Khalifa University ha organizzato ad Abu Dhabi, dal 23 al 25 febbraio 2020, la seconda edizione della competizione internazionale di robotica MBZIRC, Mohamed Bin Zayed International Robotics Challenge.
La competizione, biennale, ha lo scopo di spingere la ricerca e lo sviluppo nel settore della robotica invitando le squadre partecipanti ad individuare soluzioni innovative e tecnologicamente avanzate. L’edizione di quest’anno è stata suddivisa nei seguenti tre scenari:
- Challenge 1 – più droni devono volare in modo coordinato per raggiungere alcuni bersagli fissi (palloni ancorati a terra, distribuiti casualmente) ed interagire con essi (scoppio) e per
inseguire un bersaglio in movimento nello spazio aereo (palla trasportata in volo da un altro drone degli organizzatori) afferrandolo e depositandolo a terra in una area predefinita - Challenge 2 – più droni e robot di terra dotati di bracci robotici devono cooperare per individuare, raccogliere, trasportare e assemblare oggetti di diversa forma e colore (es. mattoni) in modo da costruire delle strutture sulla base di planimetrie predefinite
- Challange 3 – più droni e robot di terra dotati di bracci robotici ed estintori devono cooperare per individuare e spegnere degli incendi (simulati) appiccati in zone diverse all’esterno e all’interno di un edificio tridimensionale ricostruito.
Chi erano i partecipanti?
Alla competizione hanno partecipato 27 squadre provenienti dalle più importanti università e istituti internazionali operanti nel settore della robotica.
Le squadre sono state scelte dopo una accurata selezione a partire da un totale di 148 proposte provenienti da tutto il mondo.
L’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa è stato selezionato fra le prime 20 squadre ed ha partecipato alla finale in Abu Dhabi.
La squadra, coordinata dal Dott. Stefano Roccella, era costituita da 13 membri di cui 5 fra ricercatori, tecnici e
assegnisti post-doc dell’Istituto (Sirena Cascarano, Andrea Vannini, Andrea Spezzaneve, Roberto Lazzarini), 7 allievi della Scuola Sant’Anna (Michele Bersani, Alfredo Bochicchio,
Andrea Boscolo Camiletto, Luca Cuoghi, Lorenzo Ferrini, Leonardo Lai, Emanuele Pallaoro) ed un collaboratore esterno, Claudio Lattanzi della Fondazione Toscana
Gabriele Monasterio, come pilota specializzato.
Cos’ha fatto il vostro team?
L’Istituto ha sviluppato da zero i sistemi robotici volanti sia dal punto di vista hardware che software, progettando le configurazioni con metodi finalizzati all’ottimizzazione delle prestazioni e alla massimizzazione delle autonomie di volo, e implementando algoritmi di intelligenza artificiale basati sulla visione per il riconoscimento degli oggetti e di navigazione di tipo bio-ispirato al volo degli uccelli per il raggiungimento e l’interazione con gli oggetti. Alla sperimentazione, oltre al pilota della squadra, ha partecipato anche il professionista Andrea Capanna che ha contributo al collaudo e alla messa a punto dei droni.
Che risultato avete conseguito?
La squadra della Scuola Superiore Sant’Anna si è classificata quarta dopo il Beijing Institute of Technology, la Czech Technical University, la University of Tokyo e davanti a note Istituzioni operanti nel settore della robotica volante fra cui la University of Bonn e Korea Advanced Institute of Science and Technology, che sono stati battuti sul tempo avendo realizzato più velocemente lo stesso punteggio.
La sfida è stata altamente competitiva e ha messo alla prova le capacità strategiche, progettuali, tecniche e tecnologiche delle varie squadre. In particolare è stata una rilevante esperienza educativa e formativa per gli allievi partecipanti e ha permesso all’Istituto di intraprendere una nuova linea di ricerca nel settore dei sistemi robotici volanti viste le conoscenze acquisite e le attrezzature sviluppate. L’edizione del 2020 ha mostrato il lato più creativo della robotica.
