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1. a Curva stretta b Curva intermedia Figura 5 14 Tipi di curva causerebbe un eccessivo avvicinamento al bordo il che richiederebbe poi una brusca sterzata mentre uno pi basso lo farebbe girare troppo presto rispetto alla posizione della curva In tale situazione il goal viene posizionato sulla prima colonna in caso di curva a sinistra o sull ultima in caso di curva a destra e spostato verso il basso partendo dalla prima riga in alto in cui presente area libera proporzionalmente al numero di righe fuori pista rilevate Il secondo caso che pu presentarsi costituito dalla presenza di una curva vicina ma per cui la situazione non ancora estrema come la precedente Ci individuato da un numero di righe esterne alla pista comprese tra 2 e 5 Quando tale condizione si verifica il goal viene posizionato inizialmente nel centro dell area libera pi stretta visibile nell immagine trovata controllando tutte le righe e spostato a sinistra o destra a seconda del tipo di curva in modo proporzionale al numero di righe fuori dal tracciato visibili Tale situazione osservabile in Figura In tutti i casi rimanenti cio rettilinei e curve dolci o ancora lontane abbiamo adottato un metodo basato su considerazioni geometriche per stabilire il goal viene costruito un triangolo in cui due vertici sono costituiti dal centro della prima e dell ultima ROI libere nella riga pi bassa avente elementi liberi mentre il t
2. Cortex A9 Cortex A9 32KB 1 D Cache NEON Cortex A9 32KB I D Cache NEON ES USB 2 0 HSIC 0 Figura A 1 Schema a blocchi Odroid 1 7GHz Exynos4412 Prime Cortex A9 Quad core processor CPU with PoP Package on Package 2Gbyte LPDDR2 880Mega Data Rate PMIC MAX77686 Power Management IC from MAXIM HSIC USB 2 0 hub USB3503A Integrated USB 2 0 compatible hub HSIC upstream port from SMSC Ethernet LAN9730HSIC USB 2 0 to 10 100 Ethernet controller with HP Auto MDIX from SMSC Audio Codec MAX98090 is a full featured and high performance audio CODEC from MAXIM Protection IC BQ243810ver voltage Over current protection IC from TI USB load switch R5524N Protection IC for USB power supply from RICOH HDMI conditioner IP4791CZ12 HDMI transmitter interface protector with level shifter from NXP HDMI connector Standard Micro HDMI supports up to 1920 x 1080 resolution I O port USB Host x 2 Device x 1 Ethernet RJ 45 Headphone Jack Storage slot Micro SD slot eMMC module connector Microphone DMO B125T26 6P Digital MEMS Microphone Omni Directinal from BSE DC input 5V 2A input Plug specification is inner diameter 0 8mm and outer diameter 2 5mm 96 Tabella A 1 Caratteristiche tecniche Odroid A 3 Configurazione CPU 700 MHz ARM11 ARM1176JZF S core GPU Broadcom VideoCore IV OpenGL ES 2
3. Dai test effettuati emerso come il risultato ottenuto sia un gioco emozio 89 8 Conclusioni nante e in grado di rapire l attenzione pur mantenendo un livello di complessit minimo sia per quanto riguarda il regolamento sia le abilit necessarie per uti lizzarlo Senza dubbio esso pu essere ancora migliorato ad esempio rendendo la traiettoria del kart autonomo il pi possibile simile a quella del giocatore umano in modo da affrontare alcune situazioni in modo pi intelligente Altre problematiche che affliggono i sistemi di visione come l elevata dipendenza dai cambiamenti della luce la sfocatura dovuta al movimento e il ristretto campo visivo non sono invece del tutto risolvibili Miglioramenti possono comunque essere ottenuti sostituendo la camera con una che abbia una qualit migliore aggiungendone un altra per aumentare l ampiezza della porzione di traccia to inquadrata e illuminando la pista in modo uniforme cos che non risulti soggetta a variazioni problematiche della luminosit Tutte le decisioni prese nella realizzazione di KartBot sono state pensate per fornire la massima flessibilit e permettere una possibile espansione futura Esso potrebbe ad esempio essere esteso ad un numero maggiore di kart fino ad un massimo di quattro Va notato che buona parte delle funzionalit sono gi state implementate in modo da non essere vincolate alla presenza di due soli concorrenti Inoltre fornire a tutti i k
4. Command Polimi MKB_app command SF END_RACE String amp Command manage Object lt lt Java Class gt gt Login Polimi MKB_app command o user String a autonomousinstance boolean Y lt lt Java Class gt gt LapCompleted Login String boolean Polimi MKB_app command e manage Object lt lt Java Class gt gt LapCompleted Overtaking lt lt Java Class gt gt manage Object Polimi MKB_app command WeaponUsed o player String Polimi MKB_app command a player String a invisible_opponent boolean gt Overtaking String String WeaponUsed String Weapon OWesponTaken manage Object manage Object Polimi MKB_app command o player String weapon 0 1 amp WeaponTaken String Weapon manage Object lt lt Java Enumeration gt gt weapon Polimi MKB_app command SF IMMUNITY Weapon SO LIKE_A_SHOT Weapon Sof THUNDER Weapon Sof VIBRATION Weapon SF STOP Weapon Sof UNDEFINED Weapon Figura C 2 Diagramma delle classi command 106 Figura C 3 Diagramma delle classi data structure 107 C Documentazione del software J9ua si Huwea s roe Tal Figura C 4 Diagramma delle classi MKB _ app 108 Appendice D Manuale d uso KartBot permette di essere utilizzato in diverse configurazioni due giocato ri che gareggiano tra loro comandando due ka
5. Figura 2 7 Mario Kart Wii visione artificiale la meccanica e l elettronica Per permettere ad un veicolo di muoversi da solo occorre raccogliere un certo numero di informazioni pro venienti da sensori di diverso tipo da quelli visivi che servono a riconoscere forme colori oggetti e scene a quelli di prossimit che servono a rilevare la presenza di ostacoli nelle vicinanze sia fissi che in movimento L unione di tali informazioni poi utilizzata per prendere decisioni sulla direzione e la velocit a cui il veicolo deve muoversi Lo studio dei veicoli autonomi oltre ad avere scopi commerciali costitui sce un ambito di ricerca in varie universit del mondo In alcuni casi essa finalizzata alla partecipazione ad una delle numerose robot racing esistenti competizioni che si svolgono annualmente spesso a livello internazionale in cui i veicoli si sfidano a percorrere tracciati di diversa tipologia e difficolt Lo scopo principale dell organizzazione di queste gare appunto quello di incen tivare una costante ricerca nel settore atta ad ottenere tecnologie sempre pi avanzate Le robot racing che si svolgono su pista in ambienti che presentano una struttura predefinita sono quelle che tra tutte affrontano problemati che pi simili a quelle con cui abbiamo dovuto confrontarci nella realizzazione di KartBot in quanto la navigazione avviene senza la variabilit data da un contesto urbano La funzionalit di base
6. anche involontario causera l immediata interruzione manuale della gara 2 Non possibile uscire dalla pista al fine di avvantaggiarsi Se fuoriesce dal bordo il kart rallenta alla velocit minima e il Wii Remote restituisce 25 3 Descrizione del gioco al giocatore un esperienza di gioco mediante la vibrazione 3 Il mancato passaggio dalla linea del traguardo rende il giro non valido KartBot pensato in modo da risultare semplice e giocabile da chiunque es sendo intuitivo e basato su regole che sono ovvie ed intrinseche in qualunque gara con le macchinine L utilizzo del controller Wii Remote finalizzato pro prio a questo scopo in quanto i movimenti da effettuare sono molto simili a quelli della guida di un automobile Il tutto notevolmente migliorato inoltre dall aggiunta di meccanismi di feedback per l utente come l accensione di al cuni led per indicare il possesso di un arma e l utilizzo di suoni durante il gioco il conto alla rovescia prima dell inizio della gara le espressioni di soddisfazione o disappunto durante i sorpassi e l utilizzo delle armi e la musica finale per celebrare la vittoria KartBot in sintesi ideato con l obiettivo di fornire la massima esperienza di gioco possibile In Appendice DI abbiamo riportato il manuale utente del gioco 3 2 Funzionalit del kart In KartBot entrambi i kart sono costituiti da robot su ruote Dei due quello controllato dall i
7. 2 Stato dell arte Figura 2 10 IARRC la percezione dell ambiente circostante due videocamere e un sensore LRF con un raggio di 30 m e buone prestazioni anche all aperto in condizioni di elevata luminosit In particolare il sistema di visione utilizzato per estrapolare dalle immagini i coni che costituiscono i bordi della pista il segnale di stop e il semaforo mediante l estrazione in successione di colore dimensione e forma Il sensore LRF usato per la percezione degli ostacoli e insieme alle videocamere per creare un sistema ibrido in grado di fornire una maggiore accuratezza nel rilevamento del limite del tracciato L elaborazione effettuata da un computer Samsung SENS Q45 con un processore dual core a 2 1 GHz Il calcolo della posizione effettuato mediante un encoder a rotazione montato sulle ruote un sistema GPS che pu anche non essere utilizzabile nel caso in cui la competizione si tenga all interno e un sistema di navigazione inerziale I veicoli avversari sono individuati quando nelle immagini e nella scansione con VLRF viene rilevato un oggetto che non un cono e il sorpasso viene effettuato unicamente in condizioni di estrema sicurezza e solo in alcune zone particolari della pista in quanto non prevedibile il comportamento dell altro concorrente Per scegliere il movimento successivo da effettuare il veicolo utilizza un sistema di pianificazione basato sulle mappe di Voronoi create a par
8. Per la rappresentazione delle armi abbiamo scelto di utilizzare delle sagome a forma di stella di colore viola e in base alla dimensione della pista ne abbiamo posizionate quattro suddividendole in due diverse zone del tracciato Tutte le scelte fatte per l ambientazione sono pensate per garantire al giocatore la migliore esperienza di gioco possibile 30 Capitolo 4 Architettura hardware L architettura hardware del kart stata realizzata seguendo un approccio modulare e usando componenti a basso costo facilmente reperibili sul mercato Essa pensata in modo da permettere che tutta l elaborazione avvenga a bordo senza l utilizzo di un computer remoto necessario solo per implementare le funzionalit del gioco Le interconnessioni logiche ed i componenti utilizzati sono mostrati in F igura 4 1 4 1 Funzionalit Di seguito abbiamo elencato le funzionalit del kart per ognuna della quali abbiamo descritto i componenti necessari per la realizzazione 4 1 1 Navigazione 4 1 1 1 Unit di elaborazione L unit di elaborazione il componente che implementa l intelligenza artifi ciale necessaria al corretto funzionamento del kart Considerando le dimensioni di questo abbiamo avuto la necessit di scegliere un computer di grandezza ridotta e dal consumo energetico minimale ma allo stesso tempo sufficiente mente performante per i nostri scopi Attualmente la piattaforma pi richiesta e diffusa Raspberry Pi F
9. WiiCam Figura 4 5 Circuito WiiCam univoco Di questi uno si elegge come master qui rappresentato da Arduino mentre tutti gli altri si identificano come slave nel nostro caso il sensore di colore e la WiiCam Da alcune ricerche emerso che la WiiCam pu produrre risultati errati se colpita dalla luce naturale in quanto in essa vi la presenza di raggi infrarossi Tuttavia essendo il kart posizionato sul pavimento questa situazione si verifica con scarsa probabilit Il circuito prodotto mostrato in Figura Il Wii Remote utilizzato dal giocatore per controllare il suo kart si collega via bluetooth all unit di elaborazione presente su di esso la quale traduce i comandi ricevuti in messaggi da inviare ad Arduino Tale vincolo ha imposto quindi che ogni unit di elaborazione fosse equipaggiata con un adattatore bluetooth USB 36 4 1 Funzionalita 4 1 1 3 Attuatori Per assicurare il movimento del kart abbiamo utilizzato due tipi di attua tori un servomotore da 13 g responsabile dello sterzo delle ruote anteriori e un motore brushless 2430 4800 kv comandato da un regolatore di velocit 25 A Entrambi sono collegati direttamente ad un pin digitale di Arduino per ricevere il segnale mentre il regolatore di velocit preleva l alimentazione direttamente dalla batteria ed il servomotre dal regolatore di tensione a 5 V Quest ultima scelta data dalla necessit di non sottoporre Arduino ad ecces siv
10. lizzate da entrambi i kart quella della navigazione invece caratteristica del kart autonomo Essa costituisce di sicuro la componente di maggiore rilevan za dal punto di vista ingegneristico L aspetto innovativo rappresentato dal fatto che il kart si muove in un ambiente dinamico ad elevata velocita senza riferimenti fissi o utilizzo di modelli ma basandosi unicamente sulla visione Inoltre un altro aspetto importante da considerare che tutta l elaborazione necessaria ad essa avviene totalmente a bordo del kart in tempo reale 3 3 Caratteristiche dell ambiente di gioco L ambiente di gioco rappresentato da una pista della dimensione di 5 52 x 3 68 m una grandezza adatta ad una gara avvincente Il tracciato ha una larghezza di 72 cm e il suo interno di colore nero mentre l esterno verde La dimensione della larghezza frutto di un compromesso tra la necessit di visualizzarne con la videocamera una porzione sufficiente per l analisi e quel la di permettere alle macchinine di allinearsi in tutta sicurezza durante un sorpasso La forma da noi realizzata mostrata in Figura ma essa non rappresenta un vincolo in quanto non in alcun modo predefinita nel codice permettendo quindi eventuali modifiche future Anche i colori stessi possono essere facilmente sostituiti a patto di modificare i valori delle soglie utilizzate per il loro riconoscimento nell immagine la cui ricerca pu essere effettuata mediante il
11. spostare a destra e a sinistra per costringerla a fare una curva pit larga o pit stretta e utilizzare le armi a disposizione In pratica anche le macchinine sotto il controllo del giocatore stanno da sole in pista e sono in grado di compensare nei limiti del possibile le sue manovre errate Anche nel caso in cui si verifichi no piccoli urti o giri su se stessa l auto in grado di riportarsi in carreggiata e continuare la gara Nel caso di collisioni maggiori o che lascino la macchi nina sottosopra invece il giocatore viene avvisato di ripristinare la situazione corretta riposizionandola sul tracciato Inoltre il gioco risulta semplice da giocare ma pi complesso da padroneggiare a causa dell elevata velocit delle auto Secondo alcune statistiche sui primi mesi di utilizzo infatti nel caso in cui sia stata selezionata la difficolta pi avanzata l intelligenza artificiale ha vinto in media in 9 casi su 10 Altre critiche avanzate sono state relative alla breve durata della carica della batteria di soli 20 minuti che richiede poi un tempo di caricamento tra gli 8 e i 10 minuti e all impossibilita di riconoscere ostacoli che non siano macchinine sul tracciato La limitazione principale resta comunque la totale mancanza di flessibilit dovuta in primo luogo all obbliga 20 2 3 Anki Drive racing game per dispositivi Apple torieta di possedere un dispositivo Apple per giocare Inoltre la disponibilita di un unica con
12. tutte le accortezze non viene rilevata nel modo corretto Questo si verifica principalmente in due casi quando non viene riconosciuto nessun bordo e viene utilizzata l approssimazione con il nero ma l immagine HSV utilizzata di qualit molto scarsa oppure quando viene riconosciuto solo uno dei due bordi e quindi le aree libere vengono posizionate partendo da esso e arrivando all inizio o alla fine a seconda dei casi dell immagine facendo apparire la pista pi larga di quanto non sia in realt 7 1 3 Acquisizione dell arma La capacit di acquisire larma stata verificata posizionando il kart au tonomo sulla pista su cui erano presenti le quattro armi senza la presenza dell avversario 83 7 Test e risultati a Arma lontana b Arma vicina Figura 7 5 Goal con arma Come si pu notare dalle immagini il kart in grado di riconoscere le armi e di posizionare il goal esattamente al centro di quella pi vicina Suc cessivamente esso riesce a raggiungerla mediamente nell 80 dei casi e allo scattare degli interruttori appositi notifica correttamente all applicazione il suo conseguimento Anche in queste immagini chiaro come il movimento sia un problema notevole nel riconoscimento dell arma in quanto pu causare deformazioni evidenti nella forma della stella impedendone la corretta identificazione 7 1 4 Azione dell arma Per verificare la corretta azione delle armi sull
13. 1 Introduzione Capitolo 2 Stato dell arte 2 1 Evoluzione del gioco dai videogame ai robogame Alzi la mano chi non ha mai giocato ad un videogame Bambini adulti sfide tra amici o con perfetti sconosciuti difficile trovare qualcuno che sia ri masto estraneo a questo mondo I videogame rappresentano il pi travolgente fenomeno di massa degli ultimi vent anni un potente mezzo di attrazione in grado di rapire la mente dei giocatori immergendoli in un universo virtuale Il sociologo Alberto Abruzzese 1 ha affermato che essi sono la nostra pi avan zata frontiera e il nostro pi affascinante futuro p I videogame possiedono infatti un elevato potenziale essendo strettamente legati allo sviluppo tecno logico e come tali sottoposti a continue evoluzioni Ci ha portato le grandi aziende del settore a ricercare dispositivi sempre pi innovativi in grado di modificare il paradigma originario di interazione tra luomo e la macchina per catturare il giocatore in modo pi coinvolgente e rendere la sua risposta il pi naturale e intuitiva possibile Tutto ha avuto inizio con la trasformazione delle interfacce di gioco dai tradizionali joypad si passati a controller che replicassero in modo pi o meno fedele l aspetto di oggetti reali Il primo di questi ad aver ottenuto una vasta distribuzione commerciale rappresentato dalla chitarra creata per il videogame Guitar Hero F igura 2 1 pubblicato nel 2005 per
14. Il gioco Nel test finale il gioco nel suo complesso stato sottoposto a verifica Il primo problema subito emerso stato l iniziale utilizzo di una velocit trop po elevata che rendeva il compito del giocatore piuttosto complicato Essa stata quindi ridotta nei test successivi limitando purtroppo la gamma di velo cit disponibili gi inizialmente piuttosto ristretta per la stessa motivazione rendendo meno visibili alcuni effetti delle armi e anche il rallentamento all u scita della pista emersa inoltre la difficolt nel rendere la velocit dei due 86 7 2 Valutazione finale kart equivalente a causa anche dei suoi valori molto variabili in condizioni di diverso livello di carica della batteria Come ovvio anche dal test totale sono emerse le problematiche gia sin golarmente affrontate in quelli precedenti Un nuovo problema riscontrato invece dovuto alla possibilit per il kart controllato di spingere quello auto nomo al di fuori della pista Infatti se durante la gara il giocatore posiziona il suo kart di fianco a quello avversario e lo sposta sempre pi verso quest ulti mo continuando a mantenersi al suo fianco restringe costantemente l ampiezza dell area libera a disposizione del kart autonomo e lo porta ad andare fuori dal tracciato Tale situazione non purtroppo risolvibile in alcun modo 7 2 Valutazione finale Nonostante le diverse problematiche emerse durante i test alcune
15. Kart autonomo b Alimentazione 12C kart controllato Figura B 2 Alimentazione 12 3 3V 2 2k0 Di Arduino D2 Arduino GND Arduino D3 25 MHz Arduino 5V Figura B 3 Schema wiiCam 100nF WiiCam 1 WiiCam 2 WiiCam 3 WiiCam 5 WiiCam 6 WiiCam 7 WiiCam 8 103 B Istruzioni di montaggio 104 Appendice C Documentazione del software Di seguito riportiamo i diagrammi delle classi dell applicazione eseguita sul computer remoto divisi per package e del software di bordo In F igura C 1 e mostrato il diagramma UML relativo ai package creati nell applicazione centra le in F igura C 28 presente il diagramma delle classi del package command contenente tutti i comandi gestiti dal software in Figura C 3 quello del pac kage data structure contenente tutte le strutture dati utilizzate e in Figura quello del package MKB_ app contenente la classe Main i listener per le connessioni e gli oggetti necessari al loro utilizzo 105 C Documentazione del software z lt lt Java Package gt gt E3Polimi MKB_app lt lt Java Package gt gt Polimi MKB_app dataStructur lt lt Java Package gt gt E3Polimi MKB_app actionListener 7 lt lt Java Package gt gt a t Polimi MKB_app command lt lt Java Package gt gt 8 Polimi MKB_app Exception Figura C 1 Package UML lt lt Java Class gt gt
