Itseohjautuvuus koetuksella - Peltorobottikilpailu 2013, Tšekki

Kilpailun voittanut TU Kaiserslautern -robotti. Robotissa on pieni laserskanneri sekä edessä että takana varsistojen päässä. Robotti käyttää nelipyöräohjausta. 

Kilpailussa toiseksi sijoittunut Bullseye on suhteellisen isosta koostaan huolimatta ketterä liikkumaan, koska jokainen pyörä kääntyy 360 astetta. Näin se voi liikkua sivusuunnassa tai vaikka paikallaan. Tässäkin robotissa on paikannuksen pääanturina laserskanneri. 

Kilpailussa kolmanneksi sijoittunut FlowerPower käyttää paikannukseen vain edessä olevaa pientä laserskanneria. Robotin yläosassa olevat kamerat ovat rikkakasvien tunnistustehtävää varten. Pieni takavetoinen robotti oli kostealla pellolla kulkukykynsä rajoilla. 

DoubleTrouble -joukkue. (edessä vas.) Tommi Rautio, Bjarne Boström, Tino Tuominen, Pyry Piirainen (kapteeni), Heikki Järvi, Tommi Forsman, Severi Savukoski; (takana vas.) Matti Pastell, Jari Kostamo, Inder Sehra, Jerri Rantio ja Timo Oksanen. 

DoubleTrouble-robotti teki käännökset seuraavalle riville luotettavasti, silmukkakäännöstä käyttäen. 

Suomalaisjoukkueen robotti suorittamassa freestyle-tehtävää. Keskelle asennettu suorakylvökonemoduuli pidentää robottia noin 20 senttiä. Auringonkukan suorakylvökoneessa on kummallakin puolella porayksiköt, jotka tekevät maahan noin 5 senttiä syvän reiän. Siemen annostellaan säiliöstä. Havaittavuuden vuoksi demossa käytettiin 6 millin muovikuulia merkkaamassa siemeniä. 

Teksti: Timo Oksanen

Kuvat: Jari Kostamo,

Timo Oksanen, Matti Pastell

Kilpailu käytiin Prahan yliopiston koepelloilla, vain noin kolmen kilometrin päässä vanhasta kaupungista. Kilpailussa oli kolme sääntömääräistä tehtävää ja kaksi ns. freestyle-tehtävää, joissa tuomaristo arvioi suorituksen. Ensimmäisessä tehtävässä robottien tuli ajaa mutkallisten kasvirivien välissä ja kääntyä noin 15 metriä pitkien rivien päässä aina seuraavalle. Kolme minuuttia kestävässä ajorupeamassa pluspisteitä saa ajetusta matkasta ja onnistuneista päistekäännöksistä. Miinuspisteitä tuli automaattiseen toimintaan puuttumisesta ja tuhotuista taimista.

Toisessa tehtävässä kasviriveiltä puuttui auringonkukan taimia, joka aiheutti haastetta rivin loppumisen tunnistamiselle. Varsinainen haaste oli käännöksissä, joissa ei käännytty aina seuraavalle riville, vaan ohjeen mukaan esimerkiksi viisi riviä oikealle. Rivien seassa oli myös esteitä, jotka robottien pitää tunnistaa ja peruuttaa takaisin päisteeseen hakemaan seuraava reitti.

Kolmannessa tehtävässä robottien piti navigoida rivien välissä, kuten ensimmäisessä tehtävässä ja tunnistaa ajaessaan muita kuin tavallisia auringonkukan taimia: kuolleita auringonkukan taimia (ruskeita), maissintaimia (saman kokoinen taimi, erilaiset lehdet) ja rapsin taimia (pienempiä, erilaiset lehdet). Kilpailussa ei tarvinnut osoittaa tuhoamistoimenpidettä löydettyihin rikkoihin – pelkkä äänimerkillä osoittaminen riitti pisteiden saamiseen.

Kilpailuun osallistui 19 opiskelijajoukkuetta Tšekistä, Saksasta, Hollannista, Sloveniasta, Englannista, Romaniasta, Tanskasta, Turkista ja Espanjasta. Perinteiseen tapaan mukana oli myös Aalto-yliopiston ja Helsingin yliopiston yhteisjoukkue. Suomen joukkueen robotin nimi oli DoubleTrouble, joka vihjaa robotin kaksijakoiseen luonteeseen.