Come funzionano i droni che avete progettato?
Abbiamo usato sia componenti commerciali che componenti in prototipazione rapida appositamente concepiti per fungere da interfaccia con i vari sensori e dispositivi aggiuntivi necessari al raggiungimento degli obiettivi.
La scelta della configurazione e il dimensionamento sono stati condotti mirando alla massimizzazione delle autonomie di volo compatibilmente con la durata massima della gara (15 min) e garantendo al tempo stesso il trasporto dei vari payload in termini di peso e di consumi.
Siamo stati fra le poche squadre a rispettare i limiti del regolamento e quindi non abbiamo subito penalizzazioni su questo fronte. I droni sono quadricotteri con telaio e eliche in fibra di carbonio del diametro massimo possibile compatibilmente con la lunghezza dei bracci (ciò al fine di massimizzare l’autonomia di volo) nel rispetto dei requisiti dimensionali. Partendo da telai commerciali, gli elementi di giunzione dei bracci sono stati sostituiti con componenti appositamente progettati e realizzati in lega di alluminio. Anche il carrello è stato sostituito da zampe, appositamente progettate e realizzate, più corte e poste alle estremità del braccio, vicino alle eliche. Questa modifica è stata implementata per aumentare la stabilità del mezzo durante l’atterraggio automatico.
E il volo automatico?
L’architettura è suddivisa in due diversi livelli. I droni sono macchine intrinsecamente instabili; per questo è necessario che un controllore “di basso livello” garantisca la stabilità del mezzo in ogni modalità e fase di volo. Questo compito è svolto a bordo dei nostri droni dalla scheda commerciale open source Pixhawk, che acquisisce i dati dai sensori di bordo e li elabora
in funzione della manovra richiesta regolando i giri delle eliche.
Questa scheda è interfacciata con un computer che si trova anch’esso a bordo e che è quello che impartisce i comandi di navigazione sulla base degli input provenienti dai sensori che è stato necessario aggiungere al fine di permettere al drone di percepire ciò che succede intorno.
Per la gara ogni drone è stato dotato di una telecamera digitale in grado di acquisire frontalmente delle immagini che, opportunamente elaborate dagli algoritmi di visione, restituiscono la posizione del target sulla base della quale il computer di bordo impartisce al drone i comandi di navigazione. I droni sono comunque predisposti per alloggiare altri sensori (ad esempio laser / infrarossi / ultrasuoni) per individuare gli ostacoli durante il volo.
Il pilota c’è solo per sicurezza, e se deve intervenire gli algoritmi gli danno priorità assoluta.
Quindi un volo sostanzialmente autonomo
Dal punto di vista della navigazione il drone è reso completamente autonomo dal decollo fino all’atterraggio. Il programma è realizzato in Python e gira sul computer di bordo, basato sul sistema operativo Ubuntu, grazie al modulo software ROS-SMACH appartenente all’ambiente ROS (Robot Operating System), un insieme di librerie e strumenti software molto utilizzato nella ricerca che aiuta i programmatori a sviluppare applicazioni per i sistemi robotici.
La principale fonte di informazione è la telecamera frontale.
L’immagine acquisita viene analizzata e processata mediante le librerie OpenCV che vanno ad identificare gli oggetti riconoscendone forma e colore. Mediante una opportuna calibrazione iniziale, è possibile distinguere nell’immagine forme simili a quelle di un pallone e colori specifici (nel caso della gara il verde).
Un modello matematico calcola la distanza del drone dal target sulla base delle sue dimensioni, e viene calcolata sull’immagine anche la distanza del centro del target dal centro dell’immagine. A questo punto il computer di bordo, mediante l’algoritmo di navigazione, impone dei comandi e velocità lungo le varie direzioni proporzionali alla distanza dal target e alla distanza dal centro delle immagini.
