27 March 2006

In mei 2005 richtten de universiteiten van Delft en Eindhoven het Tech United-robotvoetbalploeg op. Het team gaat meespelen in de middle size-league van de Robocup, waar de robots het zonder hulp vanaf de zijlijn moeten stellen. Het doel bij de oprichting van Tech United was ambitieus: deelnemen aan de wereldkampioenschappen van 2006, en meedoen om te winnen. Deel 2 in de serie over robotvoetbal.

Het lustrumjaar van de TU Eindhoven was een goede aanleiding om de sluimerende wens deel te nemen aan robotvoetbal waar te maken. Ook de oprichting van Roboludens speelde hierbij een rol. Roboludens, oftwewel ’de spelende robot‘, is een jaarlijks terugkerend festival dat het robotonderzoek in de regio Eindhoven op de kaart wil zetten. Op de TU Delft begonnen de robots van het Clockwork Orange-team ondertussen hun ouderdom te tonen en werd de roep om een nieuwe impuls aan het robotvoetbal sterker. De twee TU‘s hadden elkaar dus snel gevonden en Tech United was geboren. De thuisbasis is Eindhoven. ’Elke woensdagavond is de ruimte open en zitten mensen in hun eigen tijd tot laat te klussen‘, vertelt Jac Goorden, projectleider van Tech United. ’Een van de belangrijkste kenmerken van het project is dat iedereen het leuk vindt om mee te doen.‘

Tech_united_robot
De robots van Tech United rijden op drie omniwielen. Deze kunnen zowel zijwaarts als voor- en achteruit draaien. Daardoor kan het apparaat in elke gewenste richting rijden en draaien. De wielen zijn standaard componenten, maar het team heeft zelf de ophanging en het platform ontworpen, genaamd Turtle (Tech United Robocop Team – Limited Edition). Op de foto is het eerste prototype te zien.

Het team speelt mee in de middle size-league van het Robocup-toernooi. Deze stelt zich tot doel om in 2050 van de menselijke wereldkampioen voetbal te kunnen winnen. Nu spelen teams van vier robots op een veld van acht bij twaalf meter. De robots zelf zijn maximaal 50 bij 50 centimeter en 80 centimeter hoog. Ze mogen draadloos met elkaar communiceren maar krijgen geen hulp vanaf de zijlijn. Dit in tegenstelling tot de small size-league waar een centrale computer de robots juist aanstuurt. Daarom zijn de robots in de middle size-competitie uitgerust met geavanceerde sensoren en kunstmatige intelligentie.

Tech United bouwt voor een deel voort op de ervaring met robotvoetbal van de TU Delft. Deze deed sinds 1999 samen met de Universiteit van Amsterdam mee. ’We hebben de code voor de strategiemodule van Clockwork Orange gepoort naar de nieuwe robots‘, vertelt Goorden. ’En een aantal overige systemen baseren we op de principes van de oude robots.‘

In het team komen verschillende disciplines samen. ’Eigenlijk past zo‘n project niet goed in de structuur van de universiteit‘, aldus Goorden. In Eindhoven doen de faculteiten Elektrotechniek, Werktuigbouwkunde en Wiskunde en Informatica mee. Vanuit Delft zijn de beeldverwerkingsgroep van Technische Natuurwetenschappen en Industrieel Ontwerp erbij betrokken. Daarnaast werken er mensen van andere faculteiten op individuele basis mee. Van de dertig betrokkenen is ongeveer de helft student, variërend van bachelor tot promovendus. De andere helft bestaat uit technische en wetenschappelijke medewerkers. ’Van hoogleraar tot draaibankmedewerker‘, zegt Goorden. ’De meeste mensen komen uit de mechatronicahoek.‘

Proto2

Een gedeelte van de robotonderdelen heeft Tech United zelf ontworpen, andere zijn standaard componenten. De motoren komen van Maxon, een van de sponsors. De robots halen daarmee een snelheid van 2 m/s en versnellen met maximaal 2,5m/s2. Het data-acquisitiesysteem is binnen de TUE ontwikkeld en wordt ook voor andere projecten gebruikt. De nauwkeurigheid van de standaard optische muizen verbeterde het team met eigen electronica en software.

Ook het balbeheersingsmechanisme is binnen het project ontwikkeld. Een robot mag de bal niet vastklemmen of afschermen van de tegenstander, wat het lastig maakt om deze mee te nemen. Tech United pakt dit aan met twee rubberen bandjes die tegen de rijrichting in draaien. Daardoor kleeft de bal als het ware aan de robot. Dit werkt nog niet helemaal zoals het zou moeten omdat het een zeer nauwkeurige aansturing vereist.

Om de bal te schoppen gebruiken de meeste teams een mechanisme op basis van perslucht. Ook Tech United heeft hier in eerste instantie voor gekozen. Het nadeel is dat de kracht moeilijk te reguleren is en daarom schoppen de robots altijd met maximaal vermogen. Een ander ontwerp waar Tech United mee bezig is, werkt via een elektrische spoel. Daarmee is de schopkracht beter te reguleren. Nadeel hiervan is dat een hoog voltage in de robot vereist is.

Op het nippertje

Het brein van elke robot is een laptop met realtime Linux als besturingssysteem. De basisprogrammatuur is geschreven in C en C++ en de besturing loopt voor een groot deel via een realtime Matlab-omgeving. ’Daarmee kunnen we heel snel de regelingen aanpassen en testen‘, aldus Goorden. De software bestaat uit een aantal blokken op drie verschillende lagen. De onderste laag bevat modules die de sensoren en actuatoren aansturen. In de middelste laag zijn de taakuitvoering, het wereldmodel en de draadloze communicatie vertegenwoordigd. De bovenste laag ten slotte is de strategieplanner.

