1.
Categoría MindStorms
Esta categoría está pensada para grupos de robótica novicios, los
cuales pueden desarrollar
actividades basadas en los populares sistemas Lego
MindStorm. Los sistemas Lego
MindStorms proporcionan actuadores, sensores, y partes
mecánicas apropiadas para la
construcción de robots, son fáciles de programar, y
permiten demostrar
comportamientos
autónomos.
Motivación
La motivación de esta prueba proviene de un problema frente al cuál la
robótica puede ofrecer
una solución alternativa y segura para las personas.
El problema es la búsqueda y desactivación
de minas o cargas explosivas usualmente distribuidas en
áreas fronterizas o de conflictos
armados. Tradicionalmente, equipos de personas buscan
las cargas caminando a través de las
áreas minadas. En forma visual o con sensores, estas
personas intentan encontrar los explosivos
evitando, al mismo tiempo, detonarlos a su paso. Máquinas
inteligentes podrían realizar este
mismo trabajo sin exponer vidas humanas en el proceso.
Figura 1.
Experto desactivando carga explosiva después de desenterrarla
La búsqueda de cargas explosivas requiere de varias capacidades: acceso
al campo minado
desde un lugar seguro, recorrido del campo minado,
detección de las cargas explosivas, y retorno
al lugar de partida. Además de estas capacidades, el
robot debe terminar el trabajo de búsqueda
en un tiempo limitado, debe operar dentro o en la
cercanía del campo minado, debe realizar una
limpieza completa, y por último, debe evitar la
detonación involuntaria de las cargas explosivas.
En la categoría Lego MindStorm de este concurso, el desafío propuesto es
el diseño y
programación de un robot, o equipo de robots, que
accedan y recorran un campo minado
simulado. El robot o equipo deberá detectar cargas
explosivas simuladas y evitar pasar por sobre
ellas en forma inadvertida. Los criterios de éxito son
el número de cargas detectadas, la rapidez
de desempeño (tiempo desde el punto de partida hasta
el término de la misión), y el número de
cargas detonadas inadvertidamente (las que dañan al
robot).
La descripción de los elementos de juego sigue.
Elementos de Juego
Zona de Juego
Una zona de juego de 3 por 3 metros representa el área geográfica donde
ocurre la búsqueda de
cargas explosivas. En esta zona existen marcas y
elementos para delimitar el campo minado, el
punto de partida, la vía de acceso, la entrada al
campo, y las cargas mismas. La zona de juego es
plana y de un color gris claro. La Figura
2
presenta un esquema de los elementos en la zona de
juego.
Figura
2.
Esquema de la zona de juego
Una cinta roja de aproximadamente 2 cm de ancho demarca la zona de juego,
la cual contiene
completamente los demás elementos del juego (campo
minado, vía de acceso, etc). El abandono
de la zona de juego es causal de eliminación del
robot.
Campo Minado
El campo tiene formas irregulares y puede ser cóncavo. El perímetro del
campo minado mantiene
una distancia mínima de 15 cm desde el borde del campo
de juego. Si la estrategia de búsqueda
de cargas lleva al robot fuera del campo minado, tendrá
este margen de 15 cm para maniobrar.
La salida desde el campo de juego es tomada como pérdida
de control y señal de fracaso de la
misión.
El campo minado está demarcado por una cinta negra de 1.7 cm de ancho.
Esta cinta es continua
a lo largo del perímetro del campo minado, con excepción
de la entrada al campo, donde la cinta
es segmentada (ver descripción de vía de acceso). Los
robots pueden salir del campo minado y
maniobrar fuera de él. Los concursantes deben
considerar que el tránsito fuera del campo minado
causa un tiempo de búsqueda mayor.
Punto de Partida y Vía de Acceso
El acceso al campo minado es una vía delimitada por cinta continua en
forma similar al perímetro
del campo minado. Esta vía de acceso provee una guía
para que el robot o equipo llegue desde el
punto de partida hasta el campo minado. La vía de
acceso puede tener una longitud de decenas
de centímetros y varias curvas. El ancho de la vía de
acceso es entre 20 y 30 cm. La entrada al
campo minado está demarcada por segmentos de 3 cm de
largo y espacios de 1 cm entre
segmentos. Los robots pueden circular en forma segura
por este camino, el cual está limpio de
cargas explosivas.
Cargas Explosivas y su Detección
Veinte fichas circulares metálicas (ferromagnéticos) de color negro y de
3 cm de diámetro
representan a las cargas explosivas. El espesor de cada
ficha es entre 2 a 3 mm. Cada carga
tendrá un identificador único para ayudar a la
evaluación del progreso de la misión.
Figura 3.
Distribución de las cargas explosivas
Las cargas están distribuidas en forma aleatoria. La distribución de
cargas explosivas cumple con
las siguientes condiciones: la mínima distancia entre
dos cargas es 20 cm; las cargas pueden
estar aledañas al perímetro (el círculo es tangente
a la cinta del perímetro). No hay cargas en el
camino de acceso.
