RoboDoupě.cz

Ahoj. Zajímají vás soutěže autonomních mobilních robotů jako RoboTour, Roboorienteering nebo Robotem rovně? Mě ano a už jsem se všech těch soutěží i aktivně zúčastnil, ale jen se střídavými úspěchy (většinou spíš neúspěchy). Myslím, že podobně na tom je i většina dalších účastníků těchto soutěží. Při pohledu na výsledky předchozích ročníků mám dojem, že dosažené výkony nějak stagnují (nezlepšují se). Domnívám se, že by to mohlo být i proto, že hodně soutěžících si "hrabe na svém písečku" a znovu a znovu "prošlapává slepé uličky". To mi připadá nevhodné a zbytečné.

Chtěl bych tu dát veřejně dohromady něco jako "zásady pro autonomní mobilní robotiku", po jejichž splnění by skoro všichni účastníci výše zmíněných soutěží (včetně mne) "spolehlivě dojížděli do cíle" (spolehlivě plnili základní cíl dané soutěže). Všichni bychom se pak mohli posunout na "vyšší úroveň" a soutěžit o to, kdo dokáže ten soutěžní úkol dosáhnout rychleji a efektivněji.

Mám za to, že nejúspěšnější soutěžící už našli ty potřebné zásady, jen je prostě nezveřejnili dostatečně jasně a viditelně (alespoň pro mne). Pojďme si tu vyměnit svoje zkušenosti a složit z nich doporučení pro začátečníky i pokročilé hobby robotiky. Něco jako "requirements" a "best practices" dohromady.

Abych tu jen tak "planě neplácal", tak tu pro začátek zkusím velmi stručně popsat svoje dosavadní zkušenosti a svoji představu.

Co je třeba pro úspěchy v outdoorových hobby robotických soutěžích? Podle mých zkušeností je to zhruba toto:
1. vhodné "vozidlo" (spolehlivé, silné, pohyblivé, odolné, bezpečné) [nejen stroj "jezdící" ale třeba i "létající", "chodící", "lezoucí" nebo "plovoucí"]
2. vhodný řídicí systém a senzory (kompas, odometrie, GPS, dálkoměry, počítačové vidění, mapa) [systém musí být schopen "směřovat k zadanému cíli"]
3. vhodný "program" (mapa, průjezdní body, itinerář, detekce překážek, okrajů cesty a cíle) [algoritmus spolehlivý, přesný a pružný]

Samozřejmě chci každý ten bod ještě rozebrat podrobněji a konkrétněji (a mám i řadu nevyřešených otázek), ale nejprve se ptám. Zajímá to tu ještě někoho? Chcete o tom diskutovat? Jste ochotni se podělit o své výsledky a zkušenosti?

S kolegy sdruženými kolem Hobbyrobotu jsme začali plánovat, že si vyzkoušíme, jak opravdu je ta outdoorová robotika náročná, takže ano, zajímá nás výměna zkušeností.
Mimo jiné máme přímo před firmou příhodný parčík o rozměrech 180 x 45 m s cestičkami, které po posledních přeložkách silnice vedou odnikud nikam a kde se tedy dá bez problémů uspořádat jak miniRoboOrienteering, tak miniRobotour. A komu by byl parčík malý, tak mezi Modřanskou ulicí a břehem Vltavy je prostoru nadbytek.
Není problém využít pro testování orientačních systémů naše podvozky, ať už kolové, nebo pásové, takže odpadne problém řady robotiků s mechanickou konstrukcí a se silovým elektrickým zapojením.

Tak do toho, už se těším na výmluvy, proč to vlastně nejde...

Mne tohle rozhodně zajímá a až budu mít 4kolku (zasvěcení vědí ) tak to teprve uvidíte věci

Určitě uvítám jak informace kudy cesta vede, tak kudy ne. Alespoň ušetřím nějaký ten čas.

Super. Testování na miniRobotour u Hobbyrobotu v Praze se určitě rád zúčastním (i když jsem z Mostu).

Svoje dosavadní zkušenosti i pár "slepých uliček" tu podrobněji popíšu nejpozději zítra (až si to v podkladech trochu sjednotím a urovnám).

OK, zájem o toto téma zjevně není moc velký, ale přesto sem napíšu alespoň svoje zkušenosti (pardon, bude to dost dlouhý text). Třeba se to bude někomu hodit.

