Кегельринг

Правила соревнования. Подготовка поля для проведения соревнований. 

Основные правила "Кегельринга" довольно просты: необходимо собрать и запрограммировать робота, который выталкивает кегли за пределы ринга. Кеглями, как правило, выступают жестяные банки емкостью 0,33 л, а роль ринга выполняет белое поле, ограниченное черной окружностью с шириной линии 50 мм. С одним из вариантов регламента проведения соревнования можете ознакомиться под спойлером ниже:

Итак: для проведения соревнования нам понадобится поле/  Вы можете скачать макет подходящего поля на странице "Макеты полей для тренировки и соревнований" нашего сайта, а затем распечатать его в цифровой типографии на баннерной ткани, либо изготовить поле самостоятельно, используя плакатную бумагу подходящего размера, большой циркуль, линейку и черную тушь.

Жестяные банки лучше всего обклеить по периметру самоклеящейся бумагой (нам понадобятся 2 - 4 банки белого цвета и столько же - черного).

Реквизит для урока готов!

Конструирование робота для конкретного вида соревнования.

На первоначальном этапе решения задачи давайте сделаем пару маленьких допущений: не будем обращать внимание на удовлетворение требования к размерам нашего робота, ограничимся поиском и выталкиванием всего одной кегли.

Наступает важный этап моделирования робота - перед нами стоят две взаимосвязанных задачи:

1. Разработка ключевого алгоритма поведения нашего робота;
2. Разработка механической конструкции робота, позволяющей реализовать требуемое поведение.

Рассмотрим следующую поведенческую модель:

1. Робот, находясь в центре поля, начинает вращаться по часовой стрелке, пока не заметит кеглю.
2. Двигаясь в направлении кегли, робот выталкивает её за пределы окружности.
3. Заметив черную границу поля, робот возвращается назад, в место старта.

Следовательно, наш робот должен:

1. уметь вращаться на месте вокруг своей оси;
2. уметь двигаться прямолинейно;
3. уметь обнаруживать предмет, удаленный на некоторое расстояние;
4. уметь обнаруживать границу поля.

Данные требования диктуют нам условия конструкции робота:

1. для реализации первых двух условий применим уже известную нам подвижную платформу, использующую два больших мотора и вращающуюся опору (робот-тележка);
2. для обнаружения кегли воспользуемся одним из имеющихся в наличии датчиков: инфракрасным или ультразвуковым;
3. границу поля нам поможет обнаружить датчик цвета.

Lego mindstorms EV3 Home

Lego mindstorms EV3 Education

Вы можете воспользоваться предложенной инструкцией или собрать собственного робота, отвечающего определенным нами требованиям к его конструкции. В процессе сборки конструкции не забудьте подключить моторы и датчики к модулю EV3: левый мотор  - к порту "B", правый мотор - к порту "C", ультразвуковой или инфракрасный датчик - к порту "2", датчик цвета - к порту "3".

После сборки робота приступим к созданию программы.

Создание программы для соревнования "Кегельринг".

Подробно пропишем последовательность действий нашего робота для обнаружения одной кегли на поле:

1. вращаться вокруг своей оси по часовой стрелке, пока впереди расположенный датчик не обнаружит кеглю;
2. остановиться напротив кегли;
3. двигаться вперед, пока датчик цвета не обнаружит черную границу поля;
4. остановиться;
5. двигаться назад в центр поля.

Приступим к реализации и отладке п. 1, 2 - научим нашего робота обнаруживать кеглю и останавливаться точно напротив. Сначала нам необходимо выбрать пороговое значение для обнаружения кегли напротив нашего робота. Для этого загрузим среду программирования, создадим новый проект - "lessons-2", новую программу в проекте назовем "lesson-11". Подключим робота к среде программирования, затем установим его точно в центр поля, поставим напротив робота кеглю.

На "Странице аппаратных средств", находящейся в правом нижнем углу среды программирования, выберем вкладку "Представление порта" (Рис. 1, 2 поз. 1) и снимем показание датчика, определяющего расстояние до кегли, установив соответствующий режим отображения показаний.

В нашем случае ультразвуковой датчик в режиме "Расстояние в сантиметрах" показывает значение - 25,9 (Рис. 1 поз. 2).