La estrategia de detección de las cargas explosivas (detección visual o
metálica) queda al criterio
de cada equipo.
Los robots indican la detección de las cargas explosivas mediante una señal
claramente visible
para el jurado y para la cámara montada sobre el campo
de juego (por ejemplo, un LED u otra
señal luminosa). Además de esta señal visible, el
robot debe detenerse por 10 segundos cuando
acusa la detección. El propósito de esta detención
es penalizar falsas detecciones con tiempo, es
decir, castiga niveles exagerados de sensibilidad de
detección que llevan a falsas detecciones.
Los jueces tendrán una lista de las cargas, y marcarán cuando un robot
detecta cada una de las
cargas explosivas. La detección de la carga debe
ocurrir antes de que el robot continúe su
recorrido y deje la carga al descubierto. De otra
manera, se considera que el robot falla en la
detección y gatilla el estallido o detonación.
Detonación de las Cargas Explosivas
De la misma manera como un buscador de cargas explosivas puede cometer el
costoso error de
activar una carga inadvertidamente, un robot
busca-cargas también está expuesto a este peligro.
Como las cargas explosivas tienen diversos niveles de
impacto y la construcción mecánica del
robot puede aguantar algún daño, el efecto de activar
una carga es incierto. Es por ello que este
concurso penaliza el puntaje de acuerdo con el número
de cargas activadas.
Figura 4 Robot A detecta carga
explosiva
Un robot detona una carga explosiva cuando el perímetro de la proyección
del robot en la
superficie pasa por sobre la carga, cubriéndola total
o parcialmente, y luego la deja al descubierto
sin acusar detección. Los concursantes deben diseñar
sus robots de manera que la detección
esté garantizada antes de dejar la carga al
descubierto. Si no es claro si el robot pasó por sobre
la carga o no, el jurado recurrirá al video filmado
con la cámara sobre el campo de juego para
determinar si hubo una señal visible y el computador
se detuvo al menos 10 segundos.
La Figura
4 muestra un ejemplo de detección. El robot A prende su luz (en
rojo) antes de descubrir
la carga explosiva 1. En cambio, el robot B pasa por
sobre la carga 2 sin indicar detección. El
juez anota detección para la carga 1 con puntaje a
favor del robot A, y estallido para carga 2 con
puntaje en contra para el robot B.
Detección Múltiple de una Misma Carga Explosiva
La detección de una carga explosiva causa su desactivación, por lo que
no es necesario
detectarla nuevamente y el robot puede transitar sin
peligro por sobre ella. En forma similar, una
carga no puede detonar dos veces. Por ello una carga
que ha detonado no es peligrosa y los
robots pueden transitar sobre ella sin peligro.
En resumen, aquellas cargas explosivas detectas o detonadas no ofrecen
peligro, pero tampoco
ofrecen puntaje adicional.
Los concursantes deben considerar, eso sí, que repetidas detecciones de
la misma cargas
explosivas demoran el término de la misión sin
beneficio alguno, por lo que es conveniente evitar
detecciones múltiples de una misma carga explosiva.
Duración y Término de la Búsqueda
La duración de la búsqueda será de 15 minutos como máximo. La búsqueda
termina cuando se
cumple este período o cuando uno de los robots retorna
al punto de partida. Un robot se considera
de vuelta en el punto de partida cuando la proyección
del robot toca el punto de partida,
representado por una ficha similar a una carga. El
retorno al punto de partida sólo recibe puntaje
cuando el robot ha visitado el campo minado (ha
traspasado completamente la línea segmentada
que limita la vía de acceso y el campo minado).
Robots
Reglas de Diseño
Los robots usan sólo piezas de los juegos Lego MindStorm o Team Challenge
2.5 (versión con RoboLab). La programación puede ser
en base a RoboLab, NQC
u otro lenguaje compatible con RCX-MindStorms. EL RCX
soporta sólo 3 sensores:
hay un límite de 2 RCX por robot.
Además de las limitaciones a robots construidos sólo con las piezas
oficiales de los sistemas
Lego, cada robot debe caber, al momento de comenzar la
prueba, en un cuadrado de 20 cm por
lado (esto impide que haya confusiones relacionadas con
detecciones de varias cargas
explosivas simultáneamente).
Elementos no Lego
Excepcionalmente el jurado aceptará sensores diseñados por los
concursantes que funcionen en
conjunto con el procesador RCX de los equipos
MindStorms. Aquellos equipos que hayan
desarrollado piezas adicionales que sean compatibles
con los equipos MindStorms y quieran
incorporarlas a sus diseños están invitados a
escribirles a los organizadores para describir el
nuevo elemento. Los organizadores pueden aceptar el uso
del elemento propuesto bajo la
condición de hacer el diseño (diagramas de circuitos,
conceptos de operación, etc) públicos a los
demás equipos participantes.