Nejprve popíšu pár svých "slepých uliček" z minulých let. V roce 2012 jsem byl na RoboOrienteeringu ve Svinařích a měl jsem sebou "autíčko", které nedokázalo jet vysokou travou v parku (a v RoboOrienteeringu je dobré umět jet travou). Poučení: robot do terénu musí být dostatečně silný aby zvládnul jet i v prudším svahu, přes výmoly a ve vysoké trávě. Ve Svinařích jsem si také ověřil, že ani kombinace kompasu, odometrie a GPS nedokáže udržet robota spolehlivě na úzké parkové cestičce (nepřesnosti měření jsou prostě větší). Poučení: pro udržení se na cestě je třeba mít systém "počítačového vidění" (nejlépe kameru, ale asi to lze částečně zvládnout i jen s lidarem nebo dokonce jen "dálkoměrovým radarem"). Pořídil jsem si tedy silnější "autíčko" a zaměřil jsem se na experimenty s "počítačovým viděním" (jako Android aplikaci pro smartphone). V roce 2014 jsem se pak zúčastnil RoboTour v Plzni. Moje "rozpoznávání cesty" spočívalo jen v detekci zelené barvy a v zatáčení na opačnou stranu, než kde byl největší "zelený flek". Stačilo to na získání 180 bodů (ujetí 180 bodovaných metrů) a celkově na 3. místo v soutěži. Výsledek nebyl špatný, ale bylo to spíš štěstí, protože pod stromy byla cesta i tráva dost zasypaná listím, takže "zelený flek" nestačil na spolehlivou detekci okraje cesty. Poučení: rozpoznávání cesty kamerou musí být chytřejší a spolehlivější. Upravil jsem tedy svoji aplikaci tak, aby cestu detekovala jako "největší šedý flek vpředu". Na mých testovacích cestičkách to docela fungovalo, tak jsem s tím jel na Robotem rovně 2015 v Písku. V prvním kole bylo ještě pod mrakem a můj robot ujel solidních 78 metrů, než chybně zahnul na křižovatce, protože tam byl "šedý flek" i do stran. Pak vyšlo Slunce a ostré stíny zhoršily detekci cesty natolik, že v dalších kolech už neujel ani 20 metrů (protože jsem se na detekci cesty příliš spoléhal a robot zcela zbytečně začínal zatáčet už pár metrů po startu). Poučení: optickou detekci cesty je třeba rozumně spojit s kompasem a s GPS. Svoji aplikaci jsem doplnil o využití GPS přímo ve smartphone a chystal jsem se na RoboTour 2015 (také v Písku). V létě jsem ale vyvíjel jen aplikaci a k otestování celé sestavy jsem se dostal až 3 dny před soutěží. V tu chvíli se u robota projevilo nějaké rušení v řídicím systému a dělal si co chtěl, nezávisle na tom, co mu přikazovala aplikace ve smartphone. Nepodařilo se mi včas odhalit příčinu, takže jsem letos musel vzdát svou účast na RoboTour. Teprve tento týden jsem zjistil, že rušení pronikalo do ovládacího sériového portu a po úpravě zapojení a zatlumení RX/TX pomocí odporů teď robot funguje spolehlivě. Poučení: testuj celou sestavu dostatečně dlouho před soutěží a vždy se soustřeď i na dobré odrušení celého systému. Teď jsem tedy vlastně už skoro připraven (předčasně) na soutěže v roce 2016, ale svoje rozpoznávání cesty pořád považuji za nedostatečně spolehlivé (a také nemám podavač míčků pro RoboOrienteering), takže rozhodně mám co dělat (a těším se na to).

Kromě výše uvedených outdoorových soutěží jsem byl aktivně i na Robotických dnech v Praze (v letech 2012 - 2014) a na Eurobotu v Praze v roce 2011. I tam jsem získával další zkušenosti.