Il risultato è che, non appena il target viene visto durante la fase di ricerca, il drone comincia a manovrare avvicinandosi con velocità via via decrescente e mantenendo il target il più possibile centrato sull’immagine.
Una volta raggiunta la distanza minima inizia una fase di azione in cui il drone, mantenendo la quota, avanza bruscamente piazzando la “stoccata” e facendo scoppiare il pallone.
Se il pallone non scoppia, allora il drone torna indietro di qualche metro e parte un secondo tentativo. Una volta fatto scoppiare il pallone,il drone sale di quota per evitare il sostegno del pallone e ricomincia la ricerca degli altri palloni.
Avete solo lavorato sodo o vi siete anche divertiti?
Se dovessi parlare solo dal punto di vista di responsabile del progetto direi che la preparazione alla gara è stata molto dura. Quando si decise di partecipare non c’era niente, né personale da dedicare al progetto, né attrezzature perché la robotica volante non era un settore avviato all’interno del nostro Istituto.
È stato quindi necessario creare tutto da zero mettendo su il gruppo di lavoro, le attrezzature e soprattutto le conoscenze specifiche per poter essere competitivi in un contesto internazionale.
Se invece mi metto nei panni di chi ha la passione per la robotica, il volo e i droni, direi che ci siamo soprattutto divertiti ed emozionati. Le difficoltà incontrate lavorando giorno dopo giorno verso l’obiettivo finale, cercando di migliorare ad ogni volo le prestazioni ottenute e sfruttando tutte le potenzialità del sistema, sono state ripagate ogni volta che vedevamo funzionare davvero quello che fino a poco prima era solo nella nostra mente, ogni volta che sentivamo un palloncino scoppiare o che vedevamo un movimento eseguito come l’avevamo programmato.
Certo non sono mancati i momenti di sconforto, persino quando eravamo ormai ad Abu Dhabi sul campo di gara, ma proprio la passione che ci abbiamo messo ci ha consentito di affrontarli e di ripartire da questi per analizzare razionalmente i problemi e ottenere nuove soluzioni. In definitiva è stata una esperienza unica e irripetibile non solo dal punto di vista tecnico ma anche da quello umano e spero che rimarrà nelle menti e nei cuori dei colleghi e degli allievi che potranno farne tesoro per le loro esperienze lavorative future.
Da dove viene la vostra passione per la robotica?
L’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa è una istituzione universitaria e di ricerca che vanta un personale di più di 200 persone con un portfolio di competenze trasversali che spazia dalla meccanica alla biologia, dalla biologia alla robotica ed all’ingegneria di processo. La missione passione della nostra Scuola è quella di coltivare le migliori menti per creare nuove generazioni di ricercatori, inventori ed imprenditori, in grado di affrontare le sfide scientifiche del millennio con un approccio creativo che sfrutti le sinergie tra le diverse discipline.
Con questa ambizione, l’Istituto di Bio- Robotica continua a sviluppare diverse linee di ricerca volte allo sviluppo di piattaforme robotiche per studiare e imitare la natura, collaborare con l’uomo dall’infanzia alla terza età, e per educare e migliorare la società.
L’Istituto crede nel valore delle competizioni da un punto di vista formativo e per spingere il progresso tecnologico.
Cosa avete imparato da questa gara?
Il risultato principale della partecipazione a questa competizione è stata la nascita di una nuova linea di ricerca per l’Istituto, riguardante i sistemi robotici volanti. Infatti la gara ci ha dato modo di allestire il laboratorio con attrezzature all’avanguardia nel settore e soprattutto ci ha permesso di acquisire un bagaglio di conoscenze su questi sistemi fino a prima della gara non note. Ci ha insegnato anche a saper affrontare le situazioni di difficoltà con freddezza e razionalità avendo fiducia nel proprio compagno e confidando nella collaborazione di tutti.
