Interview
Tech United dribbelt, passt en lobt zich naar EK-titel
10 juli 2008
Wat Oranje niet lukte, deed Tech United wel: Europees kampioen worden. Eind april won het drie jaar oude team van de TU Eindhoven het officieuze EK robotvoetbal in Hannover. Projectleider René van de Molengraft en teamleider Roel Merry over de mechatronische geheimen achter het succes.
Drie jaar geleden zag René van de Molengraft voor het eerst een robotvoetbaltoernooi. Minstens de helft van de wedstrijden bewoog er helemaal niets. ‘Dat moeten wij beter kunnen’, dacht de TUE-docent en met zijn werktuigbouwkunde-aio’s en -studenten sleutelde hij in een jaar tijd vier eigen robots in elkaar.
Bij het debuut van het team Tech United, tijdens het Eindhovense Roboludens-festival in 2006, deden de robots nog niet veel uit zichzelf. ‘We hadden ze net op tijd afgekregen, maar ze hadden nog nooit aangestaan’, vertelt Van de Molengraft, die de rol van technisch directeur op zich heeft genomen. ‘Tijdens de wedstrijd moesten we alle software op de robots handmatig opstarten. Dat was niet te doen.’
Een jaar later, vorig jaar, voetbalde Tech United voor het eerst een beetje leuk mee en won het ook zijn eerste wedstrijd. Op de German Open in het Duitse Hannover, het officieuze Europees kampioenschap, eindigde het team als derde na een stroeve start. Vanwege problemen met de communicatie bleven de robots aanvankelijk roerloos op hun plek staan, maar noodaanpassingen aan de software brachten uitkomst – en brons.
Eind april van dit jaar volgde het voorlopige hoogtepunt, wederom op het toernooi in Hannover. De Eindhovenaren wonnen de finale door de Cops uit Stuttgart te verslaan. De reguliere speeltijd eindigde in 1-1, waarna Tech United de strafschoppen beter nam. Het team mag zich nu officieus Europees kampioen robotvoetbal noemen.
Als een gek
De Eindhovense Turtle-robots (Tech United Robocup Team Limited Edition) doen mee in de middle size-league van het Robocup-toernooi. Daarbij spelen twee teams van zes op een veld van twaalf bij achttien meter (voorheen acht bij twaalf, maar onlangs opgeschaald). De robots zelf zijn maximaal 50 bij 50 centimeter, en 80 centimeter hoog. Ze mogen draadloos met elkaar communiceren, maar krijgen geen hulp van een centrale computer. Daarom zijn ze uitgerust met geavanceerde sensoren en kunstmatige intelligentie. Het uiteindelijke doel is om in 2050 van de menselijke wereldkampioen voetbal te kunnen winnen.
De robots waarmee Tech United debuteerde tijdens Roboludens hadden een relatief eenvoudig drielagig ontwerp. De basis bestond uit drie omniwielen met eigen motoren en drie eenvoudig te verwisselen Makita-gereedschapsaccu’s. Daarbovenop lag het mechanisme om de bal te trappen. De bovenste laag werd gevormd door drie data-acquisitiemodules en een laptop met realtime Linux, onderling verbonden middels USB. De beelden van het spel kwamen binnen via een omnivisiecamera, die recht naar boven is gericht en via een bolle spiegel het veld overziet.
Deze eerste generatie gebruikte perslucht om schoten af te vuren. ‘We moesten heel snel een oplossing hebben en hebben toen gekozen voor pneumatisch, omdat de meeste teams dat zo deden’, legt Van de Molengraft uit. ‘Met luchtdruk lanceren we een plunjer, die tegen een scharnierend beentje aanslaat. Daarmee schieten we de bal.’
De kastjes om de motion control realtime uit te voeren met een pc waren ook van eigen makelij. ‘Die hebben we samen met een groep bij Natuurkunde ontwikkeld, vooral voor onderwijsdoeleinden. Ze hebben als voordeel dat ze klein zijn, goedkoop en te koppelen aan een notebook, zodat studenten heel gemakkelijk zelf realtime-experimenten kunnen doen. Omdat we er zoveel ervaring mee hadden, hebben we ze ook gebruikt voor de robots.’