16. adatta me glio al sistema per lo scambio di informazioni in rete Se la scelta avvenisse in modo totalmente casuale un kart potrebbe risultare ripetutamente avvan taggiato o svantaggiato Abbiamo quindi fatto si che essa sia vincolata alla posizione occupata di cui ogni kart a conoscenza quello in prima posizio ne pu acquisire unicamente l immunit mentre il kart in seconda posizione tutte le altre armi con identica probabilit In realt la selezione delle armi stata implementata in modo da essere gi espandibile ad un numero di kart superiore a due in questo caso i giocatori nelle prime posizioni hanno una probabilit maggiore di ottenere l immunit e minore di ottenere le altre ar mi mentre avviene il contrario nelle posizioni pi arretrate Nello specifico il kart al primo posto ha probabilit pari a 1 di ricevere l immunit probabilit che decresce linearmente con l aumentare della posizione fino a diventare 0 per l ultima La probabilit restante viene suddivisa tra le altre quattro armi che continuano ad essere equiprobabili tra loro Matematicamente possiamo definire la variabile aleatoria X come la scelta di una nuova arma essendo in posizione n Il valore assunto da essa discreto in quanto il dominio rap presentato dalle armi ad ognuna delle quali corrisponde un intero secondo la Tabella 5 4 Ad inizio gara ogni kart calcola la distribuzione di probabilit di Xn per ogni posizione n di
17. che possono essere online in un determinato istante 6 3 2 Selezione dei concorrenti e avvio della gara Per poter iniziare la gara occorre innanzitutto selezionare i concorren ti che vi parteciperanno tra quelli online e stabilire le posizioni di partenza 70 6 3 Preparazione della gara Figura 6 2 Connessione kart Il procedimento semplificato dal fatto che i nomi possono essere trascinati all interno delle celle predefinite Figura 6 3 Il numero di giri attualmente previsto dall applicazione quattro e il nu mero massimo di giocatori due ma essa predisposta in modo da poterli in futuro incrementare ragionevolmente fino ad un massimo di quattro date le dimensioni della pista e dei kart Una volta avviata la gara mediante l apposito pulsante i giocatori scelti vengono inseriti nella lista dei RacingUsers anche questa estensione della classe astratta UsersContainer e contenente quindi og getti di tipo User ma con funzioni in pi che permettono di operare su dati importanti per la gara quali la posizione il numero di giri e l arma in posses so L inserimento avviene dopo aver effettuato alcuni controlli sull esistenza dei giocatori selezionati tra quelli online e sull assenza di duplicati e se vi sono si tuazioni scorrette la schermata viene ripresentata e l inserimento va effettuato nuovamente In caso contrario l applicazione invia ad Arduino montato sulla postazione di partenza il c
18. considerando inoltre che i computer montati a bordo possiedono una capacit computaziona le rilevante Il principale aspetto negativo dell utilizzo di una strumentazione di livello alto per rappresentato dai costi eccessivamente elevati necessari per la realizzazione complessiva del veicolo Altro aspetto da considerare che ad eccezione della IARRC in cui comunque la dimensione della pista molto ampia nelle altre due competizioni non prevista la presenza in pista di pi di un concorrente in contemporanea all interno del tracciato quindi non richiesta la gestione di ostacoli di tipo dinamico 16 2 3 Anki Drive racing game per dispositivi Apple a Gioco in funzione b Elementi Figura 2 14 Anki Drive 2 3 Anki Drive racing game per dispositivi Apple Nel mese di giugno 2013 poco dopo l inizio del lavoro per la creazione di KartBot Anki una startup nata dall idea di Boris Sofman Mark Palatucci e Hanns Tappeiner tre ricercatori nel settore della robotica diplomati al Car negie Mellon Robotics Institute ha presentato Anki Drive F igura 2 14 introdotto successivamente sul mercato americano il 23 di ottobre Anki Drive definito dai suoi creatori un videogame nel mondo reale un gioco del tutto simile a KartBot e come questo costituisce un esperienza ibrida sospesa tra videogame giocattolo e robotica Il gioco ha immediatamente attratto l inte resse di Apple cos come quello d
19. controllando per ciascuno un numero di pixel pari a 40 se esistono altrimenti il numero massimo possibile prima di raggiungere 48 5 1 Visione Tipo bordo Condizioni e a destra del punto almeno 1 3 dei pixel controllati sono neri e a sinistra almeno 1 3 sono verdi e a destra del punto almeno 1 3 dei pixel controllati sono neri a sinistra il numero dei pixel neri minore n di 1 6 e a destra il numero di pixel verdi minore di Sinistro 1 6 e a sinistra del punto almeno 1 3 dei pixel controllati sono verdi a destra il numero dei pixel verdi minore di 1 6 e a sinistra il numero dei pixel neri minore di 1 6 e a sinistra del punto almeno 1 3 dei pixel controllati sono neri e a destra almeno 1 3 sono verdi e a sinistra del punto almeno 1 3 dei pixel controllati sono neri a destra il numero dei pixel neri minore di 1 6 e a sinistra il numero di pixel verdi minore di Destro 1 6 e a destra del punto almeno 1 3 dei pixel controllati sono verdi a sinistra il numero dei pixel verdi minore di 1 6 e a destra il numero dei pixel neri minore di 1 6 Tabella 5 1 Identificazione bordo la fine dell immagine sia a destra sia a sinistra di esso La ricerca termina quando sono stati analizzati tutti i contorni individuati 5 1 2 Rilevazione indicatore delle armi Un indicatore delle armi viene riconosciuto basandosi sia sul colore sia sul la forma Per identificare il primo a
20. corretto mediante la creazione di un oggetto CommandHand ler all arrivo di ciascuno di essi Il comando ricevuto viene da esso analizzato con l utilizzo di espressioni regolari per riconoscere la tipologia a cui appar tiene Login WeaponTaken WeaponUsed o Overtaking Tali classi sono tutte estensione di una classe astratta Command e ognuna verr gestita nel modo opportuno chiamando le funzioni necessarie Il primo messaggio che viene inviato dal kart la richiesta di login nel formato Gonline id a zA Z0 9 auto true false dove id il nome con cui viene identificato il kart e auto assume valore vero se il kart autonomo falso se comandato Il nome verr utilizzato per associarlo alla sessione prima aperta rendendone pi semplice la ricerca in momenti successivi Alla ricezione di tale comando il kart viene aggiunto alla lista degli utenti online dopo aver controllato che non ne esista gi uno con lo stesso identificativo La lista dei giocatori online di tipo OnLineUsersContainer un estensione della classe astratta UsersContainer contenente oggetti di tipo User e viene mantenuta all interno dello stato del gioco In tale contenitore sono presenti funzioni che permettono l aggiunta la rimozione e la ricerca di determinati utenti mediante il loro username La lista viene visualizzata nella parte sinistra della schermata Figura e anche in questo caso non presente un limite nel numero dei giocatori
21. delle qua li forse ulteriormente migliorabili mentre altre non risolvibili il gioco ottenuto nel suo complesso comunque piuttosto soddisfacente in quanto molte di tali situazioni si verificano raramente o comunque non incidono sulla sua qualit KartBot risultato essere come desideravamo un gioco molto intuitivo e di facile comprensione per tutti seppur occorra prendere un minimo di di mestichezza con l uso del controller soprattutto quando il kart procede nel verso opposto a quello in cui si sta guardando esperienza ben nota anche nei videogame ma tanto pi rilevante a causa di oggetti reali da controllare La presenza delle diverse armi costituisce effettivamente un valore aggiunto in grado di rendere la gara molto pi avvincente e divertente Anche l impegno posto nella realizzazione di un ambiente realistico e di elevata qualit unito alla creazione di un applicazione semplice e graficamente piacevole e all uso di luci e suoni per migliorare l interattivit costituiscono senza dubbio aspetti vincenti In conclusione KartBot un gioco appassionante e dinamico in grado di coinvolgere il giocatore in gare sempre nuove e sorprendenti 87 7 Test e risultati 88 Capitolo 8 Conclusioni I robogame rappresentano uno dei settori della robotica con le maggiori potenzialit di una vasta diffusione in ambiente domestico Il suo studio finalizzato alla realizzazione di giochi tali da poter attrarre l in
22. esistenti e seguendo la scia di questa trasformazione abbiamo preso spunto da un famoso videogame Mario Kart Wii per realizzare KartBot un robogame consistente in una gara tra due kart uno controllato dal giocatore e l altro dall intelligenza artificiale resa pi movimentata dalla possibilit di utilizzare armi inusuali per ostacolare l avversario L aspetto innovativo dato dalla capacit del kart autonomo di navigare in un ambiente fortemente dinamico svolgendo l intera elaborazione a bordo in tempo reale e utilizzando unicamente informazioni provenienti dai sensori e dal sistema di visione Il risultato ottenuto stato la creazione di un gioco divertente appas sionante ed intuitivo in grado di suscitare l interesse di tutti mediante una fusione tra tradizione e innovazione Abstract Robotics is one of the most rapidly growing sectors in tecnological area One of its topics is Robogame which aims to create interactive games between humans and robots exploting their autonomy and artificial intelligence algori thms to obtain challenging and interesting situations using cheap technologies Robogames can be thought as the natural evolution of videogames keeping in mind that the growing line followed by the most famous videogame companies is pointed to let the player feeling physically participating in the game Taking care of these aspects we created KartBot a robogame consisting in a race between two karts on
23. igura 4 2b un mini computer prodotto dalla Raspberry Pi Foundation equipaggiato con un processore ARM1176JZF S a 700 MHz e 512 MB di RAM Dopo aver effettuato i primi test ci siamo resi conto che esso non era adeguato alle nostre necessit le immagini venivano 31 4 Architettura hardware i Convertitore Sensori di prossimit Regolatore di velocit Webcam Sensore di colore Wiicam Servomotore Figura 4 1 Architettura hardware acquisite ad una frequenza di circa 5 per secondo e inoltre il loro tempo di elaborazione non era sufficientemente basso Considerando che il kart deve presentare un comportamento altamente reat tivo abbiamo ricercato una piattaforma pi performante rispetto a Raspberry Pi La nostra scelta ricaduta su Odroid U2 Figura 4 20 un mini computer prodotto dall azienda sud coreana Hardkernel equipaggiato con un processore Quad core ARM Cortex A9 MPCore a 1 7 GHz e 2 GB di RAM Con esso abbiamo rilevato come la frequenza con cui venivano acquisite le immagini a parit di webcam fosse di circa 25 per secondo ed il tempo di elaborazione di una di queste si fosse ridotto a circa un quarto Tuttavia dati i costi e i tempi di spedizione pi contenuti di Raspberry Pi rispetto ad Odroid abbiamo deciso di utilizzarlo come unit di elaborazione per il kart controllato tramite Wii Remote in quanto in esso non necessaria alcuna analisi sulle im magini Su entrambe l
24. igura 3 2 i quali non essendo disattivati da tale evento permettono eventualmente all avversario di usufruirne imme diatamente La tipologia viene assegnata in base alla posizione occupata in quell istante le armi di tipo fulmine stop vibrazione e razzo sono disponibili per il giocatore in posizione arretrata e hanno la stessa probabilit di venire assegnate mentre per il giocatore in prima posizione disponibile unicamente Pimmunit per permettergli di difendersi Nel caso di pi armi agenti in con temporanea su di un kart l effetto totale dato dalla somma degli effetti delle armi agenti Riutilizzare invece la stessa arma nel caso essa stia gi agendo non provoca modifiche nella durata quindi viene sprecata Il momento in cui Varma acquisita viene utilizzata scelto dall utente tramite Wii Remote nel kart controllato e dall intelligenza artificiale nel kart autonomo 24 3 1 Descrizione del gioco e regolamento R Fulmine b Stop gt Vibrazione Razzo e Immunita Figura 3 1 Armi Figura 3 2 Indicatore arma La durata della gara pari a 4 giri Il giocatore che per primo taglia il traguardo vince e la classifica finale viene visualizzata sullo schermo Il regolamento del gioco semplice e anche piuttosto scontato in quanto si basa unicamente su criteri di correttezza e di onest 1 Non possibile urtare l avversario al fine di danneggiarlo Qualsiasi urto p
25. non avviene solo per il kart autonomo ma anche per quello controllato al fine di dissuadere il giocatore dal tagliare parti della pista 59 5 Architettura software Ruote kart Valore accelerometro Angolo servomotore Tutto sinistra 100 40 Dritte 125 90 Tutto destra 150 140 Tabella 5 3 Corrispondenza angoli 5 4 Gestione della gara per il kart controllato Il controllo del kart telecomandato avviene mediante Wii Remote connes so via bluetooth all unita di elaborazione sfruttando i metodi della libreria bluez 83 La gestione della gara prevede in questo caso l implementazione di tre sottofunzionalit la ricezione dei comandi la loro interpretazione e l invio ad Arduino I messaggi scambiati vengono gestiti tramite la libreria libcwiimo te 84 che prevede l esistenza di una struttura rappresentante l oggetto Wii Remote i cui campi contengono informazioni sul suo stato Per le necessit richieste dalla gara siamo interessati ad identificare quattro tipi di eventi pressione del tasto 1 se schiacciato provoca l incremento della velocit del kart fino al suo valore massimo circa 2 m s e se rilasciato il suo 2 decremento fino al valore minimo pressione del tasto 2 ferma istantaneamente il kart pressione del tasto B permette di utilizzare l arma a disposizione mediante l invocazione di un apposita funzione del gestore delle armi inclinazione del Wii Remote ri
26. passaggio di un kart quando la distanza a cui almeno uno dei sensori percepisce la presenza di un ostacolo inferiore alla met della larghezza del tracciato Se entrambi i sensori ricadono in questa condizione viene distinto il caso in cui avviene il passaggio di un unico kart nel mezzo del tracciato da quello contemporaneo di due kart controllando la coerenza della somma delle misure rilevate con la larghezza 79 6 L applicazione del gioco Figura 6 6 Classifica finale della pista In particolare se la differenza tra la larghezza di questa in centi metri e la somma dei valori misurati risulta uguale alla larghezza in centimetri di un kart con una tolleranza di 3 cm viene identificato un unico passaggio viceversa due Data la non eccellente qualita dei sensori abbiamo ritenuto op portuno identificare l evento passaggio di un kart quando la rilevazione della presenza dell ostacolo rimane costante per tre letture consecutive effettuate a distanza di 80 ms l una dall altra Al riconoscimento dell avvenuto passaggio Arduino invia all applicazione attraverso la porta seriale il messaggio Olap_completed Nel caso di transito contemporaneo di due le stringhe inviate sono due Il SerialListener costantemente in attesa sulla porta all arrivo del messaggio crea un oggetto CommandHandler che riconosce un comando di tipo Lap Completed anche questo implementazione della classe astratta Command e lo ges
27. procedimento necessario tenere sempre premuti i tasti 1 e 2 del Wii Remote e fornire al programma client come parametro da linea di comando l indirizzo MAC del controller visualizzabile tramite il comando hcitool scan Qualora l unit di elaborazio ne non si connetta alla rete WiFi in automatico consigliabile un riavvio del 109 D Manuale d uso Figura D 1 Interruttore ON OFF kart o una connessione tramite ethernet per attivarla manualmente Una volta visualizzati i nomi dei kart nell apposito spazio sullo schermo necessario trascinare quelli che dovranno partecipare alla gara in una del le caselle di partenza che devono coincidere con quelle reali in cui saranno posizionati sulla pista Alla pressione del pulsante Start race il semaforo effettuera il conto alla rovescia e la gara potra incominciare allo spegnimento delle tre luci rosse Da questo momento ha inizio la battaglia che prosegue per quattro intensi giri seguendo le regole indicate nel Capitolo 3 Alla fine della gara verra visualizzata sullo schermo la classifica e tramite il pulsante New race sara possibile iniziarne una nuova Alla conclusione della sfida il programma in esecuzione sui kart termina dopo averli disconnessi dall appli cazione centrale Ci implica che all inizio di una nuova gara tale programma debba essere riavviato come descritto precedentemente 110
28. spiegato nel Capitolo 5 il sorpasso in due fasi il che lo rende pit robusto rispetto a letture inesatte dei sensori Un altro problema dato dalla presenza di oggetti o persone all esterno della pista che se troppo vicine al kart vengono rilevate come avversario Questo facilmente eliminabile impo nendo una zona di rispetto attorno alla pista larga almeno quanto il tracciato stesso 7 1 6 Gestione del sorpasso Per verificare la capacita del kart autonomo di sorpassare quello controlla to abbiamo posizionato quest ultimo fermo in pista Un esempio di sorpasso visibile in F igura 7 6 Vavversario viene rilevato e il goal posizionato cor rettamente nell area libera pid ampia a disposizione 7 64 successivamente ha inizio il sorpasso 7 60 infine il kart affiancato 7 6c come denotato dall indicazione dell occupazione della pista dal lato in cui viene percepito Un problema che appare visibile nella sequenza mostrata l esistenza di un punto cieco che nella fase intermedia del sorpasso impedisce il riconoscimento dell avversario Anche se tale intervallo stato ristretto dall installazione dei 85 7 Test e risultati sensori di prossimit frontali risulta ancora parzialmente presente Questo vero solo per un istante in quanto subito dopo i sensori posti frontalmente iniziano a percepire la sua vicinanza evitando quindi la collisione Altro pro blema dovuto alla difficolt di r
29. 0 OpenVG 1080p30 H 264 high profile encode decode Video Out Composite video Composite RCA HDMI not at the same time Ethernet 10 100 wired Ethernet RJ45 Audio Out TRS connector 3 5 mm jack HDMI General Purpose Input Output GPIO pins Serial I O low level Peripheral Interface Bus SPI I C 12S 2 Universal asynchronous receiver transmitter UART I O port USB Host x 2 Device x 1 Ethernet RJ 45 Headphone Jack Storage slot Secure Digital SD MMC SDIO card slot DO input 5V 2A input Plug specification is inner diameter 0 8mm and outer diameter 2 5mm Tabella A 2 Caratteristiche tecnciche Raspberry una semplice copia dell immagine img da noi creata scegliendo quella adatta alla piattaforma del caso mediante il seguente comando dd home pathToimg file img dev pathToSD bs 1M In essa sono contenuti tutti i file necessari al funzionamento ed gi pronta all uso Tuttavia di seguito riportiamo le procedure utilizzate per la configurazione sia di Odroid sia di Raspberry partendo dall installazione del sistema operativo e arrivando alla configurazione di OpenCV delle librerie per la comunicazione con il Wii Remote e per l utilizzo della porta seriale La distribuzione ArchLinux ARM pu essere trovata all indirizzo web http da cui possibile scaricare il file mg per l unit di elaborazione desiderata che va poi copiata sulla scheda SD usando il comando scritto sopra In modo automatico essa v
