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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 VicinoDott. Marco Casini

Tesi di Laurea di:

Fabio Carusi

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Obiettivo della tesi:

Progettazione ed implementazione di una applicazione Hardware-Software per la realizzazione di esperimenti remoti di robotica mobile.

• Robot mobile realizzato con Lego Mindstorms

• Applicazione integrata nell’Automatic Control Telelab (ACT)


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ACT – Automatic Control Telelab


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“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: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


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Lego Mindstorms


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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.


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Realizzazione dell’applicazione


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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.

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.


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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).

• Un apposito algoritmo calcola posizione ed orientamento del robot


•Le immagini vengono filtrate in modo da evidenziare i pixel più luminosi prodotti dalle tre lampadine poste sulla parte superiore del robot

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Sistema di Ricarica

• Uso di batterie ricaricabili alcaline per alimentare l’RCX.


• Contatti stricianti per fornire l’alimentazione necessaria.

• Circuito per la ricarica posto sul robot.

• Box di ricarica in cui il robot viene guidato da un’apposita procedura software al termine di ogni esperimento.

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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.


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Analisi e sintesi di un controllore


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Modello teorico (veicolo a due cingoli)

posizione ed orientamento del robot

velocità dei due cingoli

distanza fra i due cingoli

:,, YX

:, rl vv

:2r


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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


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X

Y

Error_X

Error_Y

Posizione riferimento

Distanza Angolare

Robot

Sintesi del controllore

Fase 1 (posizione):

I cingoli vengono azionati con velocità diverse In base alla distanza angolare dal target. In questo modo il robot procede con traiettoria curva verso la posizione di riferimento.

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.


Il controllore realizzato si articola in due distinte fasi.

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Un esempio di sessione


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Sviluppi futuri

• Esperimenti remoti di path-planning

• Modalità Competizione di studenti

• Esperimenti basati su più robot

http://act.dii.unisi.it


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