Рис. 1

Инфракрасный датчик в режиме "Приближение" показывает значение - 48 (Рис. 2 поз. 2)

Рис. 2

Теперь мы можем запрограммировать нахождение роботом кегли:

Ультразвуковой датчик

1. Для того, чтобы заставить робота вращаться вокруг своей оси, воспользуемся программным блоком "Независимое управление моторами" "Зеленой палитры", Режим работы блока установим "Включить", значение мощности для порта "B" установим равным 30, значение мощности для порта "C" установим равным -30 (Рис. 5 поз.1),
2. Для поиска кегли используем программный блок "Ожидание" "Оранжевой палитры" в режиме "Ультразвуковой датчик - Сравнение - Расстояние в сантиметрах". Для гарантированного нахождения увеличим пороговое значение срабатывания датчика до 35 (Рис. 5 поз. 2)
3. После того, как робот окажется напротив кегли, используя программный блок "Независимое управление моторами" "Зеленой палитры" выключим моторы (Рис. 5 поз. 3).

Рис. 5

Инфракрасный датчик

1. Для того, чтобы заставить робота вращаться вокруг своей оси, воспользуемся программным блоком "Независимое управление моторами" "Зеленой палитры", Режим работы блока установим "Включить", значение мощности для порта "B" установим равным 30, значение мощности для порта "C" установим равным -30 (Рис. 6 поз.1),
2. Для поиска кегли воспользуемся программным блоком "Ожидание" "Оранжевой палитры" в режиме "Инфракрасный датчик - Сравнение - Приближение". Для гарантированного нахождения увеличим пороговое значение срабатывания датчика до 55 (Рис. 6 поз. 2)
3. После того, как робот окажется напротив кегли, используя программный блок "Независимое управление моторами" "Зеленой палитры" выключим моторы (Рис. 6 поз. 3).

Рис. 6

Загрузим получившуюся программу в робота и запустим её на выполнение. Раз за разом, выполняя программу, мы можем заметить, что наш робот останавливается не совсем точно напротив банки. Связано это с тем, что датчик может обнаруживать предмет не только строго напротив себя, а и на некотором отклонении от направления взгляда датчика. В этом случае можно, либо после остановки робота немного довернуть его на необходимый угол, используя дополнительный блок "Независимое управление моторами", либо постепенно увеличивать скорость вращения, подбирая параметр мощность (Рис. 5, 6 поз. 1), пока робот не станет останавливаться точно напротив кегли. Например, нам потребовалось увеличить мощность до 50 единиц для робота, собранного из образовательной версии набора, и до 40 единиц для робота, собранного из домашней версии набора.

Переходим к реализации п. 3, 4 нашей последовательности действий.

Установим робота таким образом, чтобы датчик цвета находился точно над черной границей поля и измерим его значение в режиме "Яркость отраженного света" любым удобным вам способом, рассмотренным выше. В нашем случае получилось значение, равное 7. В качестве порогового значение примем число 10. 

Добавим к нашей программе обнаружения кегли следующие программные блоки:

1. Для того, чтобы заставить робота двигаться прямолинейно, воспользуемся программным блоком "Рулевое управление" "Зеленой палитры". Режим работы блока установим "Включить", параметр "Рулевое управление " = 0, параметр "Мощность" = 50. (Рис. 7 поз. 1)
2. Для поиска датчиком цвета черной границы воспользуемся программным блоком "Ожидание" "Оранжевой палитры" в режиме "Датчик цвета - Сравнение - Яркость отраженного сигнала", параметр "Тип сравнения" = 4, параметр "Пороговое значение" = 10. (Рис. 7 поз. 2)
3. После того, как робот пересечет черную линию, используя программный блок "Рулевое управление""Зеленой палитры" выключим моторы (Рис. 7 поз. 3).

Рис. 7

Наш робот научился успешно находить и выталкивать кеглю, но текущая конструкция  не позволяет  роботу уверено её фиксировать при транспортировке за пределы поля. Давайте немного доработаем конструкцию робота, прикрепив к нему клешни, которые увеличат ширину захвата и позволят прочно удерживать кеглю. На переднем бампере робота слева и справа закрепите детали, как показано на рисунках ниже:

Lego mindstorms EV3 Home

Lego mindstorms EV3 Education

 Теперь наш робот просто отлично справляется со своей работой! Осталось только научить его возвращаться в центр круга...