Voor de camera-unit zijn de Eindhovenaren als een gek informatie gaan verzamelen over visie. ‘Daar waren we nog redelijk blanco’, herinnert Van de Molengraft zich. ‘Dus toen hebben enkele mensen al hun Robocup-tijd gestoken in dingen als beeldverwerking, kleursegmentatie en het ontwijken van obstakels. Daarbij hebben ze gekeken naar andere teams en gezocht in de vele literatuur die beschikbaar is over visie in robotica. In die fase was het vooral belangrijk om kleuren uit het beeld te kunnen halen: groen was het veld, oranje de bal, blauw de ene goal, geel de andere, de robots waren zwart, de lijnen wit. Als je dat realtime uit het beeld kunt halen, heb je een heel stuk van de wereld in kaart gebracht.’
René van de Molengraft is projectleider van Tech United en vliegende kiep op softwaregebied.
Postelastieken
De Turtles van de tweede generatie, waarmee Tech United brons behaalde in Hannover, hadden voor een deel nog dezelfde modulaire opbouw met drie lagen. ‘Maar we zijn wel aan het integreren gegaan’, zegt Van de Molengraft. ‘De verschillende lagen waren al niet meer uitneembaar en uitwisselbaar tussen de robots. In de derde generatie hebben we dat nog verder doorgevoerd. Die heeft alleen nog een soort frame waar we de verschillende componenten aan hangen.’
Een belangrijke innovatie in generatie twee was de overstap van pneumatisch schieten naar het gebruik van een solenoïde. Dit is een spoel met een beweegbare weekijzeren kern, die elektrische energie omzet in een lineaire beweging. ‘Het nadeel van lucht is dat we maar een stuk of vijftig schoten konden lossen. Dan moesten we de luchtflesjes alweer bijvullen. Een aantal deelnemers maakte al gebruik van een solenoïde. Daar zijn wij toen ook naar gaan kijken.’
Bij de solenoïdegebaseerde oplossing laden de accu’s een vette condensator op. Wanneer die wordt opengeschakeld, gaat er een stroom lopen door de spoel. Het gegenereerde magnetische veld laat de kern vervolgens naar buiten schieten. ‘Dat zijn stromen van 50 à 60 ampère. Dat kun je 20 milliseconden volhouden, maar je kunt ook besluiten om de schakelaar na 1 of 2 milliseconden dicht te gooien. Zo kunnen we het schot doseren, hard en zacht schieten met een en dezelfde oplossing.’
Een andere vernieuwing ten opzichte van de eerste versie was het mechanisme om de bal te drijven. ‘De reglementen schrijven voor dat je de bal niet mag klemmen om hem mee te nemen. Het ding moet te allen tijde rollen in de richting waarin de robot rijdt’, vertelt Roel Merry, teamleider van Tech United. ‘Wij zijn begonnen met postelastieken om de bal bij ons te houden, maar die sneuvelden heel snel als we ergens tegenaan reden. Andere teams hebben een paar schuimrubberen isolatiebuizen aan de voorkant. Beide oplossingen hebben echter het probleem dat de bal doorrolt als de robot stopt. Daarom zijn we in de tweede generatie overgestapt op lopende bandjes waarmee we actief regelen dat het projectiel bij de robot blijft.’
Bron van stress
In de laatste versie van de Turtle, de EK-winnaar, hebben de Eindhovenaren dit mechanisme geoptimaliseerd. Van de Molengraft: ‘We houden de bal nu vast met wieltjes. Als we die op de juiste snelheid laten ronddraaien, dit regelen we met een tachometer op de motor, trekken we de bal naar binnen, naar ons toe. In essentie remmen we het projectiel een beetje af.’
