Icon up Overzicht

Technisch voetballen, hoe werkt dat?

Onderwerp: Arbeid en energie, Biofysica (vwo), Elektrische stroom, Kracht en beweging, Kracht in evenwichtssituaties, Licht, Menselijk lichaam (havo), Optica (licht en lenzen) (havo), Rechtlijnige beweging, Signaalverwerking, Werktuigbouw

Door mensen gemaakte apparaten die tot doel hebben: voetballen! Geen zwetende lichamen, maar creaties die zijn samengesteld uit microprocessoren, besturingsmotoren, camera's, software en hardware. Geen Robot Wars waar de mens de vechtmachines bestuurt. Nee, deze voetballende robots moeten zelfstandig in teamverband proberen om meer doelpunten te maken dan hun tegenstander. In dit artikel lees je meer over deze wonderlijke technische wereld.

Lees voor meer informatie over de mensen achter het Nederlandse Robocup Team Technische Voetballers, mag ik aan u voorstellen?

Mid-size League

Het Philips RoboCup Team speelt in de Mid-size League. Er wordt gespeeld op een veld van 10 bij 5 meter. De robots mogen niet groter dan 50 bij 50 bij 80 cm zijn. Ieder team mag maximaal vier robots tegelijkertijd op het veld hebben. Het is niet toegestaan om oneerlijk te spelen, slimmer spelen mag natuurlijk wel. De robots mogen geen informatie van buiten het veld ontvangen. Ze moeten zelf de apparatuur (die gegevens verzamelt en verwerkt) bij zich aan boord hebben. Dus er mogen ook geen GPS of bakens buiten het veld worden gebruikt om zich te oriënteren. Om het probleem te vereenvoudigen zijn een aantal voorzieningen aangebracht. Er is een blauw en een geel doel, de ondergrond is groen, de lijnen zijn wit en de robots moeten voor het grootste deel zwart zijn. De robots dragen een shirt (strook in lichtblauw of paars) met hierop een nummer.

Opbouw

De Philipsrobot is in twee lagen opgebouwd. De onderste laag bestaat hoofdzakelijk uit de ruimte voor de accu's en de onderdelen om te rijden en te schieten. De bovenste laag bevat voornamelijk de benodigde elektronica en de rekencapaciteit (PC) die samen het intelligente deel vormen.

De onderste laag

  • De wielen.

Figuur 2. Wielunit.

Een robot heeft vier wielunits. Een wielunit bestaat uit twee motoren. Een kleine motor die via een riem het wiel kan sturen (links en rechtsom) en een grotere krachtige motor die het wiel aandrijft (voor en achteruit). Deze wielunits maken het bijvoorbeeld mogelijk dat de robot een draai om de bal kan maken. Waarom vierwielaandrijving en vierwielbesturing in plaats van tweewielaandrijving of driewielaandrijving? Tweewielaandrijving is simpel aan te sturen, maar beperkt de wendbaarheid. Een dergelijke robot kan niet dwars bewegen. Driewielaandrijving heeft die beperking niet, maar kan omvallen als je hard door de bocht wilt gaan. Vierwielaandrijving en -sturing heeft bovendien meer tractie dan twee- of driewielaandrijving zonder sturing. Tractie is de hoeveelheid kracht, die de wielen op de ondergrond kunnen uitoefenen zonder te slippen. Hoe meer tractie, hoe sneller de robot kan optrekken en remmen. Dus hebben we gekozen voor vierwielaandrijving met veel tractie, geen beperkingen op wendbaarheid en de mogelijkheid om een groot en zwaar schopmechanisme te vervoeren. Helaas is er ook een nadeel: er zijn acht motoren nodig die samen een gecoördineerde beweging moeten uitvoeren. Dit maakt de aansturing behoorlijk complex.

  • De accu.

Figuur 3. In de onderste laag zijn twee accupacks geplaatst

Nikkelcadmiumbatterijen worden gebruikt vanwege hun hoge energiedichtheid en de mogelijkheid om hoge piekstromen te leveren. Een alternatieve optie is een verbrandingsmotorsysteem. Deze heeft een hogere energiedichtheid (vermogen/kg), maar is lastiger in te bouwen en er zijn meer veiligheidsrisico's aan verbonden.

  • Het schopmechanisme.

Figuur 4. Zeer prominent aanwezig op de onderste laag is het schopmechanisme.

Wil je meer weten over de ontwikkeling van het schopmechanisme? Lees dan ook: Hoe schiet je zo hard mogelijk? Een model.

De meeste tegenstanders gebruiken een met perslucht aangestuurde uitklappende flipper. Hiermee bereikt de bal vaak een snelheid van 1 á 1.5 m/s. Het schopmechanisme van het Philips RoboCup Team lijkt qua principe op een lanceermechanisme van een flipperkast. Om enige zekerheid te verkrijgen of het gekozen principe zou voldoen, is er een model van het schietmechanisme in een simulator gemaakt. Met behulp van dit model kon onder andere worden vastgesteld wat het ideale raakvlak moet zijn. Daarnaast kon met het model eenvoudig de invloed van een krachtige of minder krachtige veer worden bepaald.