"Страница аппаратных средств" среды программирования позволяет нам наблюдать не только текущие показания датчиков, но и накопленные показания датчика вращения мотора (Рис. 8 поз. 1). Нажав, на значок мотора, мы можем установить предпочтительный нам вывод информации о вращении мотора в "Оборотах" или "Градусах" (Рис. 8 поз. 2).

Рис. 8

Программный блок "Вращение мотора" "Желтой палитры" позволяет получать и обрабатывать это значение в программе. Режим "Сброс" программного блока "Вращение мотора" устанавливает нулевое значение датчика и отсчет оборотов начинается сначала. (Рис. 9)

Рис. 9

Воспользуемся этой возможностью: если мы сбросим показание одного из датчиков моторов в 0 (в данном случае можно обнулить значение любого из моторов "B" и "C", ведь робот поедет прямо, а значит оба колеса провернутся на одинаковое значение), то после остановки робота над черной линией, можно будет получить значение датчика в "Градусах" или "Оборотах" и, подав его на вход соответствующего параметра блока "Рулевое управление", заставить робота проехать точно такое же расстояние. А для того, чтобы робот двигался назад, необходимо изменить значение параметра "Мощность" на отрицательное значение.

Внесем необходимые изменения в нашу программу:

1. Перед началом движения вперед сбросим в 0 показания датчика вращения мотора, подключенного к порту "B" (Рис. 10 поз. 1).
2. После остановки на черной границе поля считаем расстояние, пройденное мотором "B" в градусах (Рис. 10 поз. 1).
3. Полученное значение подадим в параметр "Градусы" программного блока "Рулевое управление", значение параметра "Мощность" = -50 (Рис. 10 поз. 1)!

Рис. 10

Загрузим получившуюся программу в робота и убедимся, что робот нашел кеглю, вытолкал её за пределы поля и вернулся в центр поля!

Для того, чтобы заставить нашего робота выталкивать требуемое количество кеглей, все наши программные блоки поместим внутрь программного блока "Цикл" "Оранжевой палитры". Режим программного блока "Цикл" установим в значение "Подсчет", параметр "Подсчет" установим равным количеству кеглей (Рис. 11, 12 поз. 1) Для удобства отображения на экране нам пришлось оформить программу в две строки - вы же вполне можете сложить её в одну строку. 

Рис. 11

Рис. 12

Программа готова!

Соревнование "Кегельринг" с дополнительм условием

На сайте myROBOT.ru опубликованы еще два регламента проведения соревнования "Кегельринг": "Кегельринг-КВАДРО" и "Кегельринг-МАКРО". Основное условие - необходимо выталкивать за пределы поля белые кегли, оставляя на месте черные. 

Как научить робота на расстоянии определять цвет кегли? Можно впереди, по ходу движения робота расположить еще один датчик цвета и, приблизившись к кегле на расстояние 1 - 2 см, определить её цвет, теряя при этом драгоценное время, отведенное на выполнение задания. Проведем эксперимент: установим робота с инфракрасным датчиком в центр поля, напротив поместим белую кеглю и зафиксируем показания датчика. В нашем случае это значение равно 49. Теперь напротив робота установим черную кеглю - показание датчика изменилось и теперь, не смотря на одинаковое расстояние, составляет 64. Следовательно, для успешного обнаружения белых кеглей и игнорирования черных, необходимо выбрать в качестве порогового - значение, находящееся между этими числами. Число 55 полностью удовлетворяет этому условию. Нам даже не придется переделывать основной алгоритм программы! Попробуйте и убедитесь в этом сами!

К сожалению, решить данную задачу с использованием только ультразвукового датчика, не представляется возможным...

Заключение:

При решении практической задачи робототехники успех приходит только при многократном тестировании робота. В процессе тестирования возможно возникновение ситуации, когда вам потребуется вносить изменения не только в программу, но и конструкцию робота. Не бойтесь экспериментировать, не бойтесь ошибаться. Вдумчивый анализ ошибок обязательно принесет вам положительный результат! Удачи!