De robot probeert de bal als het ware voortdurend in te halen. Bij achteruitrijden is het precies andersom: door de bal een beetje te versnellen in achterwaartse richting, probeert die de robot voorbij te gaan. En ook als de speler om zijn as draait of over hobbels kart, heeft hij de bal aan een lijntje. ‘Momenteel zijn wij de enigen die dit kunnen’, zegt Van de Molengraft met gepaste trots. ‘Waarschijnlijk zijn andere teams nu bezig het na te maken, want zij zijn toch wel onder de indruk geraakt.’
Ook de schietkunsten van de Turtles zijn er flink op vooruitgegaan. ‘We hebben het solenoïdemechanisme gecombineerd met de mogelijkheid om de plunjer een kwartslag te draaien. Maken we daar geen gebruik van, dan schiet de robot rechtdoor. Dat doen we zo hard mogelijk. Kantelen we de plunjer, dan raakt hij een gekromde lepel en lobben we de bal. Dat kan heel zacht, als we dicht bij de keeper staan, of hard, als we nog ver van de goal af zijn. We kunnen nu dus variëren in schotsterktes én -types. De afstand tot het doel bepaalt hoe lang de condensator open moet. Zo kunnen we iedere keer op precies dezelfde manier in de kruising schieten.’
In de prijswinnende derde generatie is Tech United afgestapt van de eigen data-acquisitiekaarten. ‘Toen wij begonnen, waren er nog geen kleine, draagbare kastjes verkrijgbaar die realtime konden meten en sturen. Inmiddels zijn die er wel. De industriële modules van Beckhoff die wij gebruiken, zijn goedkoop, klein, robuust en schaalbaar. Door hun geringe omvang kunnen we ze laag monteren. Dat verlaagt het zwaartepunt van de robot, waardoor deze stabieler is. Bovendien kunnen we precies kiezen hoeveel van welke I/O-kanalen we willen hebben. Onze eigen kastjes hadden een vast aantal analoge en digitale poorten.’
Een groot voordeel van de Beckhoff-modules is ook dat ze via een realtime Ethernet-bus aan elkaar zijn te koppelen. De communicatie daarover verloopt via het Ethercat-protocol. ‘Voorheen lag er een USB 2.0-verbinding tussen de data-acquisitie en de pc’, vertelt Van de Molengraft. ‘Toen hadden we toch wel wat problemen met de realtime afhandeling van de USB-pakketjes. Als de bus zonder stroom kwam te zitten, bijvoorbeeld omdat de accu’s leeg waren, dan wilde de pc nog wel eens blijven hangen, omdat hij aan het wachten was op een event dat nooit kwam. Dan moesten wij de robots naar de kant halen om ze te rebooten. Een enorme bron van stress. Ethercat is niet alleen waanzinnig deterministisch en enorm nauwkeurig, maar doordat het is uitgekristalliseerd en gebruikmaakt van een standaard Ethernet-bus, ook nog eens superrobuust. De computer hangt nooit meer.’
De gebruikte modules maken het bovendien mogelijk om de regelaar gewoon op de standaard processor van de pc te draaien en daarbij alle faciliteiten te benutten die die machine biedt. Van de Molengraft: ‘We hebben alle voordelen van een generieke processorbak, waaronder een harde schijf en bakken vol geheugen. Bovendien kunnen we realtime I/O doen. Ik ken geen systemen die hetzelfde kunnen voor een vergelijkbare prijs.’
Baas van je pc
Het brein is niet langer een laptop. In generatie drie hebben de Eindhovenaren die ingeruild voor een mini-pc-bordje. ‘Gewoon zo’n doosje met een scherm dat je tegenwoordig bij computerzaken ziet liggen voor mensen die graag een computertje in de woonkamer willen’, lacht Van de Molengraft. ‘Maar zo’n industriële pc van bijvoorbeeld Beckhoff zou helemaal perfect zijn. Een echt uitgeklede pc, met een krachtige processor en een besturingssysteem dat je helemaal vanuit flashgeheugen kunt draaien. Dan heb je die harde schijf ook niet meer nodig.’