30. Abruzzese http it wikipedia org wiki Alberto_Abruzzese 2 Cultura del videogioco studi e ricerche http www aesvi it 3 Bill Gates A robot in Every Home Scientific American Magazine 2007 4 AIRLab http airlab elet polimi it index php AIRWiki 5 D Martinoia D Calandriello and A Bonarini Physically Interactive Robogames Definition and Design Guidelines Robotics and Autonomous System 61 8 739 748 2013 6 Jedi Training nttp airwiki ws dei polimi it index php Jedi_ Training_Robogame 7 RoboTower http airwiki ws dei polimi it index php RoboTower 8 Pac Bot http airwiki ws dei polimi it index php Pac Bot 9 Mario Kart Wii http www mariokart com wii launch 10 Intelligent Ground Vehicle Competition http www igvc org 11 Scorpion http www igvc org design 2013 California 20State 20University 20Northridge pdf 12 International Autonomous Robot Racing Challenge http robotracing wordpress com 13 C Wang P Mukherjee A Das G Salas Bolanos and N Cavan Design and Implementation of the University of Waterloo IARRC Entry 91 Bibliografia 14 Eui Jung Jung and Byung Ju Yi Task oriented navigation algorithms for an outdoor environment with colored borders and obstacles Intelligent Service Robotics 6 2 69 77 2013 15 Anki 16 Wii Remote http www nintendo it Wii Accessori Accessori Wii Nintendo Italia 626430 html 17 Raspberry P
31. Goal con triangolo 58 p fre BE ot ae bee ns 61 ates 66 COREA te ee eee 69 6 2 Connessione kart 2 e o 71 6 3 Selezione concorrenti lt a 72 Lepre a A a D ie ae E A 73 Lee ee eee ee ee ee ee E E 75 Lita Da ele oS St Bias we en eet a ot 76 7 1 Riconoscimento bordi LL 80 ME ee ee OTO 81 7 3 Situazioni sfavorevoli o o a a 82 7 4 Segmentazione della pista ooa a a 83 Elenco delle figure 7 5 Goal con arma oaoa 84 7 6 Sorpasso Primo esempio 02 0008 0 0 85 A 1 Schema a blocchi Odroid 0 0 004 96 B 1 Schema connessioni 2 0 2 e a 102 B 2 Alimentazione I2C aaa aaa ee 103 B 3 Schema WiICaMdl a a 103 1 Package UML 20000 106 C 2 Diagramma delle classi command 106 C 3 Diagramma delle classi data structure 107 C 4 Diagramma delle classi KMKB_app LL 108 Di Interruttore ON OFF 264 2 e tora 110 vil Elenco delle figure vili Elenco delle tabelle 5 1 Identificazione bordo 0 0 000008 8 49 5 2 Incremento velocital 59 5 3 Corrispondenza angoli 0 o 60 5 4 Discretizzazione armi 62 A l Caratteristiche tecniche Odroid 0 96 A 2 Caratteristiche tecnciche Raspberry 97 ix Elenco delle tabelle Capitolo 1 Introduzione Viviamo in un mondo in cui la tecnologia per
32. Lab o 10 2 1 Mario Kart Will 11 28 IGVO ii Bae ee ee a a a 12 a a ed te oe we Og Grea aa ae ee BO te a 13 ZIOIARRO outra ala de ck Ge eh ee 14 OP ih af ee e tte ea ts te te Se ec 15 212 TRONCHI ob a ei e Bee ek we ed 15 2 13 Veicolo della Hanyang University 16 Soe dew Miche ara hk ok A RIA R 17 oh de Te Sree ce ee hs eg rc 18 RR ee Bet Bee oe SE ee 19 See Gey e Be oe ae es ee e 20 Bel ATM Li ge Hae ee ee ee ee A n 25 oh A ao ae Sede o oe Be wd be eS 25 bd ig th Re Goa we dae Re 2 ead e ee 27 gipa ea Aa ere p Se ede ow ed a eee be bs 29 Pace as BNE eed a book es 30 CA Gli Boch He ea ck ee Se es 32 EAS Ae ee ee ts te e ee 33 A y o ii Gee n E Hae ack Aw a 4d 35 Elenco delle figure vi ee ee ee ee I ee ee ee a es 36 be thee oe Shee ue Aa ge oa e ec eee eA 36 e We a new lw a E EE ES 38 be Gee oe 4 A Gh ae ek e 39 pon ae i HAH wen ee ow e Oe a a e 40 A ee ee ee 41 4 VO Ratti sous rs n a a ee ee a 42 5 1 Interconnessione logiche software o 44 5 2 Distorsione tangenziale 45 LA ere sd 45 ae ae de Bee a ee 47 Ada 48 e ee 48 E COR ERE RIE A ee ee DE TOO 50 Se gi i wf Se ogra 52 b 9 Goal concarmna ssd yee oR ee Ee RS ee ee EO a G 53 bo GS SS eh hee ee be 54 5 11 Area indefinita suentrambiilati 55 Di i da ec el e a aes 55 5 13 Approssimazione in assenza di bordif 56 5 14 Tipi di Curva sie eo ea OO Se OO Ee eee 57 5 15
33. POLITECNICO DI MILANO Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica Dipartimento di di Elettronica Informazione e Bioingegneria KartBot Sviluppo di un Racing Game con Robot Autonomi AI amp R Lab Laboratorio di Intelligenza Artificiale e Robotica del Politecnico di Milano Relatore Prof Andrea BONARINI Tesi di laurea di Elisa DUI Matr 782949 Davide TESSARO Matr 783851 Anno Accademico 2012 2013 Alle nostre famiglie Ringraziamenti Entrambi vorremmo ringraziare innanzitutto il nostro relatore il professor Andrea Bonarini per la possibilit di lavorare in questo appassionante ambito per la grande disponibilit il costante aiuto ed i preziosi consigli Un enorme grazie va anche a tutti i ragazzi dell AIRLab per la loro simpatia ed il sostegno nei momenti di difficolt Sommario La robotica occupa un posto di rilevanza tra i settori tecnologicamente avanzati in maggiore espansione negli ultimi anni Dei molteplici ambiti di cui essa si occupa uno rappresentato dallo studio dei robogame giochi realizzati mediante l utilizzo di robot autonomi Essi costituiscono l evoluzione naturale dei videogame considerando che la direzione intrapresa nel mondo ludico fi nalizzata al costante miglioramento dell interazione tra l uomo e il gioco stesso ottenuta attraverso la sua concretizzazione nel mondo reale Partendo dalle varie robot racing
34. PlayStation 2 Lo sconvolgimento pi grande per si avuto nel 2006 con la presentazio ne da parte di Nintendo della console Wii rivelatasi espressione di una visione rivoluzionaria Essa era accompagnata da una nuova generazione di controller il Wii Remote Figura 2 2a collegato ad essa mediante bluetooth e munito 2 Stato dell arte Figura 2 1 Guitar Hero a Wii Remote b PlayStation Move c XBox360 Kinect Figura 2 2 Controller di sensori in grado di tracciare parametri fisici quali posizioni accelerazioni e rotazioni per rilevare i movimenti effettuati dal giocatore e riportarli all in terno dei giochi al fine di controllare personaggi o eventi La risposta degli altri grandi colossi del settore arrivata con qualche anno di ritardo Nel 2010 Sony ha immesso nel mercato un controller molto simile a quello di Nintendo il PlayStation Move F igura 2 2b Nello stesso anno Microsoft ha presentato Kinect per Xbox360 Figura 2 2d una webcam RGB con doppio sensore di profondit a raggi infrarossi in grado di rilevare i movimenti dell intero corpo la sua posizione e quella degli arti con precisione elevata e contenente anche un sistema per il rilevamento vocale Successivamente sono stati introdotti anche altri dispositivi tecnologicamente pi avanzati l evoluzione era cominciata Un concetto opposto al trasferire gesti e movimenti nella realt virtuale quello di portare il videogame fuori dalla
35. _c support_add_libcwiimote pc_ patch nella cartella libwiimote x x patch pl lt dev libcwiimote add_ c support add libcwiimote pc_ patch patch pl lt add c support add libcwiimote pc_ patch autoconf o configure configure in make sudo make install Durante il processo di compilazione ci siamo trovati ad affrontare un bug noto che si manifesta con la presenza del seguente errore dopo l esecuzione del comando configure configure error We require BlueZ La soluzione consiste nel cambiare in tutti i file sorgente il nome della variabile hci remote name in hci_ read_remote_name La comunicazione con Arduino su porta seriale stata implementata usan do le libreria lib Serial anch essa non presente nella repository ufficiale di ArchLinux e scaricabile da http libserial sourceforge net La com pilazione e l installazione sono stata effettuate con i seguenti comandi 98 A 3 Configurazione configure make sudo make install Tutti i file sorgente sono contenuti in home mkb mkb project trunk src client e possono essere compilati attraverso il comando make eseguito da terminale in tale cartella Il file eseguibile viene creato nella stessa posizione ed presente un collegamento ad esso nella home dell utente mkb Per quanto riguarda la connessione WiFi essa implementata usando un router wireless Cisco creando una rete con SSID
36. a ha inizio A questo punto per il kart controllato sullo schermo vengono visualizzati lo streaming di quello che vede durante la gara e le informazioni importanti per essa la sua posizione attuale in classifica il giro corrente e l arma di cui dispone in quel momento Le armi appartengono a cinque diverse tipologie e sono classificabili in 23 3 Descrizione del gioco vantaggiose e svantaggiose Le armi svantaggiose sono quelle che colpiscono il kart nemico al fine di procurargli una penalizzazione Vi sono tre tipi di armi svantaggiose e Fulmine ferma il kart davanti per 3 secondi e quando riparte va alla velocit minima per altri 3 secondi Inoltre fa perdere l eventuale arma in possesso Figura 3 1a e Stop ferma il kart davanti per 3 secondi e gli fa perdere l eventuale arma in possesso Figura 3 1b e Vibrazione fa procedere a scatti il kart davanti per 7 secondi Figura 3 1c Le armi vantaggiose invece sono quelle che creano una situazione favorevole al kart che le utilizza Ve ne sono di due tipi e Razzo fa andare pit veloce il kart che la utilizza per 3 secondi Figura 3 1d e Immunit rende il kart che la utilizza immune al primo utilizzo di un ar ma di tipo stop o vibrazione Nel caso di utilizzo di un arma fulmine invece l immunit inefficace Figura 3 Le Le armi sono ottenute passando con il kart sopra uno degli indicatori a forma di stella presenti sulla pista F
37. a l altezza a cui montata la webcam comprende i pixel dall ordinata 30 alla 120 Ci diminuisce inoltre la probabilit di inquadrare zone esterne alla pista assicu rando al tempo stesso di individuare correttamente tutte quelle transitabili Per non analizzare ogni pixel contenuto in tale area abbiamo deciso di raggrup parli in regioni d interesse dette ROI Region Of Interest ognuna delle quali ha una dimensione di 16 x 6 pixel determinata sulla base di un compromes so tra la riduzione della stessa che avrebbe permesso di ottenere un risultato pi preciso e il suo incremento che avrebbe ridotto il tempo di elaborazione favorendo un comportamento pi reattivo del kart Poich siamo interessati unicamente allo stato di ciascuna ROI abbiamo deciso di memorizzarlo in un array bidimensionale di interi Il contenuto dell elemento corrispondente pu assumere uno dei seguenti valori e area libera se costituisce uno spazio in cui il kart pu transitare iden tificato sull immagine dalle celle verdi e fuori pista se rappresenta un area fuori dai contorni della pista iden tificato sull immagine dalle celle marroni e ostacolo se occupata da un kart avversario identificato sull immagine dalle celle rosse e arma se contiene il centro di un arma identificato sull immagine dalle celle azzurre 51 5 Architettura software ao Figura 5 8 Ostacolo laterale a sinistra La matrice
38. a per il riconoscimento delle linee un 15 2 Stato dell arte Figura 2 13 Veicolo della Hanyang University LRF per la rilevazione degli ostacoli e un sistema GPS per la localizzazione dei punti richiesti che risulta sufficiente in quanto non richiesta una precisio ne elevata L elaborazione effettuata da un computer Samsung SENS Q70 con un processore a 2 1 GHz Il riconoscimento delle linee viene fatto median te un algoritmo piuttosto robusto di estrazione del colore in grado di operare anche in condizioni di luminosit molto differenti Anche in questo caso le informazioni provenienti dal sistema di visione e dal sensore di prossimit ven gono fuse per permettere al veicolo di navigare all interno della pista in zone sicure anche in presenza di parti di tracciato non visibili a causa della forte intensit della luce solare La direzione in cui il veicolo si muove scelta in base all angolo esistente tra la posizione attuale e il punto medio del passaggio sicuro rilevato considerandone il punto in cui esso pi stretto In tutte e tre le gare descritte i vincoli di velocit richiesti ai veicoli par tecipanti sono decisamente ridotti il che permette di analizzare la situazione con molto anticipo e di prendere decisioni con un elevato livello di sicurezza grazie anche all utilizzo di telecamere di buona qualit e sensori molto precisi L esecuzione in tempo reale quindi non costituisce un problema
39. a variabile pensata in previsione di un espansione futura in modo da indicare anche la presenza di un avversario sul lato opposto per considerare anche i 73 6 L applicazione del gioco sorpassi multipli Per quanto riguarda la situazione attuale questa variabile non utilizzata All arrivo di un messaggio di questo tipo il CommandHandler riconosce un comando di tipo Overtaking e lo gestisce nel modo corretto La posizione del kart che ha inviato la stringa viene aggiornata scambiandola con quella dell avversario che fino ad un attimo prima era immediatamente dietro di lui L aggiornamento sara visualizzato anche all interno della grafica dell applicazione A seguito di esso ad ognuno dei concorrenti viene inviato un messaggio con il formato Gupdate_position pos 1 2 dove pos indica la posizione attuale del kart destinatario In questo modo la classifica viene mantenuta costantemente aggiornata e i kart sono a conoscenza della loro posizione corretta in ogni momento 6 4 3 Gestione delle armi La selezione della tipologia di arma viene effettuata a bordo del kart al fine di evitare l invio di due messaggi uno per la richiesta e uno con la risposta Il comando ricevuto dall applicazione contiene gi quindi la scelta effettuata ed cos definito Qweapon_taken id a zA Z0 9 weapon type con type IMMUNITY LIKE_A_SHOT VIBRATION STOP THUNDER dove id l identificativo del kart che ha ottenuto
40. aborazione dell immagine 5 2 Scelta della prossima azione o o 5 3 Esecuzione del movimento 0 0000004 5 6 Sorpasso 5 8 Arduino A A E wat oes pe ee E E ee a E 6 3 1 Connessione del kart ere PaO Gund doe E Oh ee eo oe 6 4 1 Gestione dello streaming 6 4 2 Gestione del sorpassi 6 4 3 xestione delle arMil 6 4 4 Gestione dei gir o o 6 5 Conclusione della gara o a 7 8 il Test e risultati 7 1 Test e risultati 7 1 1 Riconoscimento dei bordil OTTIENE EI a ete ese eo A 1 14 Azione dell armal 0 020084 gra fo Bw Gre BBO Bae Losada ee oe dee dene x phe ana a be a eRe 7 1 8 Il gioco 7 2 Valutazione finale Conclusioni 67 67 68 69 70 70 72 73 73 74 79 76 79 79 79 81 83 84 85 85 86 86 87 89 Indice Bibliografia A Configurazione delle unit di elaborazione A 2 Raspberry Pil o A 3 Configurazione e B Istruzioni di montaggio C Documentazione del software D Manuale d uso 101 105 109 ili Indice lv Elenco delle figure de es EE ee ee ce a a A 6 2 2 Controller 2 44 d ai we aa kA AGS RE a 6 DER RE ee ee er ee o de 7 ra eae EM Goad Th Wace he ee A 8 2 5 Robogame commercialil o 020000005 9 2 6 Robogame in AIR
41. all impulso elettromagnetico che spara un raggio esplosivo al semplice clacson che spinge le altre macchinine fuori dal propria traiettoria Il feedback dato dall utilizzo delle armi sull avversario costituito da luci e flash sui veicoli e da effetti sonori generati dal dispositivo che esegue l applicazione 18 2 3 Anki Drive racing game per dispositivi Apple ACCELERATION ACCELERATION ENERGY ENERGY RECHARGE RE Figura 2 16 Abilit delle macchinine L hardware delle macchinine costituito da componenti poco costosi che comprendono due motori una batteria un microcontrollore e un sensore di tracciamento ossia un lettore a infrarossi posto tra le ruote davanti rivolto verso il basso Esso in grado di percepire le informazioni integrate nella pista coperta da uno speciale pattern simile alla traccia di un disco in vinile Figu ra 2 17a Utilizzando un processore da 50 MHz le macchinine leggono tale codice che fornisce loro la conoscenza della rispettiva posizione sul tracciato e trasmettono all applicazione l informazione ottenuta Essa sfruttando la po tenza di calcolo del dispositivo mobile utilizzer tali informazioni per calcolare con algoritmi molto avanzati la traiettoria da seguire e 1 sorpassi e le frenate da effettuare in base ad una ricerca approfondita di quello che la macchinina dovr fare e di quello che faranno gli avversari L intero rilevamento delle col lisioni infatti gest
42. ardare oltre un angolo o sporgersi verso il basso Esistono poi altri dispositivi particolari pensati sempre con lo scopo di catturare maggiormente il giocatore come Virtuix Omni Figura 2 4a un tapis roulant che scorrendo a 360 gradi permette di camminare all interno del gioco usando le proprie gambe o Disney Aireal Figura 2 40 che in grado di generare mini vortici d aria migliorando il feedback fisico ricevuto o ancora IllumiRoom Figura 2 40 un estensione del Kinect che trasforma Vintera stanza nel mondo all interno del videogame Tutto ci fa comprendere quanto sia vasto l interesse nella ricerca di tecno logie sempre pi innovative per migliorare l esperienza di gioco introducendo in alcuni casi radicali modifiche nella concezione del modo di giocare La sfida 2 Stato dell arte a Virtuix Omni b Disney Aireal scanning room c MumiRoom Figura 2 4 Nuovi dispositivi rendere i videogame sempre pit concreti permettendo al giocatore di di ventarne parte e di interagire con essi nel mondo reale Queste costituiscono alcune delle motivazioni che hanno portato alla nascita dei robogame I robogame sono ci che meglio rappresenta il traguardo finale di tale evo luzione in quanto permettono al giocatore di scendere in campo in prima persona affrontando il nemico in una sfida concreta Essi incarnano la neces sita di riprendere il contatto con la realta al di fuori dello schermo eli
43. art Odroid come unit di elaborazio ne permetterebbe di utilizzare ciascuno di essi sia come controllato sia come autonomo e gareggiare cos secondo le diverse combinazioni possibili Anche le tipologie di armi presenti potrebbero essere aumentate rendendo il gioco pi avvincente Per quanto riguarda il tracciato la creazione di altre piste di forme differenti eviterebbe la perdita d interesse aggiungendo variabilit Un idea potrebbe essere anche quella di rendere la pista un grosso puzzle cos da poterla comporre ogni volta in modo diverso Affinch esso possa effetti vamente conquistare un posto in ogni casa sarebbe necessario per pensare ad una miniaturizzazione di tutti i componenti Altro aspetto da valutare la possibilit di inserire pi livelli di difficolt per adeguare maggiormente il gioco alle caratteristiche dell utilizzatore In conclusione il risultato ottenuto seppur sicuramente migliorabile pre senta gi un livello di qualit tale da renderlo appetibile agli occhi di futuri giocatori KartBot un robogame appassionante divertente ed intuitivo pun to d incontro tra tradizione e innovazione Proprio la sua semplicit unita all aspetto gradevole lo rende adatto a tutte le fasce d et e in grado di unire le generazioni appare piuttosto facile immaginare nonni e nipoti fronteggiarsi in una sfida all ultimo colpo su un campo di battaglia in livrea nera e verde 90 Bibliografia 1 A
44. avversario abbiamo effettua to tre diversi test uno per ciascuna tipologia di arma svantaggiosa utilizzando entrambi i kart quello controllato in pista e quello autonomo fermo all ester no Ogni prova stata effettuata azionando manualmente gli interruttori per simulare l acquisizione Alla ricezione della notifica da parte dell applicazione stata correttamente visualizzata l icona riportante la tipologia di arma Suc cessivamente all utilizzo automatico di essa da parte del kart l applicazione ha ricevuto il messaggio atteso e inviato al kart controllato il comando che indica l azione dell arma su di esso L effetto stato in tutti i casi applicato correttamente sia dal punto di vista della tipologia sia della durata 84 7 1 Test e risultati a Rilevamento dell avversa b Avvicinamento c Avversario affiancato rio Figura 7 6 Sorpasso Primo esempio 7 1 5 Rilevazione del sorpasso Il sorpasso stato provato posizionando il kart autonomo fermo sulla pista Al passaggio del kart controllato a lato esso invia correttamente all applica zione la notifica che indica l avvenuto evento e quest ultima aggiorna in modo esatto la posizione visualizzata Il problema di tale funzionalit dato dalla qualit non eccellente dei sen sori di prossimit utilizzati che in alcuni istanti rilevano valori non coerenti con la situazione Tale problema stato parzialmente risolto suddividendo come gi
