# Autodesk案例分享會 https://docs.google.com/presentation/d/1y288YRJmydBYxT2wyFL7eT0x3MuDpmF3lfhSzYtUk/edit#slide=id.p1 ## 開場 參加今天活動的各位同學老師大家好，我們是來自陽明交通大學的ORCA AUV無人潛水艇團隊 首先介紹一下今天的分享會包含哪些內容，在今天的演講，大家會對機器人、水下無人機有初步的了解，也會認識到我們這樣的學生團隊是怎麼運作的，以及我們如何準備並參加國際競賽，另外也會聽到大學科系與我們的連結，最後是Fusion這款軟體如何幫助我們的開發 另外，今天的活動最後有問答環節，有提問的同學會得到一份小禮物，我們的簡報右下角都會標註頁數，大家可以把想問的頁數記下來，問問題的時候再告訴我們在第幾頁 ## AUV簡介 首先介紹一下什麼是AUV AUV的全稱是Autonomous Underwater Vehicle，直接翻譯成中文的話就是自主式水下載具，也可以叫做無人潛水艇、水下無人機等等，講水下無人機的話大家可能比較好想像，現在大家會看到在天上飛的無人機，AUV就很像是水下的版本 那這邊水下和載具應該都很好理解，比較特別的是自主式的部分，自主式強調的是自動執行與無外部操作的特性，也就是說在AUV運行的時候，不需要有人盯著他進行操控。另外AUV通常也具有特定的自主作業能力，像是影像、聲音的探測或是抓取物體的能力 那接下來講一下AUV適合用在哪些地方，有了前面提到這些特性，讓AUV特別適合在用在具有長期性、例行性甚至有危險性的遠洋與深海工作。實際應用的話包含了空難搜救、深海探索、海下調查與軍事任務等等 這是AUV實際應用中的樣子 那這是目前在機器人競賽與研究上常見的AUV，其中右邊這台是我們團隊目前開發中的機體。通常這些AUV並不會實際丟到深海裡去測試，而是著重在功能性上的研究，通常只會在人工水池裡進行測試，不會特別針對水壓或是腐蝕性進行處理 ## 團隊簡介 接下來進行我們團隊的介紹 我們團隊的名字是ORCA AUV，2018年在交通大學成立，我們是由大學生組成的跨領域團隊，致力於打造能像Orca，也就是像虎鯨一樣在水中暢行無阻的AUV。團隊主要可以分為機構、硬體、軟體與行政公關等四個領域。成員的話主要來自機械系、電機系與資工系三個科系 從團隊成立到目前為止，我們開發了數台不同樣式的AUV，並且不斷精進，今天演講下半段也會介紹團隊最新開發中的機體 那我們團隊主要的活動，是參加國內外各式各樣的機器人競賽，再針對各項競賽開發研究AUV。 ## AUV競賽介紹 聽到這裡相信大家會好奇，這樣的機器人競賽會是什麼樣子、要比些什麼東西，接下來我們會針對團隊參加的一項競賽進行詳細的介紹 SAUVC是我們團隊最重點投入的競賽，中文翻譯叫做新加坡AUV挑戰賽，這個比賽到今年為止已經辦了八年，共有20個國家來參加，主要是亞洲地區的國家 這是今年參加比賽的隊伍分佈圖，其中我們團隊是臺灣唯一一個入選的隊伍 那像前面提到的，我們的比賽是在泳池進行，這個地方是新加坡理工大學的游泳池 接下來會先簡介一下比賽的場地，再依照各個區域介紹比賽規則 那我們比賽首先會進行初賽，完成初賽入選的隊伍才會晉級決賽。初賽的場地在圖中的左半區域。 實際的景象是這個樣子，這邊會有三個水道同時進行 初賽的內容是讓AUV從岸邊出發，前進十公尺穿過一個水下的門框，期間AUV不能撞到門框，我們也不能向AUV發出任何訊號。初賽會計時AUV從出發到完全穿過門的時間，再依照這個時間排名，排名前面的這些隊伍就能晉級決賽 場地的右半邊則是決賽區域，決賽大致分成四個任務，從AUV下水開始，我們要讓AUV可以一次性完成這些任務，一樣我們不能有外部的操作。