Robotin erikoisuus on helposti keskeltä katkaistava runko, jonka väliin voi asentaa tarpeen mukaisen työkoneen. Robotin tietoliikenteen runko perustuu ISOBUS-väylään, joka voidaan ketjuttaa keskelle asennettavan työkoneen läpi. Robotin 20 kilon omapainon lisäksi keskelle asennettava työkone voi painaa suunnitteluohjeen mukaan 10 kiloa.

DoubleTrouble-robotti osallistui ilman keskimoduulia kaikkiin perustehtäviin. Robotin ohjausjärjestelmä koostuu kolmesta tietokoneesta (mini PC) sekä lukuisasta määrästä pienempiä moduuleja, joissa on mikrokontrolleri. Ne välittävät esimerkiksi käyttöliittymässä informaatiota tietokoneelle, ISOBUS-väylän kautta.

Jotta robotti tietäisi sijaintinsa, tarvitsee se avukseen antureita ja algoritmeja. Pääanturit ovat vaakatasossa maailmaa skannaileva laserskanneri (SICK), robotin

joka nurkassa olevat etäisyysanturit (SICK) sekä elektroninen kompassi ja mikromekaaninen gyroskooppi (Murata). Robottiin ohjelmoidut algoritmit kaivavat näistä kaikista mittaustiedoista tiedon siitä, missä päin peltoa se sijaitsee. Kun robotti tietää sijaintinsa, ohjaavat siihen ohjelmoidut navigointialgoritmit moottoreita muuttamaan sijaintia tehtävän mukaisesti – rivien välissä ajettaessa käytetään yhdenlaista navigointialgoritmia ja päisteessa ajettaessa toisenlaista.

Robotin voimansiirto perustuu harjallisiin sähkömoottoreihin ja LiPo-akkuihin. Näiden ohjaamiseen tarvitaan runsaasti (teho)elektroniikkaa, jonka Double-Trouble joukkue suunnitteli ja rakensi itse. Ajomoottoreissa on tehoa yhteensä noin 200 wattia, ja robotin maksiminopeus on noin

7 km/h. Kisatehtävissä käytetty ajonopeus oli 3–4 km/h, eli hidasta kävelyvauhtia. Voimansiirron ja nelipyöräohjauksen komponentit on paketoitu akselimoduuliksi, joita on robotissa kaksi kappaletta. Lisäksi joukkue valmisti varakappaleen, joka on nopea vaihtaa, mikäli jokin voimansiirron osa rikkoutuu.

DoubleTrouble-robotin kokoa-misen aikataulu viivästyi erinäisistä syistä, ja testaus kotimaassa jäi vähäiseksi. Kisatehtävien kaltaisia ratoja tehtiin Helsingin yliopiston koetilalle kylvämällä sekä ohraa että auringonkukkaa erillisiin kohtiin kesantopeltoa. Auringonkukka ei ehtinyt itää paria tuumaa pidemmäksi, mutta ohrakasvuston joukkoon tehdyllä radalla selvisi kuitenkin suuri määrä robottiin liittyneitä ongelmia, joita joukkue ehti korjata ennen kisamatkaa. Kisapaikalla järjestäjien tarjoama testipelto tarjosi viimeisen mahdollisuuden virittää aiemmin mainitut algoritmit kohdalleen, mutta yksi päivä ei riittänyt kaikkeen tarvittavaan viimeistelyyn.

Ensimmäisessä tehtävässä Doub-leTrouble mutkitteli hieman liian kovaa, ja suoritusta piti auttaa käsin lukuisia kertoja. Käännökset sujuivat kuitenkin muita paremmin. Toisessa tehtävässä pienennetty ajonopeus paransi rivillä pysymisen tarkkuutta, mutta käännös useamman rivin yli ei onnistunut. Tässä tehtävässä sijoitus oli neljäs.

Kolmannessa tehtävässä rikkakasvien tunnistus ei toiminut lainkaan. Konenäköjärjestelmän virittäminen oli jäänyt viimeisenä testipäivänä vähemmälle tärkeysjärjestyksessä, joten robotti oli näkevinään rikkakasveja lähes kaikkialla. Sen seurauksena kisapisteet menivät reilusti miinukselle.