45. basata su protocollo UDP e un altra per lo scambio dei messaggi riguardan ti le dinamiche del gioco basata su TCP IP Entrambe sono implementate sfruttando il meccanismo dei socket e utilizzando la porta 7654 Lo streaming video prevede l invio di immagini ciascuna preceduta da un pacchetto rappresentante il nome utente del kart cos che l applicazione possa sia riconoscere da chi proviene sia sincronizzarsi sulla ricezione La struttu 64 5 8 Arduino ra dei messaggi inviati descritta nel Capitolo 6 i quali dal punto di vista software sono stringhe terminanti con il carattere n I messaggi vengono ricevuti da un thread sempre attivo ed in ascolto sulla porta desiderata aven te accesso ai campi della classe rappresentante lo stato del kart e vengono decodificati e interpretati mediante l utilizzo di espressioni regolari 5 8 Arduino Il funzionamento dello sketch software caricato sulla scheda di Arduino prevede che esso rimanga in ascolto sulla porta seriale per ricevere ed elaborare le seguenti richieste ricevute dall unit di elaborazione ognuna identificata da un carattere della dimensione di un byte e VEL STEERING_CMD Arduino attende l invio di due valori il primo dei quali rappresentante la nuova velocit e il secondo il nuovo angolo da assegnare al servomotore che controlla lo sterzo e READ STATUS Arduino risponde con un byte indicante lo stato di tutti i sensori di prossimit e
46. bbiamo convertito l immagine nello spazio HSV filtrandola poi con l utilizzo di specifiche soglie determinate sperimen talmente al fine di individuare il colore viola con qualsiasi illuminazione am bientale Questa operazione restituisce un immagine composta da aree bianche su sfondo nero che rappresentano le zone in cui presente il colore ricercato Da essa abbiamo estratto i contorni tramite l apposita funzione di OpenCV e dopo aver scartato quelli con area inferiore a 100 pixel abbiamo determinato per ciascuno dei rimanenti il suo involucro convesso cio il pi piccolo insieme 49 5 Architettura software Figura 5 7 Elaborazione arma che contiene tutti i suoi punti come mostrato in Figura 5 7 Tale involucro necessario per ottenere i cosiddetti difetti di convessit cio strutture com poste da un punto iniziale che indica una punta della stella un punto finale corrispondente alla punta successiva un punto di profondit costituito dal vertice interno compreso tra esse e un valore di profondit calcolato come la distanza tra quest ultimo e il segmento che congiunge punto iniziale e punto finale Abbiamo identificato come arma tutte le aree viola per cui esistono dai 3 ai 6 difetti di convessit per permetterne il riconoscimento anche in caso di illuminazione non ottimale o di non completa inquadratura nell immagine Se presente pi di un arma viene considerata la pi vicina cio quella p
47. breria di OpenCV la quale restituisce le matrici K e C per rimuovere la distorsione introdotta h F igura 5 4 possibile osservare l applicazione della trasformazione cal colata dall immagine originale al risultato ottenuto 5 46 5 1 1 Ricerca delle zone transitabili La ricerca delle zone transitabili cio le zone libere della pista su cui il kart pu viaggiare costituisce un compito complesso dovuto alla decisione di individuare i bordi considerando solo la differenza di colore tra le zone e dall elevata velocit dello spostamento In tale situazione sia il movimento sia le vibrazioni prodotte dalla struttura causano l acquisizione di immagini non nitide in cui i contorni possono non essere nettamente definiti Il nostro approccio stato quello di ricercare come prima cosa la presenza di armi e ostacoli sulla pista e successivamente determinare tutti i contorni presenti nell immagine identificando tra esse i margini cio quelle linee per cui a destra vi il colore nero e a sinistra il verde o viceversa Il software per il rilevamento dei contorni che abbiamo creato utilizza lal goritmo di Canny 81 date le sue prestazioni e l implementazione gi esistente in OpenCV utilizzando soglie determinate sperimentalmente Esso restituisce una nuova immagine composta solo dai contorni presenti nell originale i quali possono essere memorizzati in array di punti tramite un apposita funzione di OpenCV Tale ris
48. cazione per lo scambio di messaggi con lo specifico client La gestione di tali messaggi demandata a tre listener ognuno dei quali possiede un compito specifico Per implementarli abbiamo scelto di utilizzare tre thread cos che potessero essere in esecuzione in contemporanea al flusso principale dell applicazione rimanen do costantemente in ascolto sull apposita porta in modo da ricevere i comandi di loro interesse ed elaborarli chiamando le specifiche funzioni I tre listener presenti in un unica istanza durante l esecuzione dell applicazione sono nel dettaglio e CommandListener si occupa di accettare le connessioni basate su pro tocollo TCP IP mediante le quali l applicazione scambia messaggi con i kart Alla ricezione di questi il listener decodifica i comandi che vi sono contenuti tramite l utilizzo di espressioni regolari e a seconda della tipologia li gestisce nel modo opportuno 68 6 3 Preparazione della gara Figura 6 1 Schermata del titolo e StreamingListener il suo compito quello di ricevere lo streaming video proveniente dal kart telecomandato e di visualizzarlo nell apposito spazio della finestra dell applicazione La comunicazione in questo caso ba sata su protocollo UDP in quanto pit rapido e il livello di affidabilita della trasmissione necessario non elevato e SerialListener responsabile della comunicazione con Arduino utiliz zato per l accensione del s
49. ccensione di una serie di led a bordo del kart in modo da migliorare l esperienza di gioco I led sono collegati ad un ingres so digitale di Arduino e vengono accesi immediatamente dopo la pressione dell interruttore e spenti all utilizzo dell arma 37 4 Architettura hardware Figura 4 6 Indicatore arma 4 1 3 Sorpasso Questa funzionalit responsabile di aggiornare la classifica della gara e quindi di stabilire qual il vincitore Ogni kart individua l evento sorpassa to sfruttando i dati provenienti dai sensori laterali mediante l identificazione di due fasi distinte la prima in cui il kart riconosce di avere un avversario affiancato cio entrambi i sensori di prossimit sullo stesso lato rilevano un ostacolo e la seconda in cui il sensore laterale posteriore dello stesso lato non lo percepisce pi mentre in quello anteriore ancora presente Appena un kart riconosce di essere stato sorpassato invia un messaggio di notifica al l applicazione principale che aggiorna la classifica e invia in broadcast a tutti i kart la loro nuova posizione aggiornata 4 1 4 Connessione Al fine di permettere ai kart di scambiare messaggi con l applicazione sia per l implementazione delle dinamiche di gioco sia per lo streaming video abbiamo configurato una rete WiFi A tale scopo abbiamo utilizzato un access point wireless e equipaggiato tutti i kart con una scheda di rete WiFi connessa al bus USB I
50. colari considerazioni ad eccezione della necessit di distribuire la maggior parte del peso nella parte posteriore Il discorso ovviamente diverso nel caso delle interconnessioni tra i compo nenti hardware e Arduino di seguito ne riportiamo gli schemi dettagliati per entrambi i kart In F igura B 1 mostrato lo schema generale delle connessio ni con Arduino Per le periferiche che sfruttano la comunicazione I2C stato necessario convertire i 5 V erogati da Arduino a 3 3 V Per farlo abbiamo adottato due soluzioni differenti per i due kart in quello autonomo abbiamo creato il circuito mostrato in F igura B 2d mentre in quello controllato abbia mo realizzato una semplice rete resistiva visibile in F igura B 2b Tale diversit deriva dal fatto che nel kart autonomo la presenza della wiiCam creava pro blemi di assorbimento sulla rete resistiva In F igura B 3 abbiamo riportato lo schema circuitale per il collegamento della wiiCam 101 B Istruzioni di montaggio Burzi LON AMOZ6 AEE LLes afaw 10 09 a yosuag PS pueog vas dam mm ONION A E Peo O n WMd LLO WMd ELO Lvoe osa Ira LIWANMd ZIO OJIN sosuas Ajuxosd ya 40eq s0sues Auuposd ya UO Josuas Ajiuizosd 1yBu 1U04 _Josues Ajuuxo1d yYB11 9028 Ae euaneg E 0 Y ouinpay NIA Figura B 1 Schema connessioni 102 180 10pF 10pF 1N4118 1N4148 T T 330 a
51. cosiddetta quarta parete permet tendo al giocatore di vivere un esperienza d uso totalizzante che lo renda con cretamente parte di esso mediante un feedback fisico sempre maggiore Di questa categoria fanno parte le interfacce indossabili che restituiscono perce 2 1 Evoluzione del gioco dai videogame ai robogame a Google Glass b Oculus Rift Figura 2 3 Visori HDM zioni sensoriali di quello che sta avvenendo all interno del gioco come i guanti contenenti interfacce aptiche che permettono di manipolare oggetti virtuali e ricostruiscono la sensazione data dal tocco i corpetti dotati di decine di sensori in grado di simulare colpi di armi da taglio e da fuoco ed esoscheletri pit completi cio tute piene di sensori in grado anche di rilevare qualunque movimento del corpo I dispositivi indossabili che possiedono pero le poten zialit maggiori per una vasta diffusione nel campo dei videogame sono i visori HDM Head Mounted Display dai Google Glass F igura 2 3a che sfruttano la realt aumentata cio la sovrapposizione di elementi virtuali al mondo reale all Oculus Rift Figura 2 3b che grazie ad uno schermo ad alta definizione crea un universo totalmente immaginario in cui immergersi Esso in grado di calcolare i pi piccoli movimenti della testa permettendo di spostare la vi suale all interno del mondo virtuale semplicemente ruotandola di avvicinare lo sguardo a qualcosa per vederlo meglio di gu
52. da implementare per affrontare una gara su pista ovviamente fare in modo che il veicolo sia in grado di percorrere il tracciato prestabilito senza uscire dai bordi All inizio dello studio del settore questo problema era stato notevolmente semplificato utilizzando percorsi con pareti in modo che i veicoli autonomi riuscissero a percepirle attraverso l uso di pi sensori di prossimit montati lateralmente e sfruttassero le informazioni 11 2 Stato dell arte b Tracciato Figura 2 8 IGVC sulla loro posizione per muoversi all interno del percorso Nella realizzazione di KartBot adottare tale tecnica ci sembrato troppo banale e vincolante Il nostro scopo infatti quello di creare un gioco che sia il pi possibile vicino alla realt e altamente innovativo affidando la navigazione al sistema di visione Inoltre non utilizzare le pareti rende l ambiente molto pi flessibile e con un ingombro pi limitato soprattutto nell eventualit di modifiche future che permettano di miniaturizzarlo 0 volendo anche di renderlo un puzzle ricomponibile a piacimento il tutto nell ottica di una possibile diffusione nelle case delle persone Per KartBot abbiamo deciso quindi di far s che il kart fosse in grado di percorrere il tracciato utilizzando esclusivamente la differenza di colore Oggi esistono principalmente tre robot racing che si basano su idee molto simili alla nostra che si svolgono per all apert
53. della variabile che identifica l avvenuta acquisizione di un arma e READ COLOR Arduino legge e invia il valore rilevato dal sensore di colore e WEAPON_ EXPLOITED Arduino riceve la notifica che Parma stata utilizzata spegne i led e setta la variabile booleana locale di possesso dell arma a falso e OPPONENT_KART Arduino invia le coordinate x y delle sorgenti infrarosso rilevate dalla wiiCam Al fine di ridurre la quantit di dati inviata sul canale seriale abbiamo rag gruppato le informazioni sui sensori di prossimit e sull acquisizione dell arma in un solo byte di cui ogni bit rappresenta lo stato di un sensore secondo la F igura 5 17 Tale lettura viene effettuata con una frequenza di circa 50 Hz Inoltre il colore restituito dal sensore stato convertito in scala di grigi mediante il metodo della media cosi che esso venga identificato mediante un 65 5 Architettura software Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Sensore Non usato acquisita frontale anteriore sinistro destro destro MSB LSB Figura 5 17 Struttura del byte rappresentante lo stato dei sensori byte anzich tre Tale lettura separata da quella degli altri sensori in quan to viene effettuata con frequenza inferiore circa 4 Hz a causa dell elevata necessit di risorse richieste 66 Capitolo 6 L applicazione del gioco KartBot corredato da un applicazione realizzata in Java che rap
54. e controlled by a player and the other one by artificial intelligence where both of them can get strange weapons to obstacle their opponent trying to win the race The most innovative aspect in KartBot consists in the autonomous kart which is able to move by itself in a dynamic environment exploiting only sensor perceptions images and computer vision algorithms processed by an on board mini computer KartBot is an amazing exciting and easy to use game able to keep in interest everyone by a well balanced combination of tradition and innovation Indice 1 Introduzione 1 1 Struttura della tesil 2 Stato dell arte 2 1 Evoluzione del gioco dai videogame ai robogame 2 2 Le robot racing 2 3 Anki Drive racing game per dispositivi Apple 3 Descrizione del gioco 3 1 Descrizione del gioco e regolamento 3 2 _ Funzionalit del kart 3 3 Caratteristiche dell ambiente di gioco Ea a sila ea 4 1 1 1 Unit di elaborazione 4 1 1 2 _ Sensori 4 1 1 3 Attuatori 4 1 2 Armil dp E Sie eee Re tag May oe eh 4 2 Struttura del kart 5 Architettura software eh E NE RI 5 1 1 Ricerca delle zone transitabili 10 17 23 23 26 28 31 31 31 31 33 37 37 38 38 39 39 43 44 47 Indice 5 1 2 Rilevazione indicatore delle armil 5 13 Riconoscimento del kart avversario 5 1 4 El
55. e piattaforme abbiamo installato ArchLinux ARM data la sua semplicit di utilizzo il ridotto consumo di risorse e il suo costante 32 4 1 Funzionalita a Odroid b Raspberry Figura 4 2 Unita di elaborazione aggiornamento In Appendice A abbiamo riportato le istruzioni per la loro configurazione Entrambe le unita di elaborazione adottate sono dotate di due porte USB ma noi necessitavamo di quattro di esse per collegare tutti i componenti A tale scopo abbiamo equipaggiato entrambi i mini computer con un hub USB a quattro porte il cui collegamento ha rappresentato un operazione delicata Sia Odroid sia Raspberry presentano infatti una corrente limitata in uscita su tali porte che potrebbe risultare insufficiente per alimentare tutte le pe riferiche collegate causando un loro funzionamento non corretto Abbiamo quindi alimentato l hub USB direttamente dalla batteria di bordo cos che i dispositivi ad esso collegati non assorbano corrente direttamente dall unit di elaborazione 4 1 1 2 Sensori L acquisizione delle immagini avviene attaverso una webcam Logitech C270 Figura 4 30 con una risoluzione HD a 720p e con un angolo di vista di circa 60 collegata direttamente all unit di elaborazione tramite USB Su di essa abbiamo installato una lente che permettesse di aumentare il suo angolo di vista Al fine di ridurre l elaborazione sulle immagini e la loro occupazione in memoria centrale abbiamo imp
56. eggianti tale rete ha un architettura a stella client server il cui centro rappresentato dal Vapplicazione e i client dai kart La connessione stata realizzata tramite 43 5 Architettura software Sorpasso Navigazione Connessione Stato kart Arduino Figura 5 1 Interconnessione logiche software socket basati su protocollo UDP per quanto riguarda lo streaming video e su TCP IP per lo scambio di messaggi In generale lo schema adottato per la comunicazione in entrambe le direzioni prevede l invio del comando senza attesa di risposta della controparte in quanto questa non aggiungerebbe nuova informazione ma aumenterebbe solo il traffico dati sulla rete 5 1 Visione La presenza della lente sulla webcam causa una notevole distorsione dell im magine che abbiamo dovuto rimuovere al fine di effettuare in modo adeguato l elaborazione successiva In questo processo vengono presi in cosiderazione solo i contributi della distorsione tangenziale Figura 5 9 dovuta al fatto che la lente pu non essere perfettamente parallela al piano dell immagine e della distorsione radiale Figura 5 3 che si manifesta sotto forma di effetto botte Per correggere l immagine occorre in primo luogo individuare la matrice di calibrazione della camera K ed i coefficienti di distorsione C e successivamente effettuare una rimappatura dei punti applicando ad essi la trasformazione ottenuta Quindi per un pun
57. eguire movimenti intelligenti e garantire la massima fluidit evitando bruschi cambi di direzione Un elemento essenziale ad esempio costituito dalla modulazione della velocit a seconda del tipo di 52 5 2 Scelta della prossima azione a Arma singola b Arma doppia Figura 5 9 Goal con arma tracciato che si sta per intraprendere proprio come avviene anche nella realta quando una persona alla guida di un automobile pi elevata in situazioni favorevoli come in un rettilineo o in una curva dolce e ridotta quando invece ci si avvicina ad una curva stretta o la situazione particolarmente pericolosa Il passo successivo alla rilevazione dei bordi sull immagine quello dell i dentificazione della tipologia di tracciato rettilineo curva a destra o curva a sinistra Per fare ci viene osservato il bordo contenente il numero maggiore di punti il che fornisce anche una stima approssimata della posizione del kart in pista Osservando l andamento della retta y ma q passante per il pri mo e l ultimo punto del bordo analizzato possibile classificarlo come curva a destra se tutti i suoi punti giacciono nell iperpiano y lt ma q come curva a sinistra se tutti i suoi punti giacciono nell iperpiano y gt mz q o come rettilineo se tutti i suoi punti appartengono alla retta La direzione da attribuire al kart per il movimento successivo quella che lo porta a orientarsi verso un punto
58. ei numerosi investitori che hanno apportato nella compagnia finanziamenti pari a 50 milioni di dollari Anki Drive consiste in una gara tra macchinine dotate di intelligenza arti ficiale che le rende in grado di guidarsi da sole fino a una velocit massima di 1 5 m s In pista possono esserci fino a quattro veicoli e i giocatori possono prendere il controllo di uno o pi di essi mediante l utilizzo di un iPhone un iPod touch o un iPad In questo modo possibile sfidare gli amici o l in telligenza artificiale stessa prestando attenzione perch essa programmata per vincere e cercher di eliminare gli avversari con ogni mezzo Per poter cominciare a giocare sufficiente srotolare la pista di dimensione 1 07 x 2 6 m realizzata in vinile nero e lucido su una superficie piana in un ambiente chiuso Essa venduta insieme a due macchinine che misurano 8 26 x 4 45 cm fornite di caricabatterie in un kit iniziale che ha il prezzo di 199 95 mentre ulteriori macchinine aggiuntive hanno un costo di 69 95 l una Il gioco reso possibile da un apposita applicazione per iOS Figura 2 15 17 2 Stato dell arte EOSON 4 GARAGE gt 4 500 2000 5000 SUPPORT ITEM a Esempio di schermata b Esempio di schermata Figura 2 15 Applicazione che scambia con le macchinine una grande quantit di informazioni tramite bluetooth a bassa energia proprio questa infatti a contenere realmen te l int
59. elligenza artificiale in grado di controllare ogni aspetto necessario al funzionamento di Anki Drive L idea quella di avere un software che funge da cervello di un sistema complesso costituito da robot fisici con conoscenze e capacit limitate rendendoli in grado di costituire presi nel loro insieme qualcosa di altamente intelligente Nel gioco esistono quattro tipologie di macchinine ognuna con abilit pro prie caratteristiche diverse di accelerazione velocit ed energia e con specifici equipaggiamenti virtuali F igura 2 16 Il loro utilizzo permette di guadagna re punti da poter riscattare e sfruttare per farle evolvere migliorandone gli aspetti relativi a motore telaio armi e difese per il combattimento ed energia Tutto ci permesso dall applicazione che mantiene all interno del telefono uno stato virtuale con la personalit delle auto le modifiche non portano cambiamenti fisici ma semplicemente un diverso comportamento definito dal software Anki Drive potrebbe all apparenza sembrare semplicemente una corsa di macchinine ma in realt si tratta di una vera e propria battaglia Non vince chi arriva primo ma chi raggiunge per primo il numero di punti prestabilito colpendo gli avversari con le armi a disposizione Esse sono delle tipologie pi disparate da quella che fa girare la macchinina e la fa guidare contro il flusso del traffico alla frenata brusca che fa volare l avversario dietro di essa