最後決賽的分數是依照每個任務的完成度來評分。那接下來一一介紹各項任務 任務一是導航，區域在圖中右下角，AUV要做的是，從起點出發，避開一個橘色的障礙物，最後穿過水底的門框。在這個任務裡，AUV首先會需要用視覺看出來什麼是障礙物，什麼是門框，還要知道他們的位置，接著再依據這個資訊作路徑規劃，最後要有精準的移動控制來完成這個任務。 任務二和三則分別是目標的投放跟目標的抓取，在圖中上部中間的部分，這邊會有如圖的四個桶子，放在一個綠色的墊子上。首先在下水前我們會讓AUV裝著一顆高爾夫球大小的球，到任務二這邊的時候，將球投放到桶子裡，接著AUV要離開這個區域，再回到這個區域重新將球從桶子裡抓取回來。 這個任務裡AUV除了要能夠對準桶子作投放跟抓取，還要可以記得自己放的是哪一個桶子，這個項目就有很多種策略了。 最後任務四則是水下通訊，在圖中右上角這邊，這裡會有三跟不同顏色的柱子，每根柱子上面會各放有一顆高爾夫球大小的球，到這裡時比賽大會會給我們一個順序，可能是紅黃藍，我們要想辦法告訴AUV這個順序，AUV再依這個順序撞掉這三根柱子上的球。這邊比較特別的是因為水下Wifi這樣的無線網路是行不通的，所以要使用其他的方法，像是我們團隊是打一個聲波出去給AUV。 以上是比賽規則的介紹，那除了參加比賽以外，其實我們出國期間也參觀了新加坡當地的實驗室 另外我們在比賽期間也有機會跟世界各國的團隊進行了交流。 ## 開發項目介紹 那接下來我們會就團隊的開發項目進行介紹 這台Orca 3.5就是我們目前正在開發中的機體，那等等我們會分別介紹這台機體在機構、硬體還有軟體上的開發，並由各個組別的負責人進行講解 那接下來的時間就先交給機構組進行介紹 ### 機構設計 大家好，首先我們先帶到我們的設計流程，一般來說，我們的潛艇會經由五個步驟製作出來，由前到後分別是討論 草圖 建模 製造，最後是測試，而今天我們會快速的把這幾個流程都講解一遍。 首先是討論的部分，再設計之初，討論我認為其實是最終要的一環，因為這部分會決定未來我們的機器該如何設計與建模，而在這一部分，我們會著重於四點，首先是可行性，像是我們手邊有什麼工具能夠支持我們做出潛艇，3D列印? CNC? 等等的，或是避免掉一些過於複雜的設計，再來是經費的考慮，因為社團的資金並不是無限的，如何在有限情況下造出cp值最高的潛艇是很值得討論的話題，還有就是軟硬體需求，處理器、鏡頭、sensor的位置與擺放都需要經過討論，因為有時候機構認為的最佳擺放點可能跟電路不一樣，最後就是，由於我們的經費來源往往都是來自贊助商或是比賽獎金，如何達成一些設計上的要求也是需要考慮的 下一步是草圖，再討論完後，其實往往會有不少的想法出現，我們會統整並且粗略的繪製草圖來讓大家能夠更視覺化的理解我們的潛艇未來大致上會長怎樣子，且也可以從多種方案中選出最適合的。 當前面的作業準備完成後，我們就會開始進行3D建模，而3D建模我們是利用參數式建模，說一就是一的那種。主要幾個原因與好處是因為他更能夠直觀的展示我們的潛艇，也可以在建模中模擬實際情況，讓我們發現當初是否有設計不合理的地方。 這兩台就是我們目前在社團中的潛艇的3D圖，分別是自動水下無人載具與遙控水下無人載具的圖片，基本上如果你設計順利，模型就會跟實際上的潛艇相差無幾 ### 硬體設計 從工業2.0開始，機器人幫助我們大規模生產，代替人們完成許多高重複性、高勞力的工作，到今天工業4.0的時代，人們利用智能設備進行分析與決策、調整控制並繼續產出高品質的商品。但機器人的行為依舊是模仿著人類，人類藉由五感觀察、思考、之後做出決策，機器人依然如此，但是事由感測器、處理器、馬達等取代。 而我們這組主要負責的內容是負責整台潛艇的電路與訊號配置，就好比於人類的神經，我們需要確保各個器官之間的溝通是正常且穩固的。 