Z výše uvedené "historie" mi zatím vyplynula tato základní verze "zásad pro autonomní mobilní robotiku":

1. pořídit si vhodné "vozidlo" (spolehlivé, silné, pohyblivé, odolné, bezpečné)
--- rozumná minimální rychlost jízdy je 0,5 m/s, optimum cca 1 m/s (běžná chůze)
--- i s nákladem musí vozidlo vyjet do mírného svahu, překonat výmoly na cestě a projet vysokou trávou
--- vozidlo musí mít alespoň ovládání směru (zatáčení) a rychlosti jízdy (vpřed/vzad)
--- optimálně by vozidlo mělo mít protisrážkový systém (proti kolizi z překážkou)
--- pozor na dobré napájení (nejlépe extra zdroj pro motory a extra pro elektroniku)
--- všechno důkladně odrušit (a otestovat)
--- vozidlo by mělo být "nepromokavé" (odolné proti dešti a blátu, včetně senzorů a elektroniky)

2. řídicí systém musí být schopen rozpoznávat cestu a směřovat k zadanému cíli
--- pro rozumnou základní navigaci je třeba kompas a odometrie (měření ujeté dráhy)
--- navigaci usnadňuje využití systému GPS
--- pro rozpoznávání cesty je nutno použít systém počítačového vidění (optimálně kamera a/nebo lidar, nouzově sonary nebo infračervené dálkoměry)
--- pro navigaci je vhodné mít v systému k dispozici solidní mapu sjízdných cest (např. z Open Street Map)

3. řídicí algoritmus musí být spolehlivý, přesný a pružný (reagující na změny)
--- nejprve určit trasu (definovat průjezdní body) a odvodit itinerář (odbočky)
--- čekat na určený startovní čas a teprve pak vozidlo rozjet (v RoboTour)
--- základní požadovaný směr jízdy určit pomocí mapy, kompasu, odometrie a GPS
--- směr jízdy průběžně upřesňovat podle detekce cesty (okrajů cesty)
--- vždy je třeba rychle a přesně reagovat na překážky (zastavení, změna směru) [překážky mohou být i pohyblivé (lidé, ostatní roboti)]
--- směřovat k nejbližšímu průjezdnímu bodu (a přitom hlídat překážky a okraje cesty)
--- po dosažení průjezdního bodu začít směřovat k následujícímu bodu trasy
--- na křižovatkách se orientovat i podle směru odbočení daného itinerářem (a přitom dávat pozor na okraj cesty)
--- je třeba rozpoznat problémy s dosažením průjezdního bodu a vhodně reagovat (přeplánovat další trasu)
--- u cíle (nebo v označeném kontrolním bodu) je třeba vyložit náklad (nebo zvukově oznámit nutnost ručního vyložení nákladu)

Poznámky:
- v Robotem rovně mohou být u cesty i stolky a židle, okraj cesty není zřetelný, na trase je řada křižovatek a "náměstíčko"
- v soutěži RoboOrienteering je třeba u kontrolního bodu hledat oranžový kužel (pro upřesnění pozice pro vyložení nákladu [uvolnění golfového míčku])
- v RoboTour je třeba zvládnout úvodní "tlačenici" (všichni roboti startují současně a nesmí se srazit, a ani při vzájemném vyhýbání vyjet z cesty)
- v RoboTour je třeba se po dosažení cíle (a vyložení nákladu) ještě navigovat zpět ke startu (a tam zastavit)
- všechno dohromady je třeba důkladně a dlouhodobě testovat v místnosti i venku za různého počasí (slunečno, zataženo, déšť, horko, zima)

Nevyřešené otázky:
- Jak získat vhodné vozidlo? [stavba, profi nákup, hobby nákup a úpravy]
- Z čeho poskládat řídicí systém? [IMU, enkodér, GPS, NB/kamera, smartphone/tablet]
- Jak dosáhnout vysoké přesnosti kompasu, odometrie, dálkoměrů a GPS? [Kálmán]
- Jak spolehlivě rozpoznávat cestu? [openCV, algoritmy?]
- Jak zařídit start až v předem definovaný čas? [měření a kontrola reálného času]
- Jak určit přesný (reálný) čas? [GPS, mobil, RTC]
- Jak připravit mapu sjízdných cest pro danou oblast? [z OSM, reprezentace?]
- Jak spolehlivě určit dosažení průjezdního bodu nebo cíle? [GPS, odo, vizuálně?]
- Jak spolehlivě a rychle reagovat na překážky? [dálkoměry, kamera, algoritmy?]
- Lze se nějak orientovat nebo synchronizovat podle význačných bodů v krajině?
- Kde se inspirovat a poučit, případně kde vzít hotová a ověřená řešení?