60. emaforo e la rilevazione del compimento di un giro da parte dei kart Per quanto riguarda invece l aspetto grafico dell applicazione la classe re sponsabile rappresentata dal singleton GameGUI L interfaccia costituita da un unica finestra con quattro diversi pannelli che vengono visualizzati o nascosti a seconda delle necessit al fine di garantire la massima fluidit nel passaggio da una schermata di gioco all altra 6 3 Preparazione della gara All avvio dell applicazione vengono subito create le classi Java essenziali per la gestione della logica del gioco All utente compare invece la schermata del titolo dalla quale possibile procedere alla fase di preparazione della gara vera e propria Figura 6 1 69 6 L applicazione del gioco 6 3 1 Connessione dei kart Ur operazione essenziale costituita dall apertura delle sessioni con i client alle quali l applicazione non pone un limite in quanto ideata pensando al l eventualit di un espansione futura che renda possibile la presenza di pi di due kart Al momento della connessione di un client viene creata una nuova sessione che viene mantenuta fino al momento della disconnessione Essa lo rappresenter in modo univoco e verr utilizzata per tutti gli scambi di mes saggi necessari allo svolgimento del gioco L oggetto Sessione si occupa di rimanere costantemente in ascolto sulla porta al fine di ricevere i comandi e gestirli nel modo
61. enza della ROI centrale dell area maggio re individuata In situazioni particolari pu accadere che una o entrambe le aree libere a lato dell avversario non siano completamente inquadrate nell im magine Un esempio del primo caso mostrato in F igura 5 10 In essa si pu notare come l area libera pi larga presente nell immagine sia a sinistra men tre nella realt la soluzione migliore sarebbe effettuare il sorpasso a destra Ci si verifica perch la porzione pi grande della pista non rientra nell inqua dratura Per risolvere questo problema e permettere al kart di esplorare tale zona abbiamo assegnato ad un area libera non delimitata cio tale per cui la prima o l ultima ROI coincida con il bordo dell immagine una larghezza idealmente infinita che quindi le permetter di essere sicuramente scelta Qualora in un immagine entrambe le aree libere in corrispondenza del pun to pi vicino dell avversario non siano interamente inquadrate come in Figura il kart non in grado di identificare con certezza la prossima azione da 54 5 2 Scelta della prossima azione a Spazio sufficiente b Spazio insufficiente Figura 5 12 Ostacolo eseguire in quanto non possibile conoscere la sua posizione all interno del tracciato Quando ci si verifica abbiamo ritenuto opportuno sfruttare la pi recente informazione nota sui bordi nell immagine corrente o in quelle prece denti supponendo che l ult
62. er cui necessaria una variazione minore dalla direzione rispetto a quella attuale 5 1 3 Riconoscimento del kart avversario Il riconoscimento del kart avversario avviene tramite la wiiCam che rileva le coordinate di massimo quattro sorgenti nell infrarosso espresse in un sistema di riferimento la cui origine posta nell angolo in alto a sinistra e la cui risoluzione di 1024 x 768 pixel Tali coordinate non possono essere usate direttamente per tracciare l ostacolo sull immagine in quanto la webcam e la wiiCam sono installate ad altezze diverse sul kart seppur entrambe in posizione centrale La trasformazione che lega i punti rilevati dalle due camere un omografia identificata da una matrice H di dimensione 3 x 3 come indicato nella 5 3 hi ha hg Helio de 5 3 h7 hg 1 50 5 1 Visione Dato un punto Pyiicam identificato dalla wiiCam esso verr trasformato nel punto Pwebcam secondo l equazione 5 4 Prjebc m H PuiiCam 5 4 Per identificare gli elementi della matrice H abbiamo sfruttato un apposita funzione di OpenCV la quale fornendo la corrispondenza tra le coordinate di quattro punti individuati manualmente risolve un sistema di otto equazioni linearmente indipendenti e restituisce le incognite h 5 1 4 Elaborazione dell immagine Al fine di ridurre l elaborazione e incrementare le prestazioni del software abbiamo deciso di considerare solo una fascia dell immagine che dat
63. erzo posto a met della sequenza di ROI consecutive pi stretta trovata controllando ciascuna riga Il goal viene posto nel centro della ROI contenente la mediana del triangolo cos definito Tale metodo permette al kart di avvicinarsi al bordo interno della pista nelle curve e di rimanere invece al centro del tracciato quando sta percorrendo un rettilineo Nella F igura 5 15 mostrato il posizionamento del goal mediante il triangolo 57 5 Architettura software Figura 5 15 Goal con triangolo 5 3 Esecuzione del movimento I movimento eseguito dal kart avviene in direzione della posizione del goal considerando come punto iniziale quello avente come ordinata l altezza dell im magine essendo l origine del sistema di riferimento posta in alto a sinistra e ascissa pari a meta della sua larghezza L inclinazione delle ruote ricavata misurando l angolo compreso tra l asse delle ascisse e la retta passante per il goal e il punto iniziale Anche la velocit attribuita al kart dipende da tale valore esso viene rallentato se l angolo si avvicina agli estremi 0 e 180 e accelerato in prossimit dei 90 Per descrivere il nostro mondo tridimensionale siamo abituati ad usare la geometria euclidea dove ogni oggetto ha delle dimensioni due linee interse canti formano un certo angolo e le linee parallele non si incontrano mai Quan do consideriamo un immagine tale geometria non pi sufficiente in quanto non vengo
64. ettiva Purtroppo in alcuni casi sfortunati in cui l unico bordo rilevato quello esterno alla pista si possono verificare comportamenti anomali del kart solitamente corretti al immagine successiva 7 1 2 Gestione della navigazione Per valutare l abilit del kart autonomo di rimanere in pista gli abbiamo fatto percorrere il tracciato senza la presenza dell avversario al suo interno Come si pu vedere in F igura 7 2 la forma della pista viene riconosciuta esat tamente e la direzione calcolata in modo corretto come indicato dal pallino azzurro che rappresenta il goal dopo l applicazione della rettifica Come facilmente riscontrabile osservando in particolare la Figura 7 20 81 7 Test e risultati a Riflesso luminoso b Sfocatura c Approssimazione con riflesso luminoso d Approssimazione con sfocatura Figura 7 3 Situazioni sfavorevoli durante i test sono emersi due problemi principali per la navigazione basata unicamente sul sistema di visione Il primo costituito dalla presenza di ri flessi di luce particolarmente intensi e fastidiosi in alcuni punti della pista che alterano i colori disturbandone il riconoscimento come si pu vedere dalla F igura 7 3d Il secondo rappresentato dalla sfocatura delle immagini dovuta al movimento e alle vibrazioni della struttura come appare chiaro dalla Figu ra Anch essa rende estremamente difficoltosa la rilevazione dei bordi a causa della mancan
65. figurazione della pista pu comportare una rapida perdita di interesse dei giocatori 21 2 Stato dell arte 22 Capitolo 3 Descrizione del gioco 3 1 Descrizione del gioco e regolamento KartBot un robogame ispirato al famoso videogame Mario Kart Wii Il gioco consiste in una gara tra due kart caratterizzata dalla possibilita di ottenere ed utilizzare armi bizzarre per ostacolare l avversario e ottenere cos la vittoria In KartBot i kart sono in realt robot su ruote uno dei quali controllato dal giocatore mediante un Wii Remote e l altro dall intelligenza artificiale oppure se lo si desidera da un altra persona Abbiamo scelto di utilizzare il controller Wii Remote proprio al fine di mantenere l analogia con Mario Kart Wii I tasti da utilizzare per il gioco sono soltanto tre il tasto 1 che se premuto permette di accelerare e se rilasciato di decelerare il tasto 2 che ferma istantaneamente il kart il tasto B che permette di utilizzare l arma se presente Per sterzare sufficiente inclinare il controller Per il funzionamento di KartBot necessario disporre di un computer sul quale eseguire l applicazione del gioco posizionato in modo che sia ben visibile durante tutta la gara Prima della partenza i kart devono essere collocati nell apposito spazio contrassegnato sulla pista e dall applicazione va indicata la loro posizione di partenza Allo scattare del semaforo la gar
66. gono un numero di pixel neri pari a pi di met di quelli totali Seppur ci costi tuisca un approssimazione permette comunque al kart di effettuare un azione non totalmente casuale cosa altrimenti non possibile In tutti i casi in cui la direzione da seguire non identificata con certezza il kart attua un comportamento conservativo rallentando fino a raggiungere la velocit minima Nel caso in cui vengano individuati sia l avversario sia l arma abbiamo ritenuto opportuno dare la precedenza all evitamento della collisione Nelle situazioni in cui nell immagine non sono identificati n il kart avver sario n le armi distinguiamo tre diversi casi Il primo quello della presenza di una curva particolarmente stretta e si verifica ad esempio quando il kart si sta avvicinando eccessivamente ad un bordo sia nell esecuzione di una curva sia quando esso direzionato in modo da avere un lato di fronte a s come in F igura 5 14a Ci individuato contando il numero di righe visibili esterne al tracciato partendo dalla parte alta dell immagine cio dalla zona pi lontana dal kart Perch una riga sia considerata tale deve avere almeno il 75 delle sue ROI marcate come fuori pista Il numero ottimale per assicurare fluidit al movimento in relazione alla velocit che il totale di esse sia maggiore di 5 Abbiamo determinato tale valore sperimentalmente un numero pi alto 56 5 2 Scelta della prossima azione
67. i che non permettevano di riconoscere perfettamente il colore e alle immagini non sempre 34 4 1 Funzionalita a Webcam C270 b Sensore prossimita c Sensore colore Figura 4 3 Sensori nitide dovute sia al movimento sia alle vibrazioni le quali non permettevano di riconoscere la forma rettangolare Come prima alternativa abbiamo po sizionato sulla parte posteriore dei kart dei marker predefiniti sfruttando le implementazioni contenute nella libreria ARToolkit Per motivazioni analoghe alle precedenti abbiamo escluso questo metodo La scelta definitiva ricaduta sull utilizzo del sensore WiiCam Fi gura una fotocamera IR contenuta nel Nintendo Wii Remote Nel suo habitat naturale essa riesce ad individuare le sorgenti di infrarosso presenti nella WiiBar per stabilire tramite semplici calcoli trigonometrici la posizione del Wii Remote rispetto ad essa Nel nostro scenario abbiamo installato una WiiBar nella parte posteriore del kart controllato che viene individuata dalla WiiCam installata sul kart autonomo Tramite un apposito circuito elettronico riportato in Appendice B la WiiCam invia ad Arduino le coordinate di un massimo di quattro sorgenti di infrarosso individuate Anche in questo caso la comunicazione con la scheda Arduino avviene tramite bus I2C sul quale pos sono essere installati fino a 112 dispositivi identificati ciascuno da un indirizzo 35 4 Architettura hardware Figura 4 4
68. i http www raspberrypi org 18 Odroid U2 http www hardkernel com main products prdt_info php g_code G135341370451 19 Archlinux ARM http archlinuxarm org 20 Webcam C270 http www logitech com it it product hd webcam 21 Sensore di prossimit Sharp 2d120x http www sharpsma com web m_ send 1205 22 Arduino micro http arduino cc en Main arduinoBoardMicro 23 Sensore di colore ADJD S311 http d1nmh9ip6v2uc cloudfront net datasheets Sensors Light Imaging datasheetCR999 pdf 24 Circuito WiiCam 25 Tracer 26 Libreria OpenCV 27 Libreria LibSerial 28 Y M Wang Y Li and J B Zheng A Camera Calibration Technique Based on OpenCV Information Sciences and Interaction Sciences ICIS 2010 3rd International Conference on pages 403 406 2010 29 Calibrazione webcam usando la libreriaOpenCV opencv org doc tutorials calib3d camera_calibration camera_ calibration html 92 Bibliografia 30 Richard Hartley and Andrew Zisserman Multiple View Geometry in Computer Vision Cambridge University Press 2000 31 Algoritmo di Canny http docs opencv org doc tutorials imgproc imgtrans canny_detector canny_detector html 32 Zhengyou Zhang Single View Geometry of A Rectangle With Applica tion to Whiteboard Image Rectification nttp research microsoft com en us um people zhang papers whiteboardrectification pdf 2013 33 Libreria bluetooth BlueZ http ww
69. iconoscere l avversario quando esso si trova molto spostato rispetto alla linea di vista della WiiCam che in tali casi non riesce a rilevarlo Durante i test sono emersi inoltre i problemi gi riportati nel Capitolo 3 causati da situazioni di incertezza dovute al ristretto campo vi sivo il quale pu impedire la conoscenza della posizione all interno della pista Tali situazioni seppur in parte risolte in condizioni particolarmente sfavorevoli possono ancora essere problematiche e provocare un comportamento anomalo del kart 7 1 7 Rilevamento del giro La verifica del rilevamento del giro stata effettuata facendo passare prima un solo kart sotto la struttura metallica e poi entrambi in contemporanea In tutte e due le situazioni viene rilevato il numero effettivo di kart e viene inviato il corretto numero di messaggi mediamente nel 95 dei casi Inoltre il conteggio del giro viene aggiornato correttamente dall applicazione Anche in questo caso la non eccellenza della qualit dei sensori pu pro vocare la rilevazione di valori non corretti che stata comunque limitata al minimo basando l identificazione di un evento sulla lettura di pi valori con secutivi Inoltre abbiamo notato che i sensori non possono essere tra loro allineati perch ci provocherebbe interferenze fastidiose e conseguenti letture errate ma devono essere posizionati ad altezze diverse e inclinati lateralmente con angolazioni differenti 7 1 8
70. identificato sull immagine detto goal calcolato sfruttando le informazioni contenute nella matrice delle ROI e la tipologia del tracciato Nel caso in cui vengano riconosciute una o pi armi esso viene posizionato in corrispondenza della ROI che rappresenta quella pi vicina come visibile in F igura 5 9 con un arma singola 5 9a e con due armi 5 9b Se viene rilevato il kart avversario situazione che ha priorit maggiore ri spetto alla precedente esso posizionato in un area libera sufficientemente larga da permettere il passaggio in completa sicurezza La ricerca di que st ultima effettuata nella zona pi vicina al kart rappresentante l avversario 53 5 Architettura software Figura 5 10 Area indefinita sul lato destro cio la riga di ROI pi bassa nell immagine avente celle marcate come osta colo La larghezza di un area misurata in pixel sull immagine e convertita in centimetri usando l equazione 5 5 dove il coefficiente cz calcolato sperimen talmente indica il rapporto tra la larghezza di una ROI in pixel sulla riga x e la sua dimensione in centimetri nel mondo reale lem Ca lpizel 5 5 L analisi effettuata identificando le sequenze di ROI consecutive marcate come libere e stabilendo per ognuna se ampia a sufficienza per il passaggio del kart e in caso ci sia vero se la pi larga tra quelle finora scoperte Il goal viene infine posizionato in corrispond
71. iene installata in una partizione da 2 GB ridimensionabile tramite l utilizzo di utility come GParted o simili L installazione di OpenCV stata effettuata attraverso il gestore dei pac chetti avendo precedentemente installato pkg config con il seguente coman do pacman S opencv pkg config Per la comunicazione bluetooth con il Wii Remote abbiamo usato la libreria bluez installabile attraverso il gestore dei pacchetti con il seguente comando pacman S bluez 97 A Configurazione delle unita di elaborazione L avvio del servizio bluetooth al boot del sistema viene attivato con i seguenti comandi systemctl enable bluetooth service systemctl start bluetooth service La comunicazione con il Wii Remote stata gestita attraverso la libre ria Uibcwiimote la quale richiede la presenza del solo pacchetto bluez Non essendo presente nei repository ufficiali di ArchLinux abbiamo dovuto proce dere alla sua compilazione ed installazione seguendo i comandi sotto elencati dopo aver scaricato i file sorgente reperibili all indirizzo nttp libwiimote sourceforge net download Dal momento che essa scritta per essere uti lizzata con il linguaggio C abbiamo dovuto eseguire una patch scaricabile dal sito http sourceforge net p libwiimote bugs 3 per permettere il link e la compilazione in C tar xzvf libwiimote x x gz cd libwiimote x x copiare il file add
72. imo bordo visto sia il pi vicino alla posizione at tuale del kart il goal viene posto nell area libera dall altro lato dell avversario dove presumibilmente si trova lo spazio pi grande Altra situazione particolare rappresentata da immagini in cui presente spazio solo ad un lato dell avversario in quanto esso occupa totalmente la prima o la seconda porzione dell inquadratura Se ci si verifica e l unica area libera trovata non permette il passaggio il goal viene posizionato nel punto pi estremo dell immagine dal lato dove presente il kart supponendo che la porzione maggiore della pista si trovi da quella parte In Figura 5 1 possibile osservare tale situazione in due diversi casi nel primo lo spazio delimitato visto sufficiente al passaggio 5 12a nel secondo 59 5 Architettura software Figura 5 13 Approssimazione in assenza di bordi invece no 5 120 In qualunque caso di scelta errata della direzione da percorrere il kart esegue il movimento selezionato per poi correggerlo non appena riceve infor mazioni utili dalle immagini successive Vi sono poi situazioni in cui il kart avversario posizionato in modo da impedire il riconoscimento dei bordi come in Figura In tal caso l unica informazione utilizzabile per impedire la fuoriuscita dal tracciato e l urto con esso quella relativa alla posizione del colore nero rilevato Le ROI vengono marcate con area libera se conten
73. in modo autonomo L obiettivo per il futuro far s che il settore si affermi e raggiunga una rapida espansione contribuendo all attuazione della profezia enunciata da Bill Gates secondo la quale i robot saranno la prossima tecnologia ad invadere le case di tutti come avvenuto con i computer e i telefoni cellulari 3 Anche in AIRLab 4 al Politecnico di Milano nel corso degli anni sono sta ti realizzati diversi robogame classificabili come PIRG Physically Interactive RoboGame 5 in cui i partecipanti sono agenti autonomi di cui almeno uno un robot e almeno uno una persona che interagiscono in un ambiente pos sibilmente variabile e sconosciuto seguendo alcune regole cos che i giocatori umani possano divertirsi Le caratteristiche che li contraddistinguono sono Vautonomia in ambienti sconosciuti e dinamici la robustezza fisica la facilit d uso l affidabilit la sicurezza e l elevato livello della qualit dell interazione Alcuni dei PIRG creati recentemente in AIRLab sono e Jedi Training 6 ispirato ai film Star Wars in cui un drone volante cerca di colpire l apprendista Jedi con un raggio laser e quest ultimo deve difendersi usando la sua spada Figura 2 6a e RoboTower 7 ispirato alla tipologia di videogame in cui bisogna difen 2 Stato dell arte a Jedi Training b RoboTower Figura 2 6 Robogame in AIRLab dere una torre nel quale il giocatore deve impedire al robot di di
74. it restituisce un valore compreso tra 0 e 600 alla scheda di Arduino inversamente proporzionale alla distanza idealmente uguale 0 quando non c alcun ostacolo e tendente a 600 pi l oggetto rilevato vici no Nella realt quando presente un ostacolo il valore restituito pu essere considerato molto simile a quello ideale mentre quando non presente ci pos sono essere delle imprecisioni dovute sia a condizioni sfavorevoli nell ambiente sia alla scarsa qualit dei sensori Per tali motivazoni abbiamo identificato l assenza del kart avversario davanti ad un sensore quando esso restituisce un valore minore di una soglia determinata sperimentalmente al valore 50 Tale operazione viene effettuata da Arduino e le informazioni relative allo stato di ogni sensore vengono salvate in una variabile la cui struttura descritta in Figura 5 177 Ogni bit di essa relativo ad un sensore e viene settato a 1 se presente un ostacolo a 0 altrimenti Tale variabile viene inviata all unit di elaborazione a fronte di un opportuna richiesta come riportato nella Sezione 5 7 Connessione Ogni kart stato configurato assegnandogli un indirizzo IP WiFi statico appartenente alla rete 192 168 1 0 24 e l indirizzo IP 10 0 0 1 per la scheda di rete ethernet uguale per tutti i kart Date le funzionalit richieste il kart deve mantenere attive due connessio ni contemporaneamente una per inviare lo streaming video all applicazione
