Projet Kinocto Spécifications Le robot Kinocto se déplace sur un terrain de jeu dont les propriétés sont bien connues, recherchant à effectuer une tâche précise. Il est doté de capacités sensorielles et d'une intelligence basée sur la présence d'un processeur embarqué Mac Mini doté du système d'exploitation Linux. Le Mac Mini est pourvu d un disque dur qui logera les programmes que vous développerez pour le projet ; il possède aussi un lecteur DVD. Il est autonome sur le plan énergétique et ne communique avec son environnement que grâce à des liens sans fils. Il pourra communiquer notamment avec une station de base et une caméra 3D disposées en retrait du terrain de jeu. Le terrain et son environnement La table de jeu Le terrain sur lequel évolue Kinocto, consiste en une table qui mesure approximativement 233 cm x 114 cm. La couleur de la surface de la table est assez uniforme, un gris très pâle neutre. Une bande transversale rouge, située à environ 81 cm d'une extrémité, sépare le terrain en 2 zones d aires inégales dont la plus petite est la zone «visiteur» et la plus grande est la zone «local». La bande rouge n a d autre utilité que de distinguer facilement les deux zones. La zone prévue au dessin se situe dans la zone «local», il s agit d un espace de forme carrée dont le côté mesure 60 cm. La zone de dessin est délimitée par une bande de peinture de couleur verte dont la largeur mesure 3 cm. Cette bande est équidistante des trois côtés de la zone «local» et laisse autour d elle un couloir de largeur d environ 27 cm où le robot pourra se déplacer si nécessaire. Tel qu illustré sur le schéma 1, la zone de dessin est dotée d une orientation Sud Nord parallèle à la largeur de la table et confondue avec la direction «coin orange» vers «coin bleu». La périphérie de la table du côté de la zone «visiteur» est délimitée par une bordure en plastique de 30 cm de haut de couleur noir mat ; c est sur cette bordure que les sudocubes à résoudre sont fixés. Le robot pourra se positionner sur le terrain grâce à une caméra 3D, modèle Kinect, disposée de manière fixe sur une rallonge en bois située du côté de la zone «local». Les données captées par la Kinect sont acquises par la station de base qui les communique ensuite au robot par un lien sans fil. Par ailleurs, les coins internes de la table sont orientés à 45 degrés. Leur couleur bleue/orange est choisie afin de faciliter l'extraction des données utiles aux calculs du robot pour aider à mieux repérer si jugé nécessaire sa position et son orientation sur le terrain. Tel que le montre le schéma 1, la disposition relative des coins oranges et bleus permet également de distinguer les deux zones «local» et «visiteur». En dessous de la table se trouve une antenne émettant un signal modulé contenant trois informations numériques identifiant le sudocube cible (voir description ci dessous) vers lequel Kinocto devra se diriger, l orientation et le facteur d échelle qu il va falloir utiliser pour tracer dans la zone de dessin le chiffre identifié dans la case rouge du sudocube. Le robot Kinocto évolue sur le terrain ; lors de ses déplacements, il transmet ses coordonnées sur la table à une station de base (voir Schéma 1) par un lien sans fil WiFi. La station de base affiche cette trajectoire en temps réel à l écran (15 secondes au maximum entre deux positions). Schéma 1 Le terrain de jeu du robot Kinocto Les obstacles Deux obstacles cylindriques (12.5 cm de diamètre et 40 cm de hauteur) de couleur noire sont placés entre la zone de dessin et les sudocubes cibles. Leurs positions ne sont pas connues à l avance.