Dal punto di vista tecnico la principale lezione è stata la costatazione di quanto sia importante per questi sistemi garantire una robusta comunicazione wifi sia dal punto di vista hardware che software nel caso debbano essere eseguiti dei compiti in modo coordinato. Infatti all’inizio della gara avevamo previsto l’impiego di più droni che avevano il compito di suddividersi il campo di gara nel raggiungimento dei diversi target sparsi a caso.
Purtroppo alcune incompatibilità fra i sistemi di bordo e le infrastrutture wifi dell’organizzazione non hanno permesso l’aggancio delle varie reti durante il volo, causando la perdita di comunicazione e l’arresto del codice di navigazione con il drone, che quindi, durante le prove, smetteva di rispondere ai comandi fermandosi e rimanendo in volo in attesa. Il problema è stato risolto cambiando le procedure di avvio dei codici e rendendole indipendenti dalla presenza del segnale wifi.
In questo modo, una volta avviato il codice, il drone smetteva di comunicare qualsiasi informazione sulla rete wifi, gestendo il volo in totale autonomia, sempre però con il pilota pronto ad intervenire per ragioni di sicurezza. Perciò è stato necessario rinunciare al volo coordinato e contemporaneo fra più droni ed elaborare sul posto una diversa strategia facendo operare i droni in successione su diverse aree del campo mediante una opportuna temporizzazione.
Tuttavia il secondo drone non è mai entrato in azione perché tutti i target sono stati raggiunti soltanto con il primo che, data l’ottimizzazione del sistema di navigazione, delle traiettorie e dell’autonomia di volo, è stato in grado di completare la gara.
Altro punto importante che è stato appreso è stata la necessità di disporre di un sistema di localizzazione e posizionamento dei droni funzionante anche al chiuso.
Bisogna sempre ricordare, e questo ce lo ha insegnato la competizione, di quanto sia importante la sperimentazione in un ambiente reale perché il funzionamento effettivo di un sistema robotico differisce, talvolta in modo significativo, da quello sperimentato o simulato in laboratorio.
Quali sono i vostri obiettivi per la prossima gara?
MBZIRC è una competizione internazionale con cadenza biennale quindi nel 2022 ci saremo. Sicuramente l’asticella sarà più alta e con essa le aspettative, ma abbiamo alle spalle questa edizione che per noi è stata un successo e quindi non dovremo iniziare da zero.
I droni sono già pronti e volano in modo affidabile, quindi si tratterà di ottimizzare e sviluppare nuovi codici sulla base di quello che ci chiederanno gli organizzatori. Le persone ci sono tutte e sono già formate con le competenze necessarie allo svolgimento delle varie attività. Certo è che i ragazzi si laureeranno e molti di essi intraprenderanno altri percorsi, ma questo fa parte del gioco.
Noi saremo pronti a trasferire le nostre esperienze a chi fra i futuri studenti mostrerà interesse a questi argomenti e avrà voglia e coraggio di mettersi alla prova in una impresa che sicuramente rimarrà dentro di essi e che servirà per il loro futuro lavorativo.
Tecnicamente approfondiremo la comunicazione fra più droni al fine di gestire il volo in modo coordinato per il raggiungimento degli obiettivi, implementeremo i codici di evitamento degli ostacoli, studieremo algoritmi di intelligenza artificiale più spinti per il riconoscimento di oggetti dalle forme più complesse, allestiremo un laboratorio per la sperimentazione al chiuso ed aggiorneremo i nostri droni con le nuove versioni dei software e dei componenti. In attesa che escano le regole per l’edizione 2022 proveremo a svolgere le gare che in questa edizione non sono state affrontate.
Dal punto di vista scientifico studieremo i metodi di progettazione basati sul “Generative Design” al fine di ottenere componenti meccanici più robusti e più leggeri e indagheremo le tecniche di controllo del volo degli uccelli al fine di elaborare degli algoritmi di navigazione bio-ispirati che ci permettano di ottimizzare le prestazione dei droni.