75. ito dall applicazione in quanto le auto non sono in grado di vedersi tra loro L applicazione analizza con una frequenza pari a 500 volte al secondo migliaia di potenziali azioni ottenendo una pianificazione migliore di una semplice reazione istantanea Il principio su cui il suo funzionamento si basa ispirato a quello dei robot inseguitori di linee In questo caso per la linea non esiste davvero il sofisticato software crea qualunque manovra si desideri e la converte in una linea virtuale che la macchinina segue come se si trattasse di una linea fisica Figura 2 17 le che ha luogo tutta la computazione e vengono prese le decisioni alle auto all interno del dispositivo mobi spetta solo il compito di eseguire i comandi ricevuti L applicazione quindi non rappresenta un semplice controllo remoto ma ci che conduce l esperienza 19 2 Stato dell arte a Struttura del tracciato b Calcolo della traiettoria Figura 2 17 Pista attraverso un utilizzo dei dispositivi diverso da quello finora sperimentato Cio che pero ha lasciato perplessi i fortunati che hanno gia avuto la possi bilit di provare Anki Drive proprio il fatto che anche le automobiline sotto il controllo dei giocatori si guidano da sole I giocatori assumono semplicemente un ruolo di assistenti alla guida in grado di effettuare solo alcune intromissio ni durante il gioco decidere quanto veloce la macchinina deve andare farla
76. ittoria I kart sono rappresentati da robot su ruote uno comandato tramite il controller Wii Remote e l altro autonomo La competi zione si svolge su una pista appositamente disegnata e comincia allo scattare del semaforo Il gioco corredato da un applicazione tramite la quale vengono visualizzate alcune informazioni importanti un video con ci che viene visto dal kart durante la gara la posizione occupata costantemente aggiornata e le armi a disposizione del giocatore ottenute passando con il kart sopra i relati vi indicatori presenti sulla pista La gara termina quando il primo giocatore raggiunge il traguardo In tutto lo sviluppo del gioco abbiamo fatto in modo che le decisioni prese permettessero di mantenere la massima flessibilit ed espandibilit Idealmen te infatti il gioco potrebbe essere ampliato aumentando il numero di kart sia autonomi sia controllati dai giocatori oppure incrementando ad esempio la tipologia delle armi presenti Anche il tracciato della pista pu essere ridisegna to in forme pi elaborate non essendo questo vincolante per il funzionamento del kart autonomo L obiettivo che ci siamo posti e che ha guidato ogni nostra scelta imple mentativa stato quello di realizzare un gioco il pi possibile coinvolgente e movimentato Effettuando una fusione tra tradizione e innovazione abbiamo concepito un gioco fatto di regole semplici ma con quel pizzico di originalit in grado di suscitare l i
77. l arma e weapon contiene la tipologia di arma che esso ha selezionato Alla ricezione del messaggio l applicazione memorizza l arma a disposizione associata al kart e la visualizza in primo piano nella schermata in modo che sia ben visibile al giocatore Figura 53 Quando quest ultimo decide di utilizzarla premendo l apposito pulsante sul Wii Remote il kart invia all applicazione un messaggio del tipo Cweapon_used id a zA Z0 9 weapon type con type IMMUNITY LIKE_A_SHOT VIBRATION STOP THUNDER 74 6 4 Svolgimento della gara Figura 6 5 Possesso arma dove id l identificativo del kart che l ha inviato e weapon la tipologia di arma Dopo che stato controllato l effettivo possesso dell arma si possono verificare due situazioni e nel caso di armi vantaggiose cio Immunit e Razzo il messaggio ricevuto costituisce una semplice notifica dell avvenuto utilizzo e nel caso di armi svantaggiose cio Vibrazione Stop e Fulmine l appli cazione invia al kart avversario il comando che ne indica l utilizzo su di esso Gexploiting_weapon VIBRATION STOP THUNDER L immagine dell arma a questo punto scompare dalla finestra e ritorna indefi nito il valore della variabile che ne indica il possesso da parte del kart 6 4 4 Gestione dei giri I valori letti dai sensori montati sulla postazione di partenza vengono ana lizzati mediante l utilizzo di Arduino Esso identifica il
78. mario di un robogame diventa quindi quello di catturare l attenzione del giocatore suscitandone l interesse e coinvolgendolo a livello fisico mentale ed emotivo Il mezzo per realizzare giochi con una cos elevata capacit di interazione quello di utilizzare robot autonomi possibilmente costruiti con tecnologie poco costose in modo da 1 Introduzione poter idealmente entrare in casa di ognuno Un robogame pu avere come soggetto un qualunque tipo di gioco L am bito che ci ha maggiormente interessato e nel quale abbiamo deciso di lavorare quello delle robot racing gare tra robot autonomi con sembianze di auto mobili che si sfidano a percorrere tracciati di complessita differente Lo scopo della tesi stato quindi quello di realizzare un gioco che abbiamo deciso di chiamare KartBot in grado di unire questo genere di competizioni a una clas sica corsa con le macchinine telecomandate e per fare ci ci siamo ispirati ad un videogame molto noto Mario Kart Wii La particolarit di KartBot rappresentata dal fatto che l elaborazione necessaria alla navigazione del kart autonomo avviene completamente a bordo di esso in tempo reale basandosi esclusivamente sulle informazioni ricevute mediante i sensori ed il sistema di visione KartBot consiste in una gara su pista tra due kart caratterizzata dalla possibilit di ottenere e utilizzare armi inusuali al fine di ostacolare l avver sario e ottenere la v
79. mente preciso utilizzato principalmente per la parte della gara in cui il veicolo deve percorrere il tracciato toccando alcuni punti di via assegnati mediante le loro coordinate GPS Le informazioni provenienti dal sistema di visione e dai sensori vengono infine integrate ed utilizzate per la pianificazione del percorso e la navigazione all interno della pista In base ad esse il veicolo individua il movimento successivo in modo da direzionarsi verso il punto medio dello spazio libero riconosciuto che sar ristretto nel caso della presenza di ostacoli Il costo complessivo del veicolo e delle apparecchiature montate nettamente superiore a 12000 il sistema SPAN e il DGPS sono frutto di una donazione La seconda competizione in questa categoria International Autonomous Robot Racing Challenge IARRC F igura 2 10 si tenuta per la prima volta nel 2005 all University of Waterloo in Ontario La gara si svolge su un percorso delimitato da coni di colore arancio e si articola in due aspetti per quanto riguarda la navigazione nella Drag Race i concorrenti si sfidano a coppie a percorrere un breve tratto di rettilineo il pi velocemente possibile nella Circuit Race invece i concorrenti devono intraprendere un circuito pi complesso rispettando anche segnali di stop e semafori Il veicolo realizzato dall University of Waterloo Autonomous Racing Team Megalodon F igura 2 11 vincitore della Circuit Race del 2010 sfrutta per 13
80. minando limitazioni e barriere virtuali non pit solo spettatori ma immersi in un gioco che tutto intorno as I robogame costituiscono un ritorno alle origini ai gio chi tradizionali ma aggiungendo a questi qualcosa in pit in grado di stimolare maggiormente la curiosita e la fantasia Perch un robot autonomo si trasfor mi in un vero compagno di giochi quindi occorre fondere aspetti appartenenti non solo alla robotica e all intelligenza artificiale ma anche a discipline quali la psicologia le scienze cognitive l interazione uomo macchina e l estetica Lo scopo della ricerca nel campo dei robogame realizzare giochi attrat tivi e coinvolgenti in grado di suscitare nei potenziali acquirenti il desiderio di possederli utilizzando per tecnologie poco costose Sono proprio i prezzi elevati infatti ad aver finora costituito il principale vincolo alla loro diffusio 2 1 Evoluzione del gioco dai videogame ai robogame a s A b Pleo c Aibo Figura 2 5 Robogame commerciali ne limitata a pochi giochi commercializzati e diventati famosi come Furby di Hasbro Figura 2 5a un esserino peloso in grado di apprendere Pleo di Ugo be Figura 2 50 un cucciolo di dinosauro robot in grado di fare esperienza dell ambiente che lo circonda e di sviluppare un identit individuale e Aibo di Sony F igura 2 50 un cane robot in grado di riconoscere i comandi dati dal padrone di vedere e di muoversi
81. mkb net protetta con ci fratura WPA2 e chiave Mkb2018 polimi All avvio del software di bordo i kart si connettono automaticamente alla rete tramite i comandi di seguito descritti auto assegnandosi un indirizzo IP statico della rete 192 168 1 0 24 netctl enable mkb net wireless netctl start mkb net wireless dove mkb net wireless il nome di un file rappresentante un profilo di rete salvato nella cartella etc netctl contenente le seguenti righe Description A basic static ethernet connection Interface wlan0 Connection Wireless IP static Address 192 168 1 x 24 Routes 192 168 0 0 24 via 192 168 1 2 Gateway 192 168 1 1 Entrambe le unit di elaborazione sono configurate in modo da avere sem pre attivo un server ssh sulla porta 21 per un eventuale connessione da termi nale ed un server VNC sulla porta di default Inoltre esse sono configurate in modo che la scheda di rete Ethernet attivata solo al momento dell accensione se presente un cavo di rete connesso cerchi di acquisire un indirizzo IP di una qualsiasi rete tramite richiesta DHCP L utente utilizzato ha nome mkb e password Mkb2013 mentre il superutente root ha password root 99 A Configurazione delle unita di elaborazione 100 Appendice B Istruzioni di montaggio Il montaggio della struttura del kart cos come il posizionamento dei com ponenti non richiede parti
82. n particolare lo streaming video usato per arricchire l interfaccia di gioco avviene acquisendo immagini dalla webcam montata a bordo che prima del l invio vengono compresse in formato JPEG riducendone la dimensione di circa un terzo in modo da diminuire l uso delle risorse di rete che altrimenti avrebbe potuto causare ritardi nella comunicazione di altre informazioni importanti 38 4 2 Struttura del kart Figura 4 7 Scheda di bordo 4 1 5 Alimentazione L energia necessaria a tutti i componenti fornita da una batteria LiPo 3S 3000 mAh 7 4 V la quale garantisce un funzionamento continuo di circa un ora Questo ci sembrato un giusto compromesso una batteria di capacit superiore avrebbe comportato dimensioni fisiche maggiori non adatte ai kart creati La tensione di alimentazione da fornire alle unit di elaborazione all hub ed al servomotore di 5 V mentre la batteria presenta una differenza di potenziale di 7 4 V Per trasformarla a 5 V abbiamo inserito un regolatore di tensione detto UBEC a valle della batteria in grado di fornire 5 V stabili con un massimo di 8 A In Appendice B riportato lo schema circuitale con tutti i componenti installati il cui risultato mostrato in F igura 4 7 4 2 Struttura del kart La forte ispirazione al gioco Mario Kart Wii ha imposto che il robot avesse Vaspetto di un kart La costruzione del telaio ci ha posto di fronte a una scelta fondamentale costruirl
83. ndono la visualizzazione dello streaming video di quello che viene visto dal kart durante la gara l aggiornamento della posizione attuale in base ai sorpassi e del giro corrente e la visualizzazione delle armi in possesso Figura 6 4 Per semplicit gli aspetti della grafica associati ai giocatori sono stati in clusi in una struttura dati di tipo UsersRaceInfoContainer contenente un og 72 6 4 Svolgimento della gara Figura 6 4 Schermata gara getto UserRaceInfo per ognuno di essi Inoltre l applicazione si occupa anche di realizzare gli effetti delle armi svantaggiose sul kart avversario 6 4 1 Gestione dello streaming La gestione dello streaming per i kart comandati demandata allo Strea mingListener Esso un thread che si occupa di rimanere in ascolto dei pac chetti di tipo UDP in arrivo Alla ricezione di uno di questi dopo aver ricono sciuto il kart a cui appartiene lo converte in un immagine mediante la chiamata di apposite funzioni Il risultato di tale procedimento viene poi visualizzato all interno dello spazio dedicato nella finestra 6 4 2 Gestione dei sorpassi La segnalazione di un sorpasso gestita passivamente cio il kart sor passato a comunicare all applicazione il verificarsi dell evento mediante l invio del comando Covertaken id a zA Z0 9 invisible_opponent true false dove l id Videntificativo del kart che stato sorpassato e invisible opponent un
84. nel mondo reale date le coordinate nel piano dell immagine e viceversa ha la seguente forma fe 0 Cy K 0 fy Cy 0 0 1 dove fy e fy rappresentano la lunghezza focale ed il punto Gx Cu e il centro ottico espresso in pixel Il processo che permette di determinare K e C viene detto calibrazione Per ottenerle necessario acquisire una serie di immagini nel nostro caso 30 nelle quali siano inquadrati oggetti di forma e dimensioni fisiche note in modo da poter individuare e risolvere le equazioni geometriche OpenCV supporta la calibrazione tramite diversi oggetti tra i quali abbiamo scelto la scacchiera come conseguenza della maggiore documentazione presente Il procedimen to usato prevede di individuare le coordinate degli angoli dei quadrati interni dell oggetto nel piano dell immagine e relazionarle a quelle nel mondo reale im ponendo che ogni punto individuato abbia ascissa pari alla riga della scacchiera in cui si trova ed ordinata pari alla colonna supposta l origine del sistema di riferimento nell angolo in alto a sinistra e sotto l ipotesi che essa si muova sul piano z 0 In questo scenario un unit del sistema di riferimento corrispon de con la lunghezza del lato di un quadrato che tuttavia nota a priori nel 46 5 1 Visione A a Prima b Dopo Figura 5 4 Rimozione della distorsione mondo L impostazione delle equazioni per trovare le matrici implementata da una funzione di li
85. no preservate le dimensioni e gli angoli degli oggetti reali e le linee parallele possono intersecarsi Per questo motivo non possibile effettuare al cuna misura direttamente sull immagine senza prima rimuovere l effetto della proiezione Per fare ci necessario identificare una matrice che applicata all immagine la restituisca rettificata Il procedimento che abbiamo utilizzato quello descritto in 32 La scena su cui ci siamo basati era costituita da un foglio A4 posto sul pavimento il quale pu essere considerato ad una quota pa ri a 0 rispetto al sistema di riferimento con origine nella camera Dal momento che i rettangoli nel mondo reale sono proiettati nel piano dell immagine sotto forma di quadrangoli l obiettivo stato trovare la matrice che effettuasse tale trasformazione mantenendo le proporzioni tra i lati Una volta ottenuta per non appesantire eccessivamente l elaborazione abbiamo scelto di applicarla so 58 5 3 Esecuzione del movimento Condizioni Incremento RETTILINEO e 90 angolo lt 15 1 RETTILINEO e 90 angolo gt 15 0 CURVA e 90 angolo lt 25 1 CURVA e 90 angolo gt 25 0 Tabella 5 2 Incremento velocita lo al goal e al punto iniziale cosi che l angolo formato da tale retta coincidesse con quello nel mondo reale Poich non vi una corrispondenza diretta tra gli angoli calcolati sull imma gine che sono crescenti in senso antiorario e quelli del servomotore cre
86. ntelligenza artificiale sicuramente il pi interessan te in quanto esso essendo totalmente autonomo necessita di prendere tutte le decisioni basandosi esclusivamente sulle informazioni ricevute da ci che lo circonda In presenza di un ambiente dinamico come quello del gioco la quan tit di percezioni raccolte e da analizzare elevata e va gestita velocemente Per implementarlo abbiamo scelto di utilizzare un architettura basata su un approccio di tipo reattivo in cui non presente un modello del mondo ma solo di alcuni aspetti di esso I dati sensoriali raccolti durante il movimento influenzano i diversi moduli dell architettura corrispondenti alle funzionalit implementate al fine di generare mediante essi le azioni necessarie Le funzio nalit di cui i kart necessitano per lo svolgimento del gioco come si pu vedere in Figura sono e gestione della navigazione responsabile di tutti gli aspetti relativi al movimento del kart all interno della pista Si occupa di riconoscere la forma del tracciato di evitare il kart avversario e di localizzare e provare a raggiungere le armi In base alle informazioni acquisite dall analisi 26 3 2 Funzionalita del kart Navigazione Armi Sensori Attuatori lt Sorpasso Connessione Figura 3 3 Approccio reattivo delle immagini essa calcola la traiettoria ed esegue l azione successiva in termini di angolazione dello sterzo e vel
87. nteresse di tutti coloro dai bambini agli adulti che ancora 1 1 Struttura della tesi amano giocare 1 1 Struttura della tesi La tesi strutturata nel modo seguente Capitolo 2 Stato dell arte Si presentano le origini dei robogame e lo stato attuale del loro sviluppo e si analizzano i progetti simili a KartBot Capitolo 3 Descrizione del gioco Si descrivono il gioco e il rego lamento in dettaglio si elencano le funzionalit del kart si riporta il progetto dell ambiente di gioco Capitolo 4 Architettura hardware Si descrivono i moduli hard ware che compongono il kart Capitolo 5 Architettura software Si descrivono i moduli software che compongono il kart Capitolo 6 L applicazione del gioco Si illustra l applicazione di gio co e l interazione di essa con i kart Capitolo 7 Test e risultati Si elencano i test svolti e i risultati rag giunti Capitolo 8 Conclusioni Si riportano le conclusioni e i possibili svi luppi futuri del gioco Appendice A Configurazione delle unit di elaborazione Si il lustrano le unit di elaborazione usate e la loro configurazione Appendice B Istruzioni di montaggio Si riportano gli schemi cir cuitali e le istruzioni per il montaggio Appendice C Documentazione del software Si presentano i dia grammi UML e la documentazione del software Appendice D Manuale d uso Si riporta il manuale d uso per lu tente finale
88. o in modo da limitare i problemi dati da intensi riflessi di luce Una corretta illuminazione rappresenta infatti un elemento importante a causa dell elevata sensibilit dei sistemi di visione a variazioni delle condizioni ambientali In particola re necessaria un illuminazione diffusa senza luci particolarmente forti che riflettano in modo diretto sulla pista Anche la realizzazione grafica del bordo ha subito un evoluzione Nelle prime prove la pista era disegnata su un fondo bianco e ciascuno dei due bordi era costituito da due linee affiancate spesse circa 2 5 cm ciascuna quella dal lato del tracciato nera e quella verso l esterno arancione allo scopo di discriminare nell immagine di quale dei due bordi si trattasse basandosi sulla posizione dei colori Tale soluzione stata poi migliorata esteticamente in modo da giungere all aspetto attuale decisamente pi realistico La postazione di partenza dei kart evidenziata da apposite linee disegnate sulla pista in posizione arretrata rispetto alla struttura metallica ad arco rea lizzata sia per l alloggiamento del semaforo sia per la rilevazione del passaggio dei kart Tale struttura visibile in F igura 3 3 ha una dimensione sufficiente mente grande da non costituire un ingombro per il transito di questi e al di 29 3 Descrizione del gioco Figura 3 5 Struttura del traguardo sotto di essa disegnata la scacchiera che rappresenta la linea del traguardo