Schéma 2 Dimensions des obstacles (Les dimensions réelles peuvent être légèrement différentes) Les sudocubes cibles Les sudocubes cibles vers lesquelles Kinocto doit se diriger sont au nombre de huit. Ils sont identifiés par les chiffres allant de 0 à 7. Quatre sont situées sur la bordure transversale de la zone «visiteur», deux sur chacun des deux autres côtés de la bordure de la même zone. Le cadre délimitant chaque figure est similaire à celui délimitant la zone de dessin, la seule différence qui existe réside dans sa dimension : le cadre des sudocubes cibles est quatre fois plus petit que celui délimitant la zone de dessin. Les dimensions des deux cadres sont illustrées sur le schéma 3. Les cadres de tous les sudocubes sont situés à 2 cm de la frontière supérieure de la bordure noire en plastique tel qu illustré sur le schéma 4. Les quatre sudocubes installés sur le côté transversal de la zone «visiteur» sont équidistants ; leurs centres sont espacés d environ 26 cm. Ainsi, l espace libre (de couleur noire) entre deux sudocubes voisins est d environ 9.6 cm, celui entre les sudocubes situés aux extrémités et les coins orange et bleu de la zone «visiteur» est également d environ 9.6 cm. Concernant les deux sudocubes installés sur le premier côté longitudinal de la même zone, leurs centres sont équidistants d environ 27 cm. Ainsi, l espace libre (de couleur noire) qui les sépare est d environ 16 cm, celui entre le sudocube le plus proche du coin de la table et ce dernier est également d environ 16 cm. Idem pour les deux sudocubes restants installés sur le côté longitudinal opposé. Le schéma 5 ci dessous illustre la structure des grilles et sous grilles d un sudocube cible. La case rouge sur le sudocube illustre un exemple d emplacement du chiffre d intérêt à identifier puis à dessiner. Il faut souligner ici que lors de la compétition les sudocubes présentés dans les figures cibles ne sont pas connus à l avance. Il est aussi important de souligner qu ils peuvent être changés par d autres durant la session ou même pendant la compétition. Schéma 3 Dimensions des cadres des sudocubes cibles et de la zone de dessin (Les dimensions réelles peuvent être légèrement différentes)
Schéma 4 Emplacement des sudocubes cibles sur les parois de la zone «visiteur» (Les dimensions réelles peuvent être légèrement différentes) Schéma 5 Structure typique d un sudocube (La case rouge montre un exemple d emplacement du chiffre que Kinocto devra dessiner) Paramétrage des dessins à réaliser Kinocto doit dessiner le chiffre située dans la case rouge dans la zone de dessin en respectant l orientation et le facteur d échelle codés dans le signal émis par l antenne. ü Orientation Quatre orientations sont possibles : Sud, Nord, Est et Ouest. L orientation indique la position où le côté inférieur du chiffre identifié doit être placé dans la zone de dessin. Si par exemple le code émis indique une orientation Est, le chiffre doit être dessiné de façon à ce que son côté inférieur soit confondu avec l Est de la zone de dessin. Encore un exemple : si le code émis indique une orientation Sud, le chiffre doit être dessiné de façon à ce que son côté inférieur soit confondu avec le Sud de la zone de dessin. ü Facteur d échelle et formes des chiffres Deux facteurs d échelle sont possibles : Grand format. Petit format. Les tailles et formes des chiffres sont données ci dessous. La grille dans chaque figure montre les coordonnées des points légendés pour le chiffre en question. L origine du repère des coordonnées étant confondue avec le coin du cadre entourant le chiffre. Pour une meilleure lisibilité, ces diagrammes peuvent être également consultés dans ce fichier.
Le laboratoire de Design III Quatre tables de jeu avec les éléments décrits ci dessus sont installées au laboratoire de Design III (PLT 3109). En plus du processeur embarqué Mac Mini monté sur le robot, à chacune des tables est associé un espace de travail pourvu d un écran, d un clavier et d une souris. Les équipes auront à utiliser leurs propres ordinateurs portables comme station de base ; il est fortement recommandé que celle ci soit configurée sous Linux mais elle peut également être configurée sous Windows si on le préfère. Tel qu indiqué dans les règles du jeu, la station de base est aussi utilisée pour communiquer la consigne de départ, pour afficher la trajectoire du robot kinocto sur la table et pour confirmer la fin de la tâche. Quelques espaces de la salle ont aussi été prévus pour des ordinateurs supplémentaires ou pour accueillir des ordinateurs portables des participants au programme LiberT. Un processus de réservation sur Pixel a été mis en place afin de permettre un accès équitable aux ressources par les différentes équipes. Des parties importantes du développement pourront être effectuées à l'extérieur du local, y compris chez vous. Le robot Kinocto Structure mécanique et mécanisme de propulsion La plateforme de Kinocto fait partie du matériel fourni aux équipes. Elle se présente sous la forme d une structure étagée compacte (voir première photo de gauche ci dessous). Le châssis de la plateforme est constitué d une plaque rigide en aluminium (voir première photo du milieu ci dessous). Dans celle ci, plusieurs trous de différents gabarits ont été prévus à divers endroits afin de permettre une grande flexibilité pour les équipes lors de la réalisation de leurs montages. Le châssis repose sur quatre supports (voir première photo de droite ci dessous) où les roues omnidirectionnelles, les moteurs et leurs encodeurs prennent places (voir photos avec roues). Quatre colonnes filetées peuvent être montées sur les coins de la face supérieure du châssis. Ces colonnes permettent l installation des différents étages de la structure du robot par l intermédiaire d écrous aux hauteurs souhaitées. Les étages sont constitués de plaques carrées en simili bois composite. Ces dernières comprennent déjà des trous prévus pour l installation de divers équipements mais elles peuvent également être usinées en cas de besoin. Il est interdit par contre d'altérer tout autre élément de la plateforme fournie ; vous devrez la remettre dans son état initial.