Een processor met twee rekenkernen staat op het verlanglijstje. ‘In essentie bestaat de software uit twee delen. We hebben een snelle motionapplicatie, die berekent duizend keer per seconde nieuwe acties voor de motoren van bijvoorbeeld het balbehandelingsmechanisme en de omniwieltjes. Daarnaast hebben we een visieapplicatie op 16 Hz. Die krijgt de camerabeelden binnen en haalt daaruit de relevante informatie: waar ben ik, waar is de bal, waar zijn de tegenstanders, waar zijn de lijnen? Op basis van die informatie, de teamstrategie en de rol van de speler daarin berekent dit deel vervolgens het pad van de robot. Dat communiceert het vervolgens via TCP/IP naar het motionstuk. Met twee processorkernen kunnen we beide applicaties een eigen core geven.’
De computer draait nog wel steeds Linux. ‘We hebben realtime-performance nodig en onder Linux is dat betrekkelijk makkelijk vanwege het open-sourcekarakter. Je kunt veel eenvoudiger de baas worden van je pc. De middelen om het OS realtime-eigenschappen te geven, zijn gewoon vrij beschikbaar. Die kun je helemaal aanpassen aan je eigen wensen. Verder heb je een open kernel, waar je zelf alles in mag doen. Bij Windows ben je aangewezen op commerciële software van derden. Dat realtime-spul moet je bovendien allemaal kopen.’
Van de Molengraft heeft het wel geprobeerd met Windows. ‘Ik heb dat pad ook bewandeld voordat ik bij Linux ben uitgekomen. Onder Windows 98 heb ik een VXD-driver gemaakt die de timerinterrupts van de pc als eerste afvangt, en daar heb ik dan een interrupthandler aan gehangen die de regelaar triggert. Dat ging best aardig. Windows 98 is toch een soort veredeld Dos: je zit redelijk dicht op de hardware, er zitten niet al te veel mechanismen in de weg van het virtuele geheugen. Onder NT ging het ook nog wel, hoewel dat al wat meer afhandelingsmechanismen aan boord heeft die voorrang krijgen. Bij XP begon het echt lastig te worden: daar heb je intelligente hardware die de processor volledig kunnen interrupten en de pc voor langere tijd helemaal kunnen stilleggen. Hoe nieuwer de Windows-versie, hoe moeilijker het was om de baas te worden over de computer.’
Grootgebracht met Matlab
Bij het ontwikkelen van de software die de robot aanstuurt, heeft Tech United volop gebruikgemaakt van modellen. ‘Eigenlijk hebben we alle onderdelen vanaf het begin compleet modelgebaseerd ontworpen’, stelt Van de Molengraft. ‘We schrijven de software in modulaire blokken. Eerst maken we een model, bijvoorbeeld om de impuls van de plunjer te maximaliseren op het moment dat die tegen de lepel komt. Dat model onderwerpen we vervolgens aan een numerieke optimalisatie. Dat doen we allemaal in Matlab. De uitkomst stoppen we als blokje in een Simulink-model. In die blokken kunnen we ook eigen stukken code hangen.’
Uit het volledige Simulink-model genereert het Eindhovense ontwikkelteam vervolgens C-code met behulp van Real-Time Workshop. Die code compileert het naar het realtime Linux-targetplatform. De resulterende applicaties laadt het team op het mini-pc’tje, waar ze via de I/O-kastjes met de rest van de robot communiceren. ‘Een belangrijk voordeel van automatische codegeneratie is dat wij ons niet hoeven te bekommeren om de interruptafhandeling in het realtime besturingssysteem. Dat is voor ons werktuigbouwers toch een lastig stuk.’
Teamleider Roel Merry houdt zich bezig met de strategie van de Eindhovense robotvoetballers.
De gereedschappen van The Mathworks waren voor Tech United de logische keuze, aldus Van de Molengraft. ‘Je pakt de tools die het meest wijdverspreid zijn en het meest zijn ingebed in de hoofden van de mensen. In Eindhoven worden studenten vanaf hun eerste jaar grootgebracht met Matlab, dus dat is de de facto standaard hier. Natuurlijk is het gereedschap ook behoorlijk volwassen. De mogelijkheden voor codegeneratie zijn bijvoorbeeld heel erg goed.’