Kisaa hallitsi Kaiserslauternin teknillisen yliopiston rakentama robotti. Robotti toimi jo harjoituspäivän alussa hyvin, joten joukkue oli tehnyt kotiläksyt huolella. Saksalaisten robotissa paikannus perustui vain ja ainoastaan robotin molemmissa päissä oleviin pieniin laserskannereihin, ja laskenta suoritettiin robotin kyydissä olleessa teollisuustietokoneessa. Toiseksi kokonaiskilpailussa tuli hollantilainen Bullseye, joka osallistui kilpailuun myös edellisenä vuonna. Ero voittaneeseen joukkueeseen oli selvä. Kolmanneksi sijoittui edellisen kisan voittaja, tanskalainen FlowerPower. DoubleTrouble jäi kokonaiskilpailussa seitsemännelle sijalle.

Field Robot Event -kilpailuun kuuluu oleellisena osana innovatiivisuutta mittaava Freestyle-tehtävä. Tällä kertaa se oli jaettu kahdelle päivälle. Ensimmäisenä kisapäivänä joukkueet esittelivät robottiensa erityiskykyjä soolona, ja toisena kisapäivänä halukkaat joukkueet saivat yhdistää yön aikana robottiensa voimat duetoksi.

Suomen joukkue oli rakentanut omaa freestyle-demonstraatiotaan projektin alusta lähtien: robotin keskeltä poikki menevä runko piti ottaa huomioon mekaniikan suunnittelussa alusta lähtien. Myös keskelle asennettavan työkonemoduulin idea oli päätetty jo projektin alussa: (auringonkukan) suorakylvökone.

Keskelle asennettava suorakylvökonemoduuli on elektronisesti itsenäinen kokonaisuus, omalla akulla ja tehoelektroniikalla varustettuna. Suorakylvön idea perustuu poraamiseen ja siementen yksittäisannosteluun säiliöstä. Porausyksiköt perustuvat kummallakin puolella akkuporakoneen sisältä löytyviin osiin sekä 20 millin puuporanteriin. Säiliö, pohjasuppilo ja kansi sekä muutama muukin osa on valmistettu 3D-tulostimella, muovista. Freestyle-tehtävässä DoubleTrouble-joukkue esitteli automaattikylvöä, robotti kylvi jyvät molemmille puolille ajolinjaa ja siirtyi aina noin 10 senttiä ajosuunnassa eteenpäin.

Tuomaristo arvioi Suomen jouk-

kueen demonstraation kisan parhaimmaksi. Muiden joukkueiden freestyle-demonstraatiot olivat kylvökoneella kirjoitettava teksti peltoon, lentävien ja maassa kulkevien robottien yhteistyö sekä robottien turvatoiminnot.

Toisen kisapäivän duetto-freestyleen osallistui neljä paria. Suomen joukkue ei osallistunut tehtävään. Tehtävän voitti hollantilais-saksalainen pari, Bullseye-Kamaro, jossa molemmat robotit ajoivat peräkkäin samaa riviä. Edellä ajava viestitti takaa tulevalle paikat, joissa se oli havainnut rikkakasveja, jotka takana tuleva robotti sitten ruiskutti. Lisäksi annosteltiin lisälannoitetta riveille.

Toiseksi tuli saksalaispari Kaiserslautern-Osnabrück, jossa ensimmäinen robotti kartoitti pellolta esteitä, ja viestitti sijainnin toiselle, jotta taaempana tuleva robotti osasi kiertää esteen. Kolmanneksi tuli tsekkiläis-saksalainen Eduro-Idefix-pari, joka demonstroi pelastusrobottia – ensimmäinen robotti rikkoutui simuloidusti keskelle peltoa ja pyysi langattomasti toisen robotin pelastamaan itsensä.

DoubleTrouble-robotin rakentaminen ja osallistuminen Prahassa järjestettyyn kilpailuun ei olisi onnistunut ilman yhteistyökumppaneita. Joukkueen päätukijana toimi AGCO (Valtra) ja muina tukijoina SICK, Murata, Koneviesti, Laserle, Suonentieto, HP Infotech, Suomen Kulttuurirahasto, Henry Fordin säätiö, Maatalouskoneiden tutkimussäätiö; sekä Aalto-yliopisto ja Helsingin yliopisto. n

Nettisivut:

http://autsys.aalto.fi/

FieldRobot2013

Youtube:

Soittolista löytyy hakusanalla

fieldrobotevent2013

Avaa artikkelin PDF