Moc děkuji za obsáhlý příspěvek!

V podstatě potvrzuje moje převážně teoretické myšlenky, což mne naplňuje optimismem

K otázce vhodného vozidla mohu řici tolik, že jsem nejdříve zkoušel přestavět velký RC model (konkrétně E-Savage). Byl to pekelný stroj a pokud jsem ho řídíl vysílačkou tak jsem si to užíval. Bohužel ale jen tak 15 minut, pak došla "šťáva". Přestavba se ukázala jako prakticky nemožná. V první řadě to celé bylo moc a moc rychlé. Nestíhal bych nic "počítat" a bylo prostě jasně znát, že tohle nepůjde. V neposlední řadě je celý model vymyšlený tak, že uveze tak akorát sebe. Což chápu, ale je to další důvod, proč tudy cesta nevede.
Pak jsem si pořídil MOB-03 z HobbyRobota. To už bylo jiný kafe. Předně se po domluvě nechá modifikovat. Já si třeba "vyprosil" rozšíření na 18 cm, protože jsem tenkrát chtěl palubní počítač realizovat prostřednictvím Mini-ITX (např. o Raspberry Pi tenkrát nikdo ani netušil). Dají se na něj dát jiná kola, použít motory s různým převodovým poměrem či doplnit nástavba nebo nárazníky. Rozhodně to něco uveze a jízda po asfaltu ani v trávě není problém.
Ovšem "Svatý grál" je teprve, zatím nedokončená, 4kolka opět z produkce HobbyRobota. Předně bude mít každé kolo natáčecí. Slibuji si od toho jednodušší počítání, protože osy natáčení jednotlivých kol tvoří vrcholy čtverce. Zároveň se mohou kola na levé straně podvozku naklápět oproti kolům na pravé straně. Od toho si slibuji lepší průchodnost terénem a lepší kontakt všech pojezdových kol s podkladem.
Jakmile to půjde vyfotit, tak se pochopitelně pochlubím Zatím se můžete podívat na moje první pokusy s MOB-03 před doplněním o nástavbu http://rxd.cz/doda. Nic zásadního to neumělo, ale pro testování to stačilo. A dovolím si i malou reklamu, právě MOB-03 budu prodávat, protože doma mám místo jen na jednoho většího robota, takže pokud máte někdo zájem...

Doufám, že zrovna diskuze na toto téma se tu trochu rozjede, protože bych se taky rád dozvěděl pár věcí. Hlavně tedy pokud je o navigaci a anti-srážkový systém.

... zájem o toto téma zjevně není moc velký...

Dejme robotikům čas na rozmyšlenou, i když - po pravdě řečeno - moc nadějí si nedělám... Ale pokud sem nenapíší rozumný příspěvek k věci ti kolegové, kteří úžeji spolupracují s Hobbyrobotem, může se jim snadno stát, že jim při příští návštěvě otrávím kafe!

K věci:
Mohu pomoci s mechanikou, díky kolegům jsem zásoben spoustou dílů z kancelářských strojů, ze kterých by bylo možno postavit i víc než jednoho robota. Ano DEXi, nejdřív 4kolka
Mohu zapůjčit nějaké senzory a pomoci s jejich vývojem, kalibrací a testováním a mohu k nim vyrobit manipulátory.

Ale musím vidět, že to všechno má nějaký smysl a že alespoň pár lidí se pokusí autonomní robotiku posunout o krok dál, protože jinak zůstanu zalezlej v dílně a budu vyrábět roboty na prodej, nebo pro své vlastní potěšení.

Ahoj,
zkusim také přihodit nějaké praktické zkušenosti a postřehy. Jako osnovu s dovolením použiji Alešův příspěvek.
Citace na úvod: "V létě jsem ale vyvíjel jen aplikaci a k otestování celé sestavy jsem se dostal až 3 dny před soutěží."
ANO! Přesně v tomto je podle mého názoru celý problém s aktuálním stavem outdoor soutěží v mobilní robotice. Všichni do jednoho máme spoustu různých aktivit (účast v pracovním procesu / podnikání, údržba domu, manželky / milenky, dětí...) a nikdo na hobby robotech systematicky nepracuje. Před soutěží je vždycky tvůrčí záchvat a předstartovní vypětí, které málokdy vede k výsledku, za který by se člověk nemusel stydět. No a pak se jede na soutěž, ze které náročnější diváci odjíždějí znechuceni ještě před koncem soutěže domů...