Schéma 6 Plateforme et châssis du robot Kinocto Alimentations électriques du processeur embarqué MacMini, des moteurs des roues omnidirectionnelles et du moteur de la tourelle de la caméra embarquée Le robot Kinocto est alimenté en énergie électrique par une pile rechargeable montée sur sa structure mécanique. Seule l alimentation électrique du Mac Mini est fournie. Cette alimentation à découpage exploite l énergie de la pile pour fournir une alimentation spécifique au Mac Mini sous réserve que la tension aux bornes de la pile soit supérieure à 22 V mais inférieure à 30 V. Si une équipe fait sauter l alimentation elle sera alors obligée de concevoir sa propre alimentation en respectant les spécifications données dans le tableau ci dessous. Tension en charge Courant Tension à vide «Ripple» maximum Alimentation Mac Mini 19 VDC 3.5 A 20.5 V 200 mv Il appartient aux équipes de concevoir l alimentation des moteurs des roues omnidirectionnelles et de la tourelle de la caméra. La pile devra être suffisamment puissante et les alimentations doivent être suffisamment robustes pour toute la durée du jeu. Par ailleurs, il faut faire attention au fait que si les moteurs des roues sont alimentés par 12 V, le servomoteur HS 422 de la caméra est quant à lui alimenté par seulement 5 V. Avant de brancher vos alimentations, elles doivent avoir été préalablement approuvées par un technicien du service technique du GEL GIF. Intelligence et capteurs L'intelligence embarquée dans le robot est constituée d'un système avec processeur Mac Mini commandé par le système d'exploitation Linux Fedora (version 14, kernel # 2.6.35). Les principaux utilitaires tels que Open CV nécessaires à la réalisation du projet sont déjà installés dans le Mac Mini. Le robot Kinocto utilise principalement la caméra 3D Kinect et une webcam embarquée comme capteurs mais peut disposer de capteurs sensoriels optionnels si souhaité. Sous système de positionnement géométrique
Le robot peut se positionner en principe grâce à la caméra Kinect. Mais il peut aussi, si jugé nécessaire, utiliser un sous système de positionnement géométrique lui permettant de s'orienter sur la table de jeu pour accomplir sa tâche en estimant sa position et son orientation dans un repère cartésien fixe. Ce sous système utilise la webcam embarquée de même que des repères sur la table : coins de couleurs différentes (bleu et orange), cadre vert de la zone de dessin, bande rouge de séparation des zones «local» et «visiteur», etc. Sous système de décodage d information Un circuit de décodage de l information émise par une antenne (voir Schéma 1) devra être conçu pour obtenir les trois informations pertinentes à Kinocto pour qu il puisse accomplir avec succès sa tâche. L'information est contenue dans le code qui module en amplitude, selon un codage Manchester à 1500 bits par seconde environ, une porteuse de fréquence f c = 265 khz (voir Schéma 7). La fréquence du signal d horloge servant à la transmission des bits n est pas stable et peut varier de +/ 50 bits par seconde. Schéma 7 Structure du codage Manchester La trame complète du code commence par un bit de départ «0» auquel s ajoutent les 7 bits contenant les informations dont a besoin Kinocto, puis une séquence de 8 bits d arrêt «1» (voir Schéma 8). Les 7 bits informatifs sont répartis comme suit : 3 bits pour coder les 8 sudocubes cibles, 2 bits pour coder les 4 orientations du dessin, 1 bit pour coder le facteur d échelle du dessin, le dernier bit n étant pas utilisé (voir Schéma 9). Cette trame est répétée sans arrêt. Schéma 8 Trame du code transmis Vous n avez pas à vous soucier du circuit de codage de l information, celui ci est fourni pour chaque table de jeu. Le signal