Finalità

Questo progetto è nato nel 1999 a scopo principalmente didattico ed è ancora in via di sviluppo.

Il progetto Observer consiste in un minirobot capace di muoversi in maniera autonoma in un ambiente sconosciuto.
Oltre ad evitare gli ostacoli, Observer è in grado di rilevare la presenza di fonti sonore, luminose, e gassose.

Gli obbiettivi che ci siamo posti in questa prima fase sono:
- costruire un robot che ha una velocità di spostamento più elevata rispetto a quella del minirobot Progress
- realizzare un sistema di rilevazione degli ostacoli più efficiente.

Observer ha partecipato a 6 competizioni di minirobot organizzate dall' Istituto Professionale Fascetti (Pisa) e dal C.O.N.I. Comitato Olimpico Nazionale Italiano.

Minirobot Observer - disposizione sensori e parti principali

 Meccanica

Observer si muove su 2 ruote motrici, indipendenti l'una dall'altra, ed una sfera d'appoggio.
Ogni ruota motrice è collegata ad un motore elettrico, funzionante in corrente continua, tramite un riduttore di giri a vite senza fine. Ogni perno ruota su bronzine che impediscono l'usura delle parti meccaniche a causa dell'attrito.
Due encoder ottici solidali con il perno dei motori permettono una risoluzione di 30 passi a giro di ruota e sono utilizzati per la rilevazione della velocità e dello spazio percorso dalle stesse. Il tutto è montato su una piastra in alluminio di 4 mm di spessore.
Il corpo del minirobot è costituito dalle stesse schede elettroniche in modo da ridurne il peso e le dimensioni.

Peso, batterie comprese : 2,8 Kg
Dimensioni : base praticamente circolare (poligono a 12 lati) di diametro medio uguale a 11 cm; altezza massima 23 cm.

 Elettronica / Sensoristica

Un microprocessore 65C02 funzionante con un clock a 3.5 Mhz costituisce il cervello del sistema coadiuvato da 2 microcontrollori ST62E60.
I microprocessori sono collegati fra loro tramite una rete di trasmissione dati seriale con struttura ad anello.
La scheda principale con microprocessore 65C02 ha a disposizione 32 linee di input/output, 4 timer a 16 bit, 2 linee di trasmissione dati seriali, 32 Kbyte di memoria RAM, 32 Kbyte di memoria EPROM.

Una telecamera è utilizzata per rilevare la presenza di ostacoli ( vedi sezione Sistema di visione artificiale )

2 fotoresistenze sono utilizzate per la rilevazione di fonti luminose poste ad una altezza di 10 cm dal piano d'appoggio.

2 capsule microfoniche ai lati del robot rilevano i suoni circostanti e, grazie ad un filtro, vengono esclusi tutti i suoni ambientali e quelli provenienti dal minirobot stesso in modo da isolare solo quelli provenienti dalle fonti sonore. Il raffronto fra le ampiezze dei segnali puliti rilevati ai lati del robot, permette nella maggior parte dei casi di discriminare la direzione di provenienza del suono.

1 sensore di gas collocato al di sotto del minirobot ad una distanza di 5 mm dal piano di gara è impiegato per la rilevazione delle fonti di vapori di alcool.

Observer non è dotato di baffi sensorizzati per la rilevazione di eventuali urti contro gli ostacoli.

Tutta la parte elettronica ed i motori sono alimentati con due batterie a 9.6V 0,7 Ah ed una batteria tipo transistor a 9V, che permettono una autonomia di circa 10 minuti.

 Sistema di visione artificiale

Il sistema di visione artificiale è formato da:
- una telecamera in bianco e nero all'incirca di dimensioni pari ad un cubo di 2,7 cm di lato;
- un obiettivo grandangolare (autocostruito) che permette un angolo di visione utile di circa 170 gradi.
- una scheda digitalizzatrice di immagini con una risoluzione di 320x280 pixel con 256 livelli di grigio.
- una scheda a microprocessore 65C02 (vedi sezione Elettronica / Sensoristica)
L'alto angolo di visione dell'obiettivo grandangolare ha permesso l'installazione della telecamera in posizione verticale (guarda verso il basso) ad una altezza dal campo di gara di 13 cm. Questo, teoricamente, permette una visione dell'ambiente circostante per 360 gradi fino ad una distanza di 140 cm dalla telecamera. In pratica, a causa delle schede elettroniche che creano delle zone cieche, il campo di visione, con il sistema montato sul robot, viene limitato a 220 gradi ed ad una distanza di circa 50 cm dall'obiettivo.
Attualmente, con robot in funzione, vengono analizzate 21 immagini al secondo.

 Software

Il software è suddiviso in 4 algoritmi principali:
- gestione motori;
- gestione sensori;
- strategia;
- analisi immagine video.
La gestione dei motori e la gestione dei sensori di luce, suono e gas, viene eseguita dai 2 microcontrollori tipo ST62E60.
Scelta della strategia e analisi delle immagini video sono compito del micro 65C02.

Il passaggio dei dati tra un micro e l'altro avviene tramite macrocomandi. (ad es.: avvia i motori a velocità x; localizzata fonte y in direzione x, ecc.)

Il linguaggio di programmazione utilizzato per sviluppare il software per il micro 65C02 è l'Assembler 6502. Il Software viene sviluppato e compilato con un elaboratore Apple IIe e quindi trasmesso al micro del minirobot collegando l'Apple IIe alla rete interna del robot.
Il Software di comunicazione è strutturato in modo che tutti i microprocessori possano contemporaneamente trasmettere e/o ricevere dati.

Observer, attualmente, non segue una vera strategia di esplorazione; infatti tende ad avere un andamento casuale senza eseguire una mappatura dell'ambiente in cui si trova.

 Considerazioni

• Affidabilità:
  Durante l'ultima competizione il minirobot è risultato affidabile sia dal punto di vista meccanico che elettronico dato che non ha riportato guasti di alcun genere.
  Per quanto riguarda il software, non si riscontrano problemi di affidabilità.

• Regolazioni:
  Le regolazioni e le tarature dei sensori non si sono rivelate critiche grazie anche al fatto che il sistema, in parte, è in grado di autoregolarsi.
  In particolare, non ha bisogno di alcuna regolazione esterna sia per quanto riguarda la rilevazione delle fonti di luce sia per le fonti di gas.
  Si sta cercando di affinare il sistema di autoregolazione del circuito di rilevazione delle fonti sonore che è ora soggetto a regolazione integrata manuale e software.

• Sensoristica e sistema di visione:
  I sensori utilizzati per la rilevazione delle fonti, sono risultati adatti allo scopo.
  Il sistema di visione ha dato risultati eccellenti dato che il robot non ha mai urtato contro un ostacolo e non si è fatto trarre in inganno dalla presenza di zone più o meno chiare del fondo del campo di gara a dalle linee gialle che segnalano la distanza di 25 cm dalle fonti di luce, suono e gas.

• Strategia:
  La strategia scelta non ha permesso al minirobot di effettuare l'esplorazione di tutte le zone del campo di gara.
  Il miglioramento della stessa rientra negli obbiettivi della prossima fase.

• Obbiettivi:
  Gli obbiettivi che ci siamo posti in questa prima fase, sono stati raggiunti.