‘Er zijn alternatieven’, vervolgt de technisch directeur. ‘Zo heb je Scicos van Scilab, een open-source toolbox die qua functionaliteit heel veel lijkt op Matlab en Simulink. Wij hebben er echter nauwelijks ervaring mee, dus voor ons was dit geen optie. Hetzelfde geldt voor 20-Sim. Dat heeft ook een grafische modelbouwer, het kan ook code genereren en interfacen naar hardware, dus dat hadden we net zo goed kunnen gebruiken. Maar bij ons is Matlab nu eenmaal het standaard ontwerpgereedschap in de regeltechniek.’
Twee ton
Willen de robotvoetballers in 2050 de menselijke wereldkampioen kunnen verslaan, dan zullen ze zich moeten blijven ontwikkelen. De uitdagingen liggen er dan ook vooral in om het menselijke spelletje beter te benaderen. Hoewel al opgeschaald van acht bij twaalf meter naar twaalf bij achttien, zal het veld bijvoorbeeld nog groter moeten. Er komt dan een moment dat de omnivisiecamera niet meer alles kan overzien. ‘Nu gebruiken we de witte lijnen in combinatie met een elektronisch kompas om onze positie te bepalen. Wanneer het veld zo groot is dat je bijna geen witte lijnen meer in beeld hebt, kan dat niet meer. Dan zullen de robots camera’s krijgen die net als menselijke ogen de omgeving scannen’, voorspelt Van de Molengraft.
Een andere belangrijke uitdaging is om de robots vloeiende combinaties op de mat te laten leggen. Dat vereist niet alleen een accurate passing, maar ook onderling overleg en strategie. ‘Schieten kunnen de teams allemaal wel, al dan niet gedoseerd, maar bij passen komt meer kijken. De communicatie tussen de spelers, hun beslissingen en de onderlinge afspraken zijn veel bepalender voor een goede actie. Wij zijn nu zover dat onze robot beslist om af te spelen als hij de bal heeft, maar niet alle obstakels kan omzeilen of de goal net te veel is geblokkeerd. Dan vraagt hij aan zijn medespelers wie de pass wil ontvangen. Een teamgenoot die er beter voor staat, kan daar dan op reageren, waarna hij de bal krijgt toegespeeld en de aanvalsrol overneemt. Deze protocollen, die individuele acties aan elkaar knopen tot strategisch spel, zijn nu sterk in ontwikkeling.’
Tech United kijkt niet alleen uit naar nieuwe functionaliteit voor zijn robots. Ieder toernooi komt het team ook weer thuis met verbeterpunten voor bestaande onderdelen. ‘De meeste ideeën doe je op tijdens wedstrijden’, vertelt teamleider Roel Merry. ‘Daar zie je hoe andere teams problemen oplossen, daar wissel je ervaringen uit. Elke keer maken we een lijstje met dingen waarmee we onze prestaties significant kunnen verbeteren. En dan beginnen de nieuwe ontwikkelingen.’ ‘Het is niet ons doel om ieder jaar een nieuwe generatie te bouwen’, vult Van de Molengraft aan, ‘maar tot nu toe hebben we voor elk groot toernooi steeds de behoefte gehad om de boel op de schop te nemen.’
Bij het sleutelen op dinsdagavond hoeven de Eindhovenaren hun hand in ieder geval niet op de knip te houden. Van de Molengraft: ‘Momenteel is geld voor ons geen beperkende factor. We hebben een budget van zo’n twee ton per jaar. Het grootste deel komt van de TU en er zit een stukje sponsoring bij. Van dit geld kunnen we spullen kopen en toernooien bezoeken, de uren van de mensen betalen we er niet van. Twee ton is een aardig bedrag, maar een zo’n robot vertegenwoordigt al een waarde van twintigduizend euro en daar hebben we er zes van. Toch denk ik dat we met dit budget alles kunnen doen dat we willen. Ik verwacht dat we het nog wel een paar jaar kunnen volhouden.’