89. o presentando pertanto notevoli problemi dovuti alla continua variazione di luminosit a cui i sistemi di visione sono molto sensibili In ordine temporale la prima istituita stata l Intelligent Ground Vehicle Competition IGVC 10 che si tiene all Oakland University in Michigan dal 1993 Figura 2 8 La competizione si svolge su un percorso erboso delimitato da linee bianche dipinte sull erba al cui interno sono disposti alcuni ostacoli e il termine del tracciato viene assegnato mediante le sue coordinate GPS Per poter affrontare la gara Scorpion Figura 2 9 il veicolo realiz zato dalla California State University di Northridge vincitore della sfida di navigazione autonoma del 2013 stato equipaggiato con una videocamera un sistema SPAN Synchronized Position Attitude Navigation reso maggiormen te preciso da un DGPS una bussola contenente giroscopi ed accelerometri e degli LRF Laser Range Finder sia orizzontali sia verticali che possiedono 12 2 2 Le robot racing Figura 2 9 Scorpion un raggio di rilevamento di 8 m Il percorso da seguire individuato tramite riconoscimento del colore bianco sull immagine mentre gli ostacoli vengono individuati attraverso gli LRF che effettuano una scansione continua in senso orario Nel caso in cui la videocamera sia accecata dalla luce del sole la velo cit viene diminuita fino a quando le condizioni ritornano ottimali Il sistema di localizzazione alta
90. o ad hoc o usare un modellino preesistente Data la nostra scarsa esperienza nel campo le possibili difficolt e il poco tempo a disposizione abbiamo deciso di acquistarne uno La prima scelta era ricaduta su Iracer 25 un modello equipaggiato con due motori passo passo in grado di implementare la cinematica di un automobile e di una scheda di controllo capace di ricevere comandi tramite bluetooth Ci siamo resi conto che questo non era adatto ai nostri scopi in quanto lo sterzo essendo gestito da un motore 39 4 Architettura hardware Figura 4 8 Modellino macchina passo passo non permetteva alle ruote di assumere posizioni intermedie tra il dritto e il completamente sterzato inoltre la scheda di controllo era basata su un microcontrollore ATmega48V che si resettava nel momento in cui mancava Valimentazione mentre la batteria fornita era di capacita ridotta e senza alcuna protezione contro la scarica completa indesiderata Abbiamo quindi deciso di acquistare un modello Figura 4 8 in scala 1 10 con motore elettrico equipaggiato di servomo tore per regolare lo sterzo di motore e regolatore elettronico di velocit Per ricavare lo spazio per i nostri componenti abbiamo installato una rete metalli ca collegata al telaio della macchinina come mostrato in F igura 4 9 mentre l alloggiamento della batteria era gi previsto Abbiamo scelto questo materiale perch pur essendo molto leggero e prati co da modella
91. o lavoro di conversione di tensione dato il consumo di circa 200 mAh del servomotore 4 1 2 Armi L aspetto che rende il gioco pi avvincente favorendo la competizione sono le armi che vengono acquisite al passaggio del kart sopra una sagoma a forma di stella di colore viola Inizialmente gli indicatori erano stati realizzati tramite tag RFID equipaggiando i kart con dei lettori appositi ma abbiamo notato che a causa della velocit del movimento il passaggio sopra di essi non veniva rilevato Dopo alcuni esperimenti abbiamo deciso di realizzarli con del cartoncino di colore viola posizionato sul tracciato dopo uno spessore di plexiglass di 6 mm come mostrato in F igural4 6 equipaggiando i kart con degli interruttori posti sotto la scocca nella zona anteriore Date le dimensioni stato necessario installare due interruttori per ogni kart collegati direttamente ad un ingresso digitale di Arduino tramite un circuito interrotto esso stato costruito in modo che Arduino riceva su tale pin un livello digitale alto al momento della chiusura del circuito vale a dire del passaggio del kart sopra il tag ed un livello digitale basso in ogni altra situazione Per fare in modo che ci sia sempre vero e non esistano momenti in cui l ingresso sia indefinito abbiamo realizzato una rete di pull down a valle dell interruttore L acquisizione di un arma viene segnalata all utente sia tramite la nostra applicazione sia tramite l a
92. ocita dello spostamento e gestione del sorpasso si occupa dell identificazione del sorpasso da parte di un altro kart e nel caso esso sia avvenuto dell invio della notifica all applicazione per l aggiornamento della classifica attuale Il sorpasso di tipo passivo cio il kart sorpassato che si occupa di comunicare il verificarsi dell evento La scelta tra rilevazione del sorpasso di tipo attivo e di tipo passivo apparentemente arbitraria stata pensata in previsione di un eventuale espansione futura che comporti la presenza di pi kart in pista In tal caso infatti se il sorpasso multiplo per il kart sorpassato possibile comunicare la presenza di un altro concorrente sul lato opposto in modo da aggiornare correttamente le posizioni correnti cosa non possibile se la rilevazione del sorpasso avvenisse in modo attivo e gestione delle armi responsabile della rilevazione dell acquisizione di una nuova arma della selezione della tipologia di essa in base alla posi zione occupata e della notifica di ci all applicazione Inoltre si occupa anche di notificare l utilizzo dell arma in possesso e di realizzare gli effetti delle armi agenti in quel momento sul kart e gestione della connessione ha lo scopo di comunicare con l applicazione al fine di implementare le dinamiche di gioco 27 3 Descrizione del gioco Di queste la gestione del sorpasso delle armi e della connessione sono uti
93. omando per l accensione del semaforo codificato con la stringa s Alla ricezione da esso del messaggio countdoun_ expired indicante il termine del conteggio alla rovescia l applicazione invia a tutti i giocatori il messaggio start_race nlaps 4 nplayers 1 2 position 1 2 71 6 L applicazione del gioco Figura 6 3 Selezione concorrenti dove nlaps il numero di giri previsto per la gara nplayers il numero di giocatori che stanno giocando e position la posizione che stata assegnata mediante l inserimento negli spazi specifici E prevista la possibilit di giocare anche da soli nel caso lo si desideri 6 4 Svolgimento della gara Durante la gara sullo schermo vengono visualizzate tutte le informazioni importanti per il suo svolgimento Abbiamo scelto di farlo per unicamente per i kart controllati in quanto anche nel videogame avviene la stessa cosa Quindi nel caso vi sia un unico giocatore in gara contro l intelligenza artificiale verr visualizzata un unica schermata mentre se si fronteggiano due giocatori la schermata sar automaticamente suddivisa in due parti L applicazione gi predisposta per visualizzare fino ad un massimo di 4 finestre nel caso in cui il numero dei kart venga incrementato essenziale comunque che lo scher mo sia posto in una posizione ben visibile durante lo svolgimento della gara Le informazioni mostrate su di esso per ciascun giocatore compre
94. ostato che vengano acquisite ad una dimensione di 320 x 240 pixel questa scelta non causa perdita di informazione ma offre vantaggi in termini di prestazioni Per individuare la presenza di un avversario ai lati del kart abbiamo deci 33 4 Architettura hardware so di installare dei sensori di prossimita Sharp 2D120X Figura 12 30 in grado di rilevare la presenza di oggetti da 4 a 30 cm con un raggio d azione di circa 10 Ognuno di essi collegato direttamente alla scheda Arduino 22 dalla quale preleva l alimentazione necessaria al funzionamento e invia un se gnale rappresentante la grandezza misurata su un pin analogico Non si tratta comunque di sensori di precisione ed essi non presentano una caratteristica li neare ma il costo contenuto e le nostre esigenze non particolarmente elevate li rendono adatti alla situazione Per far s che la misura effettuata sia pi stabile e qualitativamente migliore abbiamo collegato dei condensatori in pa rallelo ai loro pin di alimentazione Ogni kart equipaggiato con quattro di questi sensori due per lato uno posto anteriormente ed uno posteriormente in corrispondenza delle quattro ruote Sul kart autonomo abbiamo avuto la necessit di aggiungerne altri due in posizione frontale in modo che il loro raggio d azione ricada sul punto cieco creatosi tra la fine dell immagine vista dalla webcam e il sensore di prossimit laterale anteriore Come descritto nelle regole quando
95. pengono e la gara ha inizio 67 6 L applicazione del gioco Per il rilevamento del completamento di un giro da parte del kart abbia mo deciso di utilizzare due sensori di prossimita ad infrarossi montati a lato della struttura metallica in modo che siano contrapposti l uno all altro Ini zialmente avevamo pensato di far si che fosse il kart stesso a riconoscere di aver effettuato un giro soluzione sicuramente migliore perch permetteva di sapere esattamente di quale si trattasse cosa non possibile invece con l uti lizzo dei sensori ma troppo dispendiosa in quanto la ricerca della scacchiera all interno dell immagine comportava un notevole impiego di risorse Essendo solo due i kart presenti risulta comunque possibile discriminare quale di essi ha completato il giro 6 2 Struttura dell applicazione L organizzazione delle classi all interno dell applicazione pensata per evi denziare la suddivisione logica delle funzionalit che in essa sono implementate Nell Appendice C riportato lo schema UML di come stata strutturata Lo stato del gioco mantenuto all interno della classe GameManager che implementata come un singleton In esso sono contenute tutte le strutture dati necessarie allo svolgimento della gara Per la comunicazione con i kart ab biamo scelto di mantenere un elenco di sessioni socket attive in quel momento univocamente definite in modo da poter poi essere utilizzate dall appli
96. perazioni devono essere effettuate abbiamo deciso di creare un thread che implementi queste funzionalit Il riconoscimento dell acquisizione di un arma realizzato da Arduino il quale al momento della chiusura di uno degli interruttori pone una variabile booleana locale al valore vero Quest ultima costantemente controllata dal thread per rilevare il verificarsi dell evento e attuare le operazioni necessa rie Per rendere visibile al giocatore l acquisizione dell arma Arduino accende una serie di led verdi posti sul kart i quali rimangono accesi per tutto il tempo in cui ne in possesso Al momento della ricezione della notifica WEA PON_ EXPLOITED Sezione B 8 Arduino pone al valore falso tale variabile booleana e spegne i led 61 5 Architettura software Arma Valore Immunita 0 Velocita 1 Fulmine 2 Vibrazione 3 Stop 4 Tabella 5 4 Discretizzazione armi Per implementare la scelta pseudo casuale della nuova arma vi erano due opzioni possibili una scelta centralizzata cio effettuata dall applicazione alla ricezione della notifica di acquisizione da parte del kart che avrebbe implicato una risposta contenente la tipologia selezionata o una scelta decentralizzata in cui il kart stesso a effettuarla in modo automatico inviando all applica zione una semplice notifica di tipo informativo Abbiamo scelto di utilizzare la seconda opzione in quanto di pi semplice realizzazione e si
97. presenta il fulcro del suo funzionamento attraverso il quale tutte le dinamiche del gioco prendono vita Essa costituisce come gi spiegato nel Capitolo 3 il server di un sistema di cui i kart sono i client L applicazione non necessita di installazione e non sono richiesti requisiti particolari per il computer su cui viene utilizzata ma sufficiente che questo sia collegato alla rete WiFi con il firewall opportunamente configurato per ricevere connessioni in ingresso Dal punto di vista grafico l applicazione presenta un interfaccia semplice ed intuitiva in modo da risultare di facile utilizzo per tutti 6 1 Collegamento alla postazione di partenza L applicazione per il corretto svolgimento del gioco necessita di sfrutta re una scheda Arduino appositamente montata sulla postazione di partenza allo scopo di implementare le funzionalit di accensione del semaforo e di ri levamento del giro Per la loro concreta realizzazione abbiamo instaurato un canale su porta seriale sempre attivo tra Arduino e l applicazione stessa al fine di permettere lo scambio di messaggi tra essi Le luci del semaforo sono costituite da led ad alta luminosit di colore rosso ognuno dei quali collegato ad un ingresso digitale di Arduino Per replicare il funzionamento del semaforo presente nella gare automobilistiche essi vengono accesi in sequenza ad intervalli di 1 5 s Trascorso un tempo di 2 s in cui tutti i led sono accesi essi si s
98. re in grado di mantenere la forma anche quando sottoposto al peso dei componenti che sono stati disposti in modo da ottimizzare lo spazio a disposizione e da distribuire uniformemente il carico stesso Per la disposizione abbiamo sfruttato in particolare la parte posteriore pi adatta a sostenere il peso in quanto non richiede al servomotore uno sforzo eccessivo garantendo maggiore precisione e tempo di vita Il posizionamento dei componenti non identico per entrambi i kart in quanto le due unit di elaborazione hanno dimensioni molto diverse tra loro in particolare Odroid di forma quasi qua drata 48 x 52 mm mentre Raspberry Pi rettangolare 85 6 x 53 9 mm Tutti i pezzi e le strutture presenti sono stati costruiti da noi utilizzando ma teriali poco costosi e di facile reperibilit In F igura 4 10 sono rappresentati i due kart completi Per fornire alle macchinine un aspetto simile a quello di un kart abbiamo 40 4 2 Struttura del kart Figura 4 9 Rete metallica costruito un rivestimento usando della spugna tagliata su misura successiva mente rivestita con del tessuto per darle colore 41 4 Architettura hardware Figura 4 10 Kart 42 Capitolo 5 Architettura software Nell implementazione del software di controllo per i kart la prima decisione da effettuare stata se appoggiarci al sistema operativo per robot ROS o creare una soluzione ad hoc che andasse incontro alle no
99. rt controllati oppure un giocatore umano che sfida l intelligenza artificiale E comunque sempre possibile avviare il gioco anche in presenza di un solo kart in pista sia autonomo che non La preparazione necessaria per predisporre il gioco semplice e attuabile da qualsiasi utente medio Per iniziare il gioco occorre essere in possesso di tanti Wii Remote quanti sono i kart che si desidera controllare e dell applicazio ne Java contenuta nel file KartBot jar indispensabile inoltre assicurarsi che il computer su cui essa sar eseguita sia connesso alla rete WiFi Mkb net configurata con le impostazioni descritte nell A ppendice A All avvio dell appli cazione principale viene mostrata la schermata del titolo dalla quale premen do il pulsante Play si avvia una nuova sessione di gioco Nella schermata successiva sono presenti uno spazio sulla sinistra in cui compaiono i nomi dei kart attualmente connessi e alcune caselle di testo ognuna delle quali rappre senta una posizione di partenza L accensione del kart effettuata tramite lo spostamento dell apposito interruttore su ON F igura D 1 non implica la sua connessione automatica all applicazione Per far s che ci accada necessa rio collegarsi ad esso tramite una connessione ssh o vnc e avviare il software a bordo eseguendo il file client presente nella cartella home dell utente mkb Nel caso di kart controllato durante tale
100. scenti in senso orario per posizionare le ruote alla corretta inclinazione stato neces sario inviare ad Arduino il supplementare del valore ottenuto dall immagine Idealmente la posizione delle ruote diritte dovrebbe quindi corrispondere ad un angolo di 90 assegnato al servomotore a met tra gli estremi rappresentati da 0 e 180 in realt ristretti a 40 e 140 per evitare di sottoporlo a sforzi ec cessivi non necessari cosa che nella realt non sempre si verifica e varia da un componente ad un altro Per rendere la nostra soluzione flessibile comunque nell algoritmo viene calcolata l angolazione ideale da fornire al servomotore Essa viene poi traslata da Arduino prima dell invio del comando in modo da far coincidere il centro ideale con quello reale del servomotore dichiarato nel programma sviluppato per Arduino sketch Il valore della velocit invece generato da un controllore di tipo fuzzy in cui le variabili d ingresso sono costituite dalla tipologia di tracciato e dalla differenza tra l angolo di posizionamento calcolato per le ruote e 90 gli insie mi fuzzy sono identificati dalle condizioni descritte in Tabella 5 7 e la variabile d uscita l incremento da applicare alla velocit minima del kart Nel caso in cui il valore relativo al sensore di colore letto da Arduino indichi che que st ultimo si trova al di fuori del tracciato tale velocit verr sempre posta al minimo Ci ovviamente
101. spetto alla posizione orizzontale si riflette sull orientamento delle ruote Data la struttura della libreria l evento bottone premuto identificato tra mite il test sulla corrispondente variabile booleana costantemente aggiornata L inclinazione del Wii Remote rispetto all orizzontale viene rilevata invece sfruttando le informazioni provenienti dall accelerometro presente in esso pre stando attenzione solo ai valori riguardanti l asse y del sistema di riferimento rappresentato in Figura Gli angoli cos ottenuti non corrispondono direttamente per a quelli del servomotore In Tabella 5 3 riportata la relazione esistente tra essi 60 5 5 Armi Figura 5 16 Sistema di riferimento wiimote L angolo da assegnare al servomotore quindi calcolato secondo l equazione 5 6 considerando analogamente al caso del kart autonomo come diritta la posizione in cui il servo riceve un angolazione di 90 angoloservomotore angolowiimote 100 100 50 40 5 6 Nel caso in cui il giocatore fuoriesca dalla pista il Wii Remote utilizzato anche per restituirgli un feedback mediante la vibrazione 5 5 Armi Dal punto di vista del software possiamo individuare tre aspetti riguardan ti le armi il riconoscimento da parte del kart di averla acquisita la selezione della tipologia e l utilizzo comprendente l applicazione dei suoi effetti A cau sa dell elevata frequenza con cui queste o
102. sponibile Da questa vengono calcolate le funzioni 62 5 5 Armi di ripartizione F i cui valori sono poi memorizzati in una tabella che ha come righe le posizioni possibili e come colonne le armi esistenti L elemento i j rappresenta quindi il valore della funzione di ripartizione in corrispondenza della variabile aleatoria X e di j La scelta della nuova arma avviene tramite un esperimento di estrazione di un numero casuale x compreso tra 0 e 1 e la successiva selezione dell arma a per cui vale l equazione 5 8 P Xn lt a lt x lt P Xn lt a 1 5 7 Fn a lt x lt F a 1 5 8 La nuova arma acquisita viene memorizzata in una variabile nella classe rappresentante lo stato del kart Il momento in cui l arma viene utilizzata scelto dall utente tramite Wii Remote nel kart controllato mentre nel kart autonomo l arma utilizzata immediatamente appena acquisita tranne nel caso del razzo sfruttato nel primo rettilineo disponibile Gli effetti delle armi vengono applicati dai kart stessi e questo comporta la necessit di comunicare all avversario l azione di un arma svantaggiosa su di lui Per evitare che ci avvenga in modo diretto il kart che vuole utilizzarla invia una notifica all applicazione la quale poi si occupa di informare l altro Ovviamente per quanto riguarda l immunit e il razzo che agiscono solo sul kart stesso il messaggio inviato costituisce solo una notifica dell avvenuto utilizzo sen