qui contient les informations est émis par le biais d'un courant injecté dans un fil qui passe sous la table de jeu et la traverse au milieu de la zone de dessin (voir Schéma 1). Ce fil s'appelle «ligne d'émission du code». Au démarrage du jeu, l équipe d évaluation choisit un code 7 bits qu elle programme sur le circuit de modulation à l aide de sept interrupteurs DIP selon l organisation suivante : i) Les interrupteurs 1, 2 et 3 sont utilisés pour coder l identifiant du sudocube (de 0 à 7, voir Schéma 4), l interrupteur 1 étant le MSB ; ii) Les bits 4 et 5 sont utilisés pour coder l orientation (Nord = 00, Est = 01, Sud = 10 et Ouest = 11 ), l interrupteur 4 étant le MSB ; iii) Finalement, le bit 6 est utilisé pour coder le facteur d échelle (grand format = 1, petit format = 0 ) ; iv) L interrupteur 7 n est pas utilisé de sorte qu il peut prendre n importe quelle valeur. Schéma 9 Organisation des interrupteurs DIP À noter que le premier bit dans la trame du code transmis (voir Schéma 8) est la lecture de l'interrupteur 1. Le circuit de décodage de l information doit donc accomplir les fonctions suivantes : i) Capter le signal émis par la ligne d'émission du code ; ii) Décoder les informations ; iii) Afficher les trois informations codées sur des afficheurs 7 segments ou sur un afficheur alphanumérique LCD placés sur le robot Kinocto ; iv) Fournir l information au Mac Mini afin qu il décide de la stratégie à adopter pour se diriger vers le bon sudocube cible, le résoudre et identifier le chiffre situé à la case rouge, puis le dessiner à la bonne échelle et avec la bonne orientation.
Le circuit du décodage de l information doit être de votre conception et doit être monté sur un «veroboard» (et non pas sur un «breadboard»). Communications et connexions Kinocto doit être entièrement autonome. Aucun câble ou lien physique direct ne doit relier le robot à quelque autre composante que ce soit. Le Mac Mini inclut un lien WiFi qui permettra au robot de communiquer avec la station de base via le réseau sans fil. Dispositif de dessin Préhenseur Kinocto doit être muni d un préhenseur pour la saisie et la manipulation d un crayon de dessin. Le préhenseur doit être de votre conception. Son circuit doit être monté sur un «veroboard» et non pas sur un «breadboard». Le crayon doit être un crayon de plomb ou crayon à mine ; il doit être en contact avec la surface de la table de jeu seulement pour la phase de dessin. Dépôt, règles avec les kits de développement et budget Chaque équipe se voit confier plus de 1500$ de matériel pour la session. L accès à cet équipement et l entière liberté de le sortir du laboratoire entraîne un risque inévitable. Or, pour éviter d imposer le risque entier à chacune des équipes et pour assurer la mise à jour fréquente de ces équipements, un dépôt sera requis. Lors de la remise des kits de développement (Plateforme et Mac Mini) aux équipes, ces dernières déposent un montant de 20$ pour chaque étudiant de l équipe. Si tous les Mac Minis de la classe sont remis intacts à la fin de la session, un montant de 10$ par étudiant sera remis. Si un seul Mac Mini ou autre équipement de valeur rend l âme, le dépôt est gardé en entier pour permettre le renouvellement des équipements. Le Mac Mini étant conçu pour évacuer la chaleur lorsqu il est en position normale, votre design mécanique devra obligatoirement faire en sorte que cette contrainte soit respectée (i.e. que le Mac Mini soit monté avec le couvercle sur le dessus). Budget maximum sur les éléments non fournis : $250 (assumé par l équipe). Un rapport de dépenses avec factures à l appui devra être fourni lors de la démonstration finale. Hakim Bendada Dernière mise à jour : janvier 2013