Koncepce, kterou jsem se řídil při konstrukci robota je v podstatě shodná s Alešovou zásadou č. 1:
- Outdoor robot nemůže být malý, protože by neměl dostatečnou průchodnost terénem
- Pohon musí mít dostatečnou výkonovou rezervu
- Konstrukce musí byt dostatečně mechanicky i klimaticky odolná
- Silová elektroinstalace musí být dostatečně výkonově dimenzovaná a mechanicky odolná
- Je potřeba nezanedbat odrušení celého systému (tlumivky, ferity...)
- Celý systém musí být dostatečně modulární a otevřený, protože požadavky na robota se v čase mění

Jako odpovědi na Alešovy "Nevyřešené otázky" použiji popis robota, i když si nejsem úplně jist, jestli to správně zapadá do tématu.
V každém případě popíšu pohnutky které mě vedly a zvýrazním chybná nebo sporná rozhodnutí.

- Čtyřkolové vozidlo, kola 16" z dětského jízdního kola - ispirace robotem Orpheus https://www.vutbr.cz/temata-vut-f18829/ ... nar-d35803
Dal jsem si práci a alespoň zhruba spočítal momenty na osách kol pro případ takového vozidla o hmotnosti 15 kg jedoucího rychlostí 0.5 m/s do svahu 45 stupňů.
Toto jsem bral jako nejhorší teoretický případ a podle tohoto výsledku vybral motory (viz níže).

- Rozměry přibližně:
délka 84 cm
šířka 48 cm
minimální výška 28 cm
maximální výška 75 cm (stožár na magnetomer)
světlost dna korby nad terénem 12 cm

- Hmotnost 23 kg

- Materiály:
svařovaný rám z hliníkového jeklu
frézovaná a soustružená mechanika pohonu dural / hliník
dno korby 1.5 mm nerezový plech (zbytečně těžké)
bočnice korby plast z radlice sněžného pluhu
Plastový stožár pro externí magnetometr z 50 mm opadového potrubí

- Pohon:
diferenciální řízení (ŠPATNĚ !!!)
dvojice kol spřažené ozubenými řemeny (špatně)
dva motory GMP 56-60107 z HobbyRobotu
regulátor MD22 opět z HobbyRobotu

- Napájení
6x 5.1 Ah článek LiPol (22.2 V) v leteckomodelářském (měkkém) provedení - nízká hmotnost, velký vybíjecí proud v případě potřeby, rozumné jízdní časy

- speciální HW preiferie
Pokladač glofových míčků, opět z odpadové trubky 50 mm a jednoho standardního serva

Poučení:
- Diferenciálně řízený podvozek se NEHODÍ pro outdoor robota, především kvůli velkému odporu při zatáčení v trávě.
- Ozubené řemeny v tomto případě občas přeskakují přes zuby i přes to, že jsou řádně napnuté.
- Tušil jsem to, ale stejně jsem si to musel vyzkoušet...
- Motory produkují poměrně silné magnetické pole, což si vyžádalo umístění magnetometru do věže mimo korbu.

Nicméně je tento hardware dostatečně schopný plnit funkce soutěžního outdoor robotického podvozku, což potvrzuje již třemi roky bezproblémového provozu (až na uvedené koncepční chyby, se kterými musím žít).

Řídící systém a mozek robota:

Zde jsem se inspiroval lidským mozkem, kde malý mozek řídí low-level funkce (orientace, rovnováha) a velký mozek zpracovává signály ze složitých senzorů (video) a plánuje chování celého systému.
Co se týká elektroniky, preferuji vlastní tvorbu (tedy ne že bych stavěl sonary nebo regulátory, které se dají koupit jako spotřebka).