103. stre necessit La scelta stata obbligata ed ricaduta sulla seconda opzione in quanto avendo inizialmente adottato Raspberry Pi come unit di elaborazione esso non era in grado di supportare agevolmente ROS a causa delle sue scarse prestazioni Abbiamo dunque realizzato interamente il software utilizzando il linguaggio C e sfruttando la libreria OpenCV per l elaborazione delle immagini Al fine di aumentare il pi possibile il parallelismo e diminuire la comples sit temporale del software abbiamo creato un thread per la gestione di ogni macrofunzionalit garantendo cos un elevata modularit Essi hanno tutti accesso ad una classe implementata come singleton rappresentante lo stato del kart e ci ha comportato la necessit di prestare particolare attenzione ai problemi di concorrenzialit derivanti dal contesto multithread Tale oggetto oltre a realizzare il meccanismo di comunicazione tra i quattro thread presenti costituisce l unico punto di accesso per la lettura dei dati sensoriali provenienti da Arduino Essi vengono inviati da quest ultimo tramite la porta seriale ad una classe C apposita che anch essa implementata come singleton e sfrutta per la loro ricezione le funzionalit della libreria LibSerial 27 La F igura 5 1 riporta le interconnessioni appena descritte Dal momento che la logica del gioco implementata su un computer re moto abbiamo creato un collegamento WiFi tra esso e i kart gar
104. struggere tutte le torri mediante ostacoli e carte con poteri speciali Figura 2 6b e Pac Bot 8 ispirato al famoso videogame Pac Man in cui il giocatore pu scegliere di rappresentare Pac Man raccogliendo i puntini nel labi rinto ed evitando i fantasmi nemici oppure un fantasma cercando di ostacolare Pac Man Anche da questi pochi esempi risulta evidente come spesso l ispirazione abbia origine proprio da un videogame esistente reso concreto e portato nel mondo reale rispecchiando il percorso evolutivo che ha portato alla nascita dei robogame Secondo lo stesso principio abbiamo deciso di prendere spunto da uno dei videogame pi noti Mario Kart Wii 9 F igura 2 7 per realizzare un robogame consistente in una gara tra kart KartBot per va ancora oltre in quanto richiama anche le tradizionali gare con le macchinine uno dei giochi pi utilizzati nell infanzia e non solo 2 2 Le robot racing La realizzazione concreta di KartBot in particolare per quanto riguarda lo sviluppo del kart autonomo ci ha portati a confrontarci con problematiche gi affrontate e ampiamente studiate nella realizzazione di veicoli autonomi La navigazione autonoma costituisce infatti un settore che ha gi raggiunto risultati concreti e rilevanti anche dal punto di vista applicativo e che riunisce in s aspetti di diverse discipline quali la robotica l intelligenza artificiale la 10 2 2 Le robot racing OF CL e AS
105. te risultati 7 1 1 Riconoscimento dei bordi Per testare la capacit del kart autonomo di riconoscere la tipologia dei bordi del tracciato su cui sta viaggiando lo abbiamo posizionato in pi punti della pista mantenendolo fermo Come si pu osservare in Figura il bordo destro viene evidenziato con il colore blu mentre quello sinistro con il rosso In tutte e quattro le situazioni la tipologia viene riconosciuta correttamente anche nel caso in cui nell immagine sia presente solo uno dei due bordi 7 1d Da questa prova emerso che il kart autonomo in grado di identifica re correttamente i limiti della pista e la loro forma il che gli permettere di distinguere la situazione in cui si trova e di agire quindi di conseguenza Un problema riscontrato il rilevamento seppur in rari casi di linee esterne al tracciato Ci si verifica nelle situazioni in cui fuori dalla pista sono presenti 79 7 Test e risultati a Rettilineo b Curva a sinistra c Curva a destra d Bordo unico Figura 7 1 Riconoscimento bordi 80 7 1 Test e risultati a Rettilineo b Vicinanza curva c Inizio curva d Curva Figura 7 2 Riconoscimento tracciato colori simili a quelli al suo interno Per limitare i riconoscimenti errati viene fatta una verifica di coerenza sui bordi trovati mantenendo unicamente il bor do destro pi a destra il sinistro pi a sinistra e controllando anche la loro posizione risp
106. teresse dei con sumatori finali utilizzando tecnologie avanzate e mantenendo al contempo i costi contenuti Scopo della tesi stato quello di realizzare KartBot un robogame consisten te in una gara tra kart coinvolgente e interattiva che ha trovato l ispirazione per la sua ideazione nel famoso videogame Mario Kart Wii e nelle numerose robot racing esistenti L obiettivo che ci siamo posti stato quello di realizzare un gioco che unisse la tradizionalit delle gare con le macchinine ad elementi altamente tecnologici appartenenti a discipline di nuova generazione ottenendo un prodotto che incarna in s la fusione tra passato e futuro L aspetto innovativo rappresentato dalla realizzazione di un kart total mente autonomo in grado di gareggiare contro un giocatore umano ad una velocit elevata sfruttando unicamente informazioni provenienti dal sistema visivo e dai sensori senza conoscenza pregressa dell ambiente L elaborazione avviene totalmente a bordo in tempo reale per far fronte alla variabilit data dal contesto dinamico caratteristico della gara Notevole attenzione nello sviluppo di KartBot stata rivolta a fornire la massima usabilit possibile a giocatori di qualunque et e a migliorare l espe rienza di gioco mediante l utilizzo di feedback per incrementarne l interattivi t come l utilizzo di luci e suoni e la creazione di un ambiente il pi possibile realistico ed esteticamente di elevata qualit
107. tire dai coni rilevati individuando il percorso sicuro meno costoso La particolarit di Megalodon che mentre effettua il primo giro della pista costruisce una mappa a griglia marcando la tipologia del percorso incontrata in modo da poter effettuare i giri successivi pi velocemente In questa mappa vengono anche segnati i punti in cui sono presenti cartelli di stop e semafori in modo da limitarne poi la ricerca nell immagine unicamente quando necessario Il costo complessivo 14 2 2 Le robot racing Obstacle Green Line MMM Speed bump lt Width 20cm gt z Eq Uneven terrain 9 GPS point Path lt Width 2 2 5m gt a Mappa b Tracciato Figura 2 12 IRONC del veicolo e delle apparecchiature montate di 24965 00 CAD L ultima competizione indetta stata l International Robot Outdoor Na vigation Contest IRONC 14 che si tiene al Gwangju Technopark in Corea dal 2009 F igura 2 12 La gara si svolge su un percorso delimitato da linee di colore verde acqua della larghezza di 20 cm all interno del quale sono presenti ostacoli e zone di terreno sconosciuto Lungo il percorso vi sono anche dei punti identificati tramite le coordinate GPS che il veicolo dovr riconoscere emettendo un suono Il veicolo vincitore della seconda edizione della competizione stato pro dotto dalla Hanyang University della Corea del Sud Figura ed equi paggiato con una videocamera utilizzat
108. tisce incrementando il conteggio del numero di giri del kart corretto Tale informazione viene aggiornata anche all interno della schermata della grafica 6 5 Conclusione della gara All aggiornamento del numero di giri effettuati dal kart se uno di essi ha raggiunto il totale previsto di quattro la gara termina e sulla schermata compare la classifica finale F igura 6 6 76 6 5 Conclusione della gara L interruzione del gioco pu comunque avvenire manualmente in qualsiasi momento in caso di problemi mediante la pressione dell apposito pulsante In entrambi i casi ai kart viene inviato un messaggio indicante il termine della gara Oend_race iss Dalla finestra conclusiva possibile avviare una nuova gara utilizzando il bottone presente su di essa TT 6 L applicazione del gioco 78 Capitolo 7 Test e risultati Al termine della creazione di KartBot abbiamo effettuato alcuni test di seguito elencati al fine di fornire una valutazione dei risultati ottenuti Per ognuno di essi sono riportate le funzionalit che ha interessato la descrizione della prova fatta situazioni problematiche rilevate durante il suo svolgimento e la sua effettiva riuscita I primi test sono stati realizzati per sperimentare le funzionalit in modo separato mentre l ultimo ha come oggetto l intero gioco Per concludere abbiamo riportato una valutazione complessiva del gioco in tutti i suoi aspetti 7 1 Tes
109. to x y dell immagine origina 44 5 1 Visione Piano dell oggetto Piano del l immagine Piano dell im magine inclinato i i i Distorsione tangenziale Figura 5 2 Distorsione tangenziale Piano del l immagine Piano dell oggetto Py Piano del Lente l immagine Asse ottico Piano dell immagine Pia Proiezione attesa punto Py sul piano dell immagine Pip Proiezione attesa punto P sul piano dell immagine dovuta alla lente Poa Proiezione attesa punto Pa sul piano dell immagine Pop Proiezione attesa punto Po sul piano dell immagine dovuta dalla lente Radial Distortion Figura 5 3 Distorsione radiale 45 5 Architettura software le la sua posizione in quella risultante corretta Ycorretta Ottenuto secondo l equazione 5 1 per quel che riguarda la correzione della distorsione radia le e secondo Pequazione 5 2 per quel che riguarda la correzione di quella tangenziale Xcorretta x 1 kyr kar k3r 5 1 Yeorretta y 1 kyr kort kgr6 Xeorretta Lt 2p1 xy T polr A 22 5 2 Yeorretta Y p1 r 2y 2paxy Esse permettono di individuare i cinque parametri k1 k2 k3 p1 pa detti coef ficienti di distorsione che in OpenCV vengono considerati come una matrice C di una riga e cinque colonne La matrice di calibrazione della camera K che generalmente utilizzata per ottenere le coordinate di un punto
110. tool di taratura che abbiamo appositamente creato La scelta del materiale con cui realizzare la pista stata soggetta a diverse prove e ad un accurata valutazione dei pro e dei contro La prima prova stata fatta utilizzando pezzi di cartone che sono apparsi subito troppo facilmente deteriorabili La prova successiva stata effettuata sfruttando un telo di ma teriale plastico che presentava per un problema importante la necessit di piegare la pista per trasportarla lasciava su di esso delle curvature non pi eli minabili che impedivano il corretto riconoscimento della forma del tracciato Per la realizzazione abbiamo scelto quindi di utilizzare un pavimento lamina to in legno in modo che risultasse di aspetto gradevole perfettamente liscio e senza discontinuit Anche questa soluzione non comunque ottimale a causa del tempo e dell attenzione richiesti per il montaggio ma i vantaggi sono net tamente predominanti Il pavimento in laminato costituito da listoni dotati di appositi incastri per l assemblaggio in modo da poterli smontare in caso 28 3 3 Caratteristiche dell ambiente di gioco Figura 3 4 Pista di trasporto Cid presenta anche il vantaggio di poter sostituire con facilita eventuali pezzi danneggiati Per la realizzazione della pista abbiamo innanzi tutto carteggiato i pezzi per aumentare l aderenza della vernice e dopo aver realizzato il disegno abbiamo applicato uno smalto molto opac
111. ultato pu contenere molte altre linee non utili come i con 47 5 Architettura software Sa a Immagine originale b Algoritmo di Canny c Applicazione maschera Figura 5 5 Rimozione contorni della stella NE a Immagine originale b Algoritmo di Canny c Applicazione maschera Figura 5 6 Rimozione contorni del kart avversario torni del kart avversario dell arma o di oggetti inquadrati non riguardanti il gioco Per evitare riconoscimenti errati dovuti all effetto della prospettiva e a colori simili a quelli ricercati su tale immagine applicata una maschera mediante un operazione di AND logico contenente aree rettangolari in posi zioni utili ad escludere interamente l arma individuata e il kart avversario dai contorni rilevati in precedenza In F igura 5 5 possibile vedere il funzionamento del procedimento nel ca so di presenza di una stella l immagine originale 5 5a l applicazione del l algoritmo di Canny e il risultato ottenuto utilizzando la maschera 5 5c In F igura 5 6 possibile osservare lo stesso procedimento eseguito nel caso di presenza di un kart avversario l immagine originale 5 60 l applicazione dell algoritmo di Canny e il risultato ottenuto utilizzando la maschera 5 6c Tra i rimanenti abbiamo identificato come bordo destro o sinistro a secon da dei casi quelli che contengono almeno tre punti per cui valgono le condizioni in Tabella 5 1 verificate
112. un kart esce dal tracciato deve rallen tare per non essere avvantaggiato rispetto agli altri Per stabilire se esso sia attualmente in pista abbiamo scelto di equipaggiarlo con il sensore di colore ADJD S311 Figura 4 30 montato sotto la scocca in posizione centra le Quest ultimo comunica con Arduino sfruttando la comunicazione I2C e da esso preleva l alimentazione necessaria al suo funzionamento La scheda di Arduino prevede due pin speciali per tali comunicazioni SDA e SCL i quali variano a seconda della versione utilizzata nel caso di Arduino micro sono i pin digitali 2 e 3 Dal momento che la pista formata da due colori ben diversi nello spazio RGB non abbiamo avuto bisogno di identificare esatta mente quello del terreno su cui il kart si sta muovendo la situazione fuori pista viene individuata semplicemente quando esso varia in modo significa tivo Questo tipo di sensore necessita di essere calibrato ad ogni accensione tramite il riconoscimento del colore bianco Le strategie di gara usate dal kart autonomo per effettuare un sorpasso sono subordinate alla corretta identificazione dell avversario davanti Inizial mente avevamo previsto di costruire i kart in modo tale che avessero la parte posteriore di forma rettangolare di colore predefinito riconosciuto tramite ela borazione sulle immagini Dopo vari esperimenti abbiamo notato come questa tecnica non fosse adatta ai nostri scopi a causa degli eccessivi rifless
113. vade ormai ogni aspetto delle attivit umane Dalle industrie alle case dagli uffici al tempo libero la presen za di oggetti pi o meno tecnologici diventata una componente fondamentale della nostra esistenza In questo contesto si inserisce la robotica seppur le sue applicazioni commerciali siano ancora agli albori rispetto all incredibile avanzamento di altri settori Gli ambiti di cui essa si occupa sono molteplici chirurgia industria esplorazione di luoghi sconosciuti zone militari o territori colpiti da catastrofi intrattenimento riabilitazione protesi veicoli autonomi e molti altri Noi abbiamo deciso di concentrarci su quello dei giochi interattivi basati sull utilizzo di robot i robogame I robogame possono essere visti come la nuova frontiera dei videogame un modo innovativo di concepire il gioco cos da permettere al giocatore di interagire fisicamente con esso L idea di videogame aveva gi subito una prima trasformazione a seguito dell introduzione di dispositivi come Wii Remote Kinect Move e affini i quali hanno portato allo sconvolgimento del paradigma di interazione uomo macchina al centro dell esperienza di gioco non vi pi quello che succede al suo interno ma piuttosto quello che il giocatore fa Oggi si assiste ad un ulteriore evoluzione il gioco tecnologico non pi relegato dietro allo schermo di un computer o di un televisore ma prende forma e si concretizza nel mondo reale Lo scopo pri
114. viene inizializzata ponendo tutti gli elementi al valore indicante il fuori pista e successivamente modificata usando le informazioni ottenute sui bordi sulle armi e sull avversario Per ogni riga vengono marcate come aree libere le ROI che vanno dal bordo sinistro al destro nel caso entrambi siano stati individuati dal bordo sinistro a fine immagine se stato individuato solo quello o dall inizio dell immagine a quello destro nel caso opposto Nel caso in cui non venga trovato alcun bordo nessuna ROI viene marcata come area libera Se vengono riconosciuti indicatori a forma di stella la ROI corrispon dente al centro di essi viene indicata come arma e se viene individuato un avversario alle ROI corrispondenti alla sua posizione viene assegnato il valore di ostacolo Inoltre quando i sensori laterali percepiscono la presenza di un kart l area libera di ogni riga viene ristretta da quel lato Ci avviene marcan do un numero x di ROI come ostacolo partendo dal bordo corrispondente al lato da cui stato rilevato e muovendosi verso l interno della pista con x pari alla differenza tra il centro dell area libera e met della larghezza che un kart occuperebbe su quella riga espressa in ROI Un esempio di tale situazione in caso di ostacolo sul lato sinistro visibile in Figura 5 8 5 2 Scelta della prossima azione La decisione della prossima azione da intraprendere costituisce un aspetto di notevole importanza al fine di es
115. w bluez org 34 Libreria Wii Remote Libcwiimote http libwiimote sourceforge 93 Bibliografia 94 Appendice A Configurazione delle unita di elaborazione In questa appendice analizziamo nel dettaglio le caratteristiche delle unita di elaborazione utilizzate per poi descrivere la loro configurazione e quella dell infrastruttura di rete A 1 Odroid L unita di elaborazione per il kart autonomo il mini computer Odroid U2 prodotto dall azienda coreana HardKernel di cui abbiamo riportato in Figura 4 1 lo schema a blocchi e in Tabella 4 1 le caratteristiche tecniche A 2 Raspberry Pi Il kart controllato equipaggiato con il mini computer Raspberry Pi pro dotto dall inglese Raspberry Foundation di cui abbiamo riportato le caratte ristiche tecniche in Tabella A 3 Configurazione Entrambe le unit di elaborazione non prevedono n hard disk n unit a stato solido ma si basano su una scheda SD per il boot e la memoria non volatile adatta ad ospitare sistemi basati su kernel Linux La configurazione di una nuova unit o la sostituzione della scheda SD pu essere effettuata tramite 95 A Configurazione delle unita di elaborazione module socket MicroSD Card Console eMMC UART 1MB L2 Cache VFPv3 DMC LPDDR2 RAM 16Gbit PoP ODROID U2 BLOCK DIAGRAM Exynos 4412 Prime 1 7GHz Application Processor USB 2 0 Cortex A9 HSIC L 32KB I D Cache NEON
116. za di definizione delle immagini Entrambe le situazioni sfavorevoli esposte non sono del tutto eliminabili ma abbiamo limitato i loro effetti negativi fornendo un livello pi elevato di robustezza al sistema ottenuto facendo s che nel caso di impossibilit di rico noscimento dei bordi con l algoritmo principale venga comunque riconosciuta una parte della pista Ci possibile mediante la ricerca dei ROI che presenta no una certa percentuale di pixel di colore nero che vengono classificati come area libera su cui il kart pu transitare Come si pu vedere in Figura 82 7 1 Test e risultati a Riflesso centrale b Approssimazione con nero Figura 7 4 Segmentazione della pista e Figura il risultato ottenuto nei due casi precedenti un approssima zione del tracciato che anche se non presenta un livello elevato di precisione consente comunque al kart di effettuare la scelta del movimento successivo da effettuare in modo non totalmente arbitrario Osservando la F igural7 4 si pu notare come in alcuni casi l area venga seg mentata in due parti a causa dell intensa luce che fa apparire parti del tracciato simili al colore bianco Cid non risulta completamente eliminabile ma non co stituisce un grosso problema in quanto anche se la pista non riconosciuta interamente si ha comunque un informazione su dove essa situata Vi sono poi situazioni sfortunate in cui la forma del tracciato nonostante
117. za necessit di intervento da parte dell applicazione Nel corso della gara molto probabile che capitino situazioni in cui mentre un arma non ha ancora terminato il suo effetto sul kart ve ne sia una nuova che inizia ad agire In tal caso l effetto globale ottenuto come la somma degli effetti prodotti dalle singole armi Dal punto di vista software gli effetti delle armi sono stati implementati come classi C ognuna delle quali estende una classe astratta contenente le informazioni relative al tipo di arma alla durata dell azione e alle modifiche da applicare alla velocit Ogni volta che il kart utilizza un arma vantaggiosa o che viene ricevuto un messaggio indicante che stato colpito dall avversario il vettore che contiene le armi agenti in quel momento viene modificato di conseguenza Per rendere poi gli effetti visibili prima di inviare la velocit ad Arduino il software invoca una procedura che adegua il valore di essa sulla base delle armi agenti e produce un suono caratteristico 63 5 Architettura software 5 6 Sorpasso Il riconoscimento del sorpasso consiste nell interpretazione dei valori rela tivi ai sensori laterali la cui lettura avviene ad opera di Arduino e che sono memorizzati all interno della classe rappresentante lo stato del kart Poich tale operazione deve essere effettuata con frequenza elevata abbiamo creato un thread che implementi questa funzionalit Ogni sensore di prossim

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