Met eenvoudige formules is uit te rekenen wat de snelheid is die de bal krijgt, nadat deze vol door het schopmechanisme wordt geraakt. Natuurlijk is het ontwerp zo gemaakt dat de meeste schopenergie omgezet wordt in de kinetische energie van de bal. In de praktijk blijkt dat de robot de bal met een snelheid van 5 m/s wegschiet. De reactiekrachten die dit harde schot genereert, moet door de robot worden opgevangen. De robot moet dus stevig op zijn wielen staan, genoeg massa hebben en voldoende sterkte hebben.

Er is ook een filmpje gemaakt waarop het effect van het mechanisme op de bal goed is te zien.

Figuur 5. De bal wordt weggeschopt. Dit filmpje is gemaakt met een hoge snelheidscamera.

Door het plaatsen van de zwaarste onderdelen op de bodem, zoals de batterijen, versterkers en het schopmechanisme, is het zwaartepunt bewust laag gehouden. Het ligt ongeveer op de hoogte van het aangrijpingspunt van het schietmechanisme, waardoor de robot bijna niet kantelt bij een schot. (Tevens kan de robot hierdoor hard door de bocht.)

De bovenste laag

  • De camera

Figuur 6. Zeer herkenbaar op de bovenste laag is een camera. De camera is het oog van de voetballer.

Deze camera is aangesloten op een FUGA beeldverwerkingkaart gebaseerd op een Philips TriMedia processor. Deze kaart digitaliseert het camerasignaal en verwerkt vervolgens de plaatjes. Op basis van kleur onderscheidt de FUGA de diverse objecten en op basis van vorm en positie worden eventuele valse herkenningen verwijderd. De PC die ook op de robot zit, ontvangt alleen de relevante informatie in de vorm van een bal op 2 meter vooruit en 75 cm naar links. Onder bij de camera zit een ronddraaiend wieltje dat de bal naar de robot toetrekt zodra de bal voldoende dichtbij is.

  • De oren

Figuur 7. Ze zijn moeilijk zichtbaar maar een beetje voetballer heeft ook oren.

Op de hoeken van de robot zitten ultrasoon sensoren. De speciale speakers zenden piepjes van 40 kHz uit. De weerkaatsing van dit geluid tegen objecten in de buurt van de robot wordt door sensoren opgevangen. Verder bevindt zich op de bovenste laag nog een voeding, zekeringen en een eenvoudige PLC (Programmable Logic Controller). De PLC wordt gebruikt voor diagnose-informatie en powermanagement. Daarnaast is er een draadloos netwerkstation voor de communicatie met andere robots en het ontvangen van opdrachten van de zijkant (start en stop).

De besturing

Door het combineren van gegevens uit de aanwezige sensoren wordt afgeleide informatie gegenereerd. Door het slim combineren van de afgelegde route, de posities van de doelen en de lijnen (via de lijndetectie sensoren) waarover een robot rijdt, kan de positie in het veld worden geschat.

De camera kijkt alleen recht vooruit. Nadat een robot voorbij een tegenspeler is gereden, wordt deze niet meer gezien. Het onthouden van oude waarnemingen is daarom zinvol.

Als de bal achter een robot verdwijnt, kan toch worden geschat waar die bal zou moeten zijn door met de laatst waargenomen plaats en snelheid te gaan rekenen.

Figuur 8. De robot gebruikt een krachtenveld om de bewegingsrichting en gewenste snelheid uit te rekenen.

Om de robot naar zijn gewenste positie te laten gaan, wordt gebruik gemaakt van zogenaamde Potentiaalveldnavigatie. De robot gebruikt een krachtenveld om de bewegingsrichting en gewenste snelheid uit te rekenen. De gewenste positie (balpositie bijvoorbeeld) heeft hierbij een aantrekkende kracht. Obstakels zoals andere spelers hebben juist een afstotende kracht. De robot kan via dit krachtenveld om andere robots heen rijden naar de gewenste bestemming.

Als de wielen niet zuiver worden aangestuurd, gaan er wielen slippen. Dit levert niet alleen slijtage op, maar het kost ook stroom en het zorgt ervoor dat de robot minder zuiver op zijn koers blijft. In ernstige gevallen kan hij zelfs de weg krijt raken en moet hij eerst om zich heen gaan kijken voordat hij weer verder kan gaan. Dat is natuurlijk zonde van de tijd in een wedstrijdsituatie. Maar je ziet bij veel teams gebeuren dat ze de weg kwijt raken. Soms lijdt dat tot zeer vermakelijke situaties. Tijdens een belangrijke finale schoot een team een keer in eigen doel, omdat hij niet meer wist wat de goede richting was.

Figuur 9. De keeper

Toepassingen

Wat is nu het achterliggende doel van RoboCup? Via het "eenvoudige" spelletje voetbal slimme robots ontwikkelen die zelfstandig of in samenwerking met mensen of andere robots een taak kunnen volbrengen. In de toekomst zullen deze robots de maatschappij helpen op verschillende vlakken. Ze kunnen worden ingezet op gevaarlijke of moeilijk bereikbare plaatsen: een missie naar een verre planeet of het redden van mensen na een natuurramp. Natuurlijk zijn er meer toepassingen voor slimme robots te verzinnen en die zullen er in de komende jaren ook nog zeker bij komen. Het jaar 2050 ligt (nu) nog ver in de toekomst.