Zkonstruoval jsem si proto řídící desku CortexPilot, kterou jsem stručně popsal zde
viewtopic.php?f=11&t=69&p=2876&hilit=cortexpilot#p2875

Ze zdrojů dostupných online jsem vyrozuměl, že provozovat kompas (magnetomer) bez kompenzace náklonu nemá smysl.
Součástí řídící desky je proto devítiosá AHRS jednotka MPU6050 + HMC5883L.
Jak bylo očekáváno, moje aktuální znalosti matematiky nestačily na vlastní implementaci fůze senzorů, kterou bych stihl dodělat v rozumném čase. Použil jsem proto volně dostupnou implementaci pana Madgwicka:
http://www.x-io.co.uk/open-source-imu-a ... lgorithms/
Doporučuji alespoň přečíst, je to hodně zajímavé.
Podařilo se mi dosáhnout 120 Hz refresh polohy - limitující je rychlost zvoleného magnetometru.

Tato jednotka tedy funguje jako malý mozek a zajišťuje následující funkce:
- orientace robota v prostoru (pitch, roll, yaw - odolnost proti převrácení, zřícení ze svahu a zaujímání nevhodých póz vůbec)
- GPS
- 6x servo nebo PWM výstup
- 6x RC vstup
- řízení reguátoru motorů
- měření napětí a proudu obou napájecích baterií
- zpracování dat ze sonarů (aktuálně z pěti)
- USB komunikace
- Bluetooth komunikace
- logování na uSD kartu
- RTC a další bižuterie

Napájení řídící jednotky je samozřejmě provedeno zvlášť tříčlánkem LiPol (11.1 V).

Firmware pouze heslovitě:
- Motory nemají enkodéry, což znemožňuje regulaci stroje na konstantní rychlost - ano, do kopce zpomaluje... Nicméně pohony jsou tak silné a dopomala, že se to téměř neprojevuje.
- Základní řízení je řešeno jízdou vpřed dle zadaného azimutu. Na azimut je robot regulován standardním PID regulátorem.
- Vyhýbání překážkám na nejnižší úrovni řeší sonary pomocí Virtual Force Field algoritmu
http://www-personal.umich.edu/~johannb/vff&vfh.htm
Výsledný vektor je ve formě azimutu předán řídícímu subsystému
- Pro navigační výpočty (jízda podle waypoint listu) používám poctivý letecký Great circle algoritmus, protže jednodušší výpočty mi nevyhovovaly přesností.
https://en.wikipedia.org/wiki/Great_circle

Pro funkce velkého mozku byla zvolena platforma Odroid U3 (bohužel už se nevyrábí, protože Samsung přestal produkovat čipy, ale existuje výkonnější náhrada)
http://www.hardkernel.com/main/products ... 8745696275

Propojení s CortexPilotem je realizováno přes USB (virtuální COM port).
K systému je připojena pouze webkamera namontovaná na jednoduché pan/tilt motáži (řízené z malého mozku).
Na Odroidu běží LUbuntu linux a pro zpracování videa se využívá knihovna OpenCV verze 2.4.

Podařilo se mi vcelku úspěšně realizovat segmentaci obrazu, i když jsou to v podstatě pouze upravené tutorialy z manuálu k OpenCV a vytvořit algoritmus, jehož výstupem je opět cílový azimut pro nižší úrovně řídícího systému.

Pro implementaci rozhodování robota jsem použil úplně primitivní subsumpční architekturu, která se zatím ukazuje naprosto dostačující.
Zkušenosti ukázaly, že řízení robota vybaveného AHRS jednotkou je poměrně snadné, spolehlivé a opakovatelné. V dnešní době, kdy jsou dostupné buď samostatné AHRS moduly nebo komplet open source autopiloty (Ardu pilot, Pixhawk a spol), bych to považoval za základní vybavení.

Nevím do jaké míry jsou předložené informace pro ostatní užitečné, ale snad to někoho inspiruje nebo nasměruje. Samozřejmě v případě zajmu není problém cokoliv doplnit.

Moc díky za další zkušenosti a popis konkrétního řešení. Pro mne je to rozhodně výborná inspirace a poučení. A navíc je to s odkazy na podrobnosti do internetu. Super.

Důkladnější zamyšlení nad těmi informacemi mi chvíli potrvá, ale už teď vidím, že kromě obecných "zásad", bude vhodné sepsat i konkrétní "dobrá a ověřená řešení" (tedy "best practices"). Až si to rozmyslím, napíšu sem další souhrnnější příspěvek.

Já také děkuji, mám se o víkendu čím pročítat

Pokud se nám podaří dát dohromady nějaká doporučení, uděláme z toho článek na RoboDoupě a konečně budeme moci něco podepsat "kolektiv autorů"