindstorms. (Robotica Mobile) Tipi di eseperimento • Controllo remoto • Identificazione remota • Competizione tra studenti 5

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms 6

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Lego “Mindstorms” Mindstorms è una linea di prodotti che il gruppo Lego ha introdotto a partire dalla fine del 1998. E’ una estensione della serie Lego Technic con elementi nuovi (RCX, sensori, attuatori) indirizzata alla realizzazione di piccoli robot autonomi. RCX Blocco programmabile da PC dotato di: • tre porte d’ingresso (1, 2, 3); • tre porte d’uscita (A, B, C); • una porta ad infrarossi; • un display; • quattro pulsanti; • un generatore di suoni; L’RCX è alimentato con 6 batterie tipo AA che servono anche ad alimentare i dispositivi collegati. 7

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Realizzazione dell’applicazione 8

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Software di Comunicazione: S-Function RCX_Device Programma C mediante il quale vengono comandate le uscite e letti gli ingressi dell’RCX in ambiente Simulink. Robot Mobile Il robot è un veicolo a due cingoli realizzato intorno all’RCX. I due cingoli sono comandati da due motori Lego la cui velocità viene ridotta da un sistema di ingranaggi 9

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Il sistema di rilevamento • Una Telecamera posta a 3 metri sopra il pavimento acquisisce a intervalli regolari immagini dell’area di lavoro (320 x 240 centimetri). • Le immagini vengono filtrate in modo da evidenziare i pixel più luminosi prodotti dalle tre lampadine poste sulla parte superiore del robot • Un semplice algoritmo calcola posizione ed orientamento del robot 10

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Sistema di Ricarica • Uso di batterie ricabili alcaline per alimentare l’RCX. • Circuito per la rica posto sul robot. • Contatti stricianti per fornire l’alimentazione necessaria. • Box di rica in cui il robot viene guidato da un’apposita procedura software al termine di ogni esperimento. 11

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Sicurezza L’esperimento viene interrotto in due casi: • Quando il robot esce da un’area di 280 x 200 centimetri (per evitare che esca dall’area di copertura del sistema di rilevamento). • Quando viene superato il tempo massimo assegnato (per evitare la monopolizzazione del processo). Video on-line Per fornire un convincente “effetto presenza” sono state installate 4 webcam che forniscono diverse visuali dell’area dell’esperimento. 12

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Analisi e sintesi di un controllore 13

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Modello teorico (veicolo a due cingoli) posizione ed orientamento del robot velocità dei due cingoli distanza fra i due cingoli 14

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Un modello che rispecchia il comportamento del robot in modo più realistico è stato stimato con tecniche di identificazione Dove F( ) indica la caratteristica dei motori riportata in figura 15

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Sintesi del controllore Il controllore realizzato si articola in due distinte fasi. Fase 1 (posizione): Usa la distanza angolare per determinare la velocità del cingolo opportuno. L’altro viene azionato alla velocità massima. Il robot procede con traiettoria curva verso il target Y Posizione riferimento Error_Y Distanza Angolare Robot Error_X X Fase 2 (orientamento): Si attiva quando l’errore di posizione scende sotto una certa soglia. I cingoli vengono azionati in modo da far ruotare il robot su se stesso. 16

Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Un esempio di sessione 17

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Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms Sviluppi futuri • Esperimenti remoti di path-planning • Modalità Competizione di studenti • Esperimenti basati su più robot http: //act. dii. unisi. it 20