Bij de oprichting in mei vorig jaar stelde het team zichzelf als doel om in juni 2006 op niveau mee te doen met de wereldkampioenschappen in Bremen. Begin april speelt Tech United zijn eerste wedstrijd op de Dutch Open tijdens het Roboludens-festival. Goorden: ’We hebben er alle vertrouwen in dat we in april op het nippertje een goed team zullen hebben, maar we zullen niet de sterren van de hemel spelen. We hebben altijd gezegd dat april eigenlijk te vroeg is, maar het is goed om zo‘n streefdatum te hebben.‘

Tech United begon met het bouwen van een prototype waar de ideeën in zaten die de leden wilden uitproberen. Daaruit maakten ze een selectie en in februari bouwden ze een tweede prototype. In essentie is dit de robot waarmee het team in juni uitkomt. Er moet nog wel veel aan worden gesleuteld. ’We kunnen bijvoorbeeld de motoren nog niet op volle sterkte aansturen, omdat de juiste versterkers nog niet zijn ingebouwd. Maar het algoritme klopt, de praktische dingen moeten we alleen nog invullen‘, aldus Goorden. Dit geldt nog niet voor alle onderdelen van de software, met name de hogere modules. De onderlaag is al wel grotendeels af. ’Daar doen we zeker op niveau mee‘, aldus Goorden. In de toekomst wil het team naar zelflerende robots, maar eerst moeten ze de strategiemodule optimaliseren voor de nieuwe apparaten.

Tech_united_omnivisiecamera

Tech United heeft een omnivisiecamera boven op elke robot. Een camera recht onder een bolle spiegel overziet hierbij het spel. Naar de randen toe wordt het beeld in elkaar gedrukt en is de plaatsbepaling minder nauwkeurig. De robots kunnen de bal hiermee tot zeven meter volgen. In de toekomst zal de organisatie dit type camera waarschijnlijk ontmoedigen omdat dit niet in de geest is van echt voetbal. De TU Delft werkt al aan een stereocamera voor Tech United.

Optische muis

Zoals de meeste teams gebruikt Tech United een omnivisiecamera om het spel in kaart te brengen. Een bolle spiegel boven op de robot geeft elke machine een overzicht over het hele veld. Door middel van specifieke kleuren herkennen de robots alle spelelementen en via hun WLAN-link wisselen ze hun wereldbeeld met elkaar uit. Er liggen plannen op tafel om de omnivisiecamera te vervangen door een stereocamera voor op de robots. Bij de TU Delft staat al een prototype klaar. Jac Goorden: ’Omnivisie is eigenlijk in strijd met de geest van het voetbal. Een menselijke voetballer heeft dat ook niet. Er komt een moment dat omnivisiecamera‘s verboden worden of dat ze zo slecht gaan werken dat ze geen zin meer hebben. De organisatie maakt het veld namelijk elk jaar wat groter. Met onze huidige camera kunnen we de bal nog tot een meter of zeven zien.‘

Tech_United_schema
Elke robot heeft een laptop met realtime Linux aan boord. ‘Op de universiteit hebben we onze eigen Knoppix-distributie met de RTAI-patch. Die gebruiken we ook voor andere realtimeprojecten die studenten uitvoeren’, vertelt projectleider Jac Goorden. Het softwaremodel van Tech United bestaat uit drie lagen met verschillende blokken. De onderste laag is verantwoordelijk voor het uitlezen van de sensoren en de aansturing van de actuatoren. De middelste laag neemt het wereldbeeld en de communicatie met andere robots voor zijn rekening en plant de directe actie. De bovenste laag bepaalt de strategie.

Naast de grove plaatsbepaling door middel van beeld bezitten de robots sensoren om hun positie nauwkeurig te bepalen. Encoders aan de motoren geven feedback over de rijrichting en -snelheid. Om de onnauwkeurigheid door het slippen van de wielen te overbruggen, zijn er optische muizen onder de robots geplaatst. Daarnaast experimenteert het team met bumpers, geluidssensoren en sonar. ’De sonar komt van Clockwork Orange. Van hen hebben we ook geleerd dat een kompas geen zin heeft, omdat dat te onnauwkeurig is‘, aldus Goorden. Ook speelt Tech United met een lasersensor die een natuurkundestudent ontwikkelt. Deze geeft een nauwkeurig beeld van 180 graden, maar is zwaar en kostbaar. Een optie is om de laser alleen op de keeperrobot te monteren. Deze heeft de meest geijkte positie en kan van achterin het hele veld overzien. Goorden: ’Ik verwacht dat de laser er bij de wedstrijden in april wel op zal zitten, maar de andere experimentele sensoren niet.‘

De kracht van het team is volgens Goorden de integrale aanpak. ’Wij benaderen het echt als een ontwerpproject en brengen alle aspecten in balans. Daarbij moet je denken aan beeldverwerking, mechatronica, software, enzovoorts. Vaak specialiseren teams zich op één onderdeel. Dan krijg je bijvoorbeeld een robot met een hele snelle camera die vanwege zwakke motoren toch maar langzaam kan reageren.‘ De aanpak betekent veel overleg voeren en informatie uitwisselen. Volgens Goorden is dat een lastige manier van werken omdat iedereen vanuit zijn eigen expertise denkt. Toch zit de industrie hier wel op te wachten. ’Multidisciplinair ontwerp heb je nodig om wafersteppers te maken en dat kan je goed leren met voetballende robots.‘