Control de los Robots
Se entiende que los robots son autónomos. Los competidores no deben
controlar directa o
remotamente a los robots. Cada equipo cargará el
programa en el robot y tendrá dos minutos
para ubicarlo en el punto de partida. Una vez que los miembros del equipo
hayan activado el
robot, nadie podrá tocarlo. Este concurso enfatiza el
diseño robusto y confiable, por lo que sólo
habrá dos oportunidades de ejecución. Si el robot
requiere intervención después de la segunda
partida, será descalificado.
Número de Robots
Es posible usar equipos de robots con tres máquinas como máximo. En este
caso, los
competidores disponen del mismo periodo de tiempo, dos
minutos, para activar todas las
máquinas en forma secuencial desde el punto de
partida. En el caso de múltiples robots, no hay
segunda oportunidad de comenzar la búsqueda. El uso de
múltiples robots acelera la búsqueda
de cargas, pero hace más difícil la planificación de
esta misma. La elección del número de robots
queda a entero criterio de los competidores; no hay
modificación de la evaluación de la rapidez y
completitud de la misión.
Competencia
Lugar de la Competencia
Las competencias de búsqueda de cargas ocurrirán en una sala techada,
sobre canchas
preparadas para este efecto. El número de campos de
juego depende del número de equipos
participantes.
Una cámara ubicada sobre la mesa filma cada corrida.
El propósito de esta filmación es
mantener un registro de todas las competencias, así como proporcionar un
medio objetivo para
evaluar el desempeño de los robots.
Competencia
El robot ganador será aquel que reúna el mayor puntaje durante la duración
de la búsqueda.
Puntos son entregados por cuán completa y rápida sea
la ejecución de la tarea. Por otro lado, hay
penalización del puntaje por cuantas veces el robot
haya pisado las cargas explosivas sin
detectarlas. La detonación de la carga explosiva
ocurre cuando alguna parte del robot pasa sobre
la carga y el robot no acusa detección de ella.
La
duración de la búsqueda está definida por cuando el cronómetro del
jurado marca 15 minutos
o por cuando el robot detecta todas las minas. Cuando
todas las cargas aparecen detonadas o
detectadas, el jurado anota el tiempo para el puntaje
por rapidez; este instante es "duración
búsqueda". Además, el robot que retorna al punto
de partida gana puntaje si lo hace dentro
de los 15 minutos. Por último, hay
puntaje a favor para el robot que transite la vía de acceso y
entre al campo minado. Este premio es de 100
puntos.
El puntaje final está dado entonces por la siguiente ecuación: Puntaje =
100 (si entra al campo
minado) + 5 x (cargas detectadas) – 10 x (cargas
detonadas) + 10 x (15 – minutos duración
búsqueda) + 50 (si retorno al punto de partida si
duración búsqueda < 15 min)
Según
la ecuación, un robot que encuentre todas las cargas en 12
minutos y retorna a la base
obtiene P = 50 + 5 x 20 + 10 x 3 + 100 = 280 puntos. En
cambio, un robot que encuentra sólo 12
cargas y pasa por sobre 3 sin detectarlas en 15 minutos
recibe P = 50 + 5 x 12 – 10 x 3 = 80
puntos. Si un robot nada hace, recibe 0 puntos. Es
posible que un robot salga al campo minado y
pase por sobre varias cargas obteniendo un puntaje
negativo.
Determinación de Parámetros de Juego
El número de cargas en el campo minado, la duración máxima de la búsqueda,
la duración de la
detención requerida después de detección, el puntaje
por carga detectada, el puntaje (en contra)
por carga detonada, y el puntaje por retorno al
punto de partida son parámetros del juego. Estas
bases presentan valores preliminares. Estos parámetros
podrán cambiar si los organizadores
estiman que los
valores preliminares son imposibles de alcanzar, o si producen
distorsiones al
juego. Los valores finales de los puntajes estarán
disponibles dos meses antes del concurso.
Resumen de los Criterios de Evaluación
· Acceso al campo minado (50 puntos)
· Número de detecciones (5 puntos por carga detectada)
· Rapidez de la búsqueda (10 puntos por cada minuto por menos de los 15 minutos)
· Activación de cargas explosivas (descuento de 10 puntos por explosión)
· Retorno al punto de partida dentro de 15 minutos (100 puntos)
Resumen de Restricciones
· Dos oportunidades de comenzar (sólo una para equipos de robots)
· Manos libres y autonomía completa desde dos minutos después de dar la partida
· Salida del campo de juego descalifica
· Máximo dos RCX por robot
·
Tamaño robot limitado a cuadrado de 20 cm por lado
Ejemplo
de Estrategia de Búsqueda
Figura 5
muestra una estrategia simple de resolver el problema. Un robot
que detecte el
perímetro y reaccione cambiando su trayectoria
en forma aleatoria podría, eventualmente,
cubrir el campo minado. Esta estrategia es simple de
preparar, pero no garantiza una
búsqueda exhaustiva en un período de 15 minutos. Perímetros
cóncavos hacen aún más
difícil que este método de búsqueda tenga éxito.
Figura 5: Ejemplo de trayectoria aleatoria