以我們目前這艘潛艇為例: 潛艇的五感有 1.壓力計:我們需要知道這台潛艇的深度，是否很靠近水面或是很接近池底了，因此我們使用壓力計得出水壓再反推得到深度 2.飛控板:他可以利用磁場的變化及偵測速度與加速度的變化去得知目前潛艇的姿態 3.雙目相機:利用使用兩個鏡頭來模擬人類雙眼的相機系統，主要用於實現立體視覺。每個鏡頭拍攝的視角略有不同，因此可以透過比對兩個鏡頭拍攝的影像，計算物體到相機的距離。 4.水聽:因為WIFI、藍芽等訊號不能在水中傳輸，他的頻率太高，容易被水給吸收，因此需要以聲波作為傳輸工具。 針對任務四中的水下通訊任務，我們根據需求設計了水聽電路部分。為了節省成本並方便出國攜帶，我們採用了自製的直流電源供應器和簡易型的函數產生器。並設計音頻放大電路以達到至少20公尺的水下通訊。 接下來在接收端的部分，我們採用模組化的設計，最上層電路為水聽接收音訊後的音訊放大電路與低通濾波器電路，採用的是LM386IC，放大完後中間一層DAQ做訊號處理，分別為數位濾波與快速傅立葉轉換，將時域訊號轉換到頻域做分析，分析出的訊號再到最下層rpi做最後的控制，完成我們想要的任務四目標。 在決策的部分使用了三塊微處理機 Xavier、Rpi、stm32:負責處理影像資訊、決策與馬達的控制 在行動方面 我們使用八顆防水馬達作為移動的動力來源與直流推桿搭配剪式機構完成比賽中的各項任務 因此將各個元件之間的關係化成一張圖，會長成這樣，相當的複雜，當實際以電線做連接之後，考量到各種不同的電流大小與接口不同，會更加的複雜。 所以我們設計了PCB來簡化我們的電路，平常看到PCB應該是小時候拆過家中電器內部有一塊綠色的，上面佈滿奇奇怪怪的突起物 那PCB是Printed Circuit Board的簡稱，中文是印刷電路板，透過在板上設計印刷的導電線路來連接各個元件，而不需要傳統的導線。這使得電路的組裝更為簡單且整齊，並有助於降低製造成本。 左邊是我們平常看到她的樣子，而右邊則是內部實際的情況，PCB內部有好多層，裡面就是有印刷的導電線路。 這張是我們自己為設計PCB所畫的原理圖，在這邊定義各個元器件的數量與連接方式，之後我們在布線設計之中會決定他的位置並根據要通過的電流大小決定線寬。 我們目前也在跟Autodesk ### 軟體設計 再來介紹AUV的軟體設計 軟體的開發流程有以下五個步驟，接下來會一一進行講解 #### 需求分析 開發流程的第一步是需求分析，我們通常把機器人的運作分成三個部分，分別是感知、決策和行動。目前大部分的機器人的任務都可以拆解成這三個步驟。 這裡用前面提到的過門關卡來舉例，先快速複習一下，這個任務的目標就是要讓AUV可以通過門並且不撞到門框 首先是第一步的感知，在這個例子是讓相機看到正前方有一個門，這裡AUV除了要知道前面有沒有門以外，還要知道這個門在哪裡。所以這裡我們會使用AI的模型來判斷門的位置 知道了前面這些資序後，第二步是決策，AUV要決定現在要穿過這個門，並且依照門的位置規劃路徑 最後要透過控制馬達來穿過這個門，像我們這台AUV各有水平方向和垂直方向的馬達各四顆，就要通過每顆馬達輸出不同的力道來達到前後移動、轉彎和升降。 那以上這三個步驟其實是一直循環進行的，像是AUV再過門的過程中，AUV移動之後，相機拍到的畫面就會改變，就要更新決策 #### 設計架構 再來開發流程的第二步是設計架構，依照第一步分析來的需求，來設計整體架構，這邊因為我們在這三個步驟上都有不一樣的運算需求，接下來會一個一個介紹 首先感知的部分，以前面有提到的AI模型為例，我們使用Nvidia Jetson系列的開發板來運行，這個系列其實在功能上就跟一般的電腦裡的顯示卡類似，但是做的特別小、特別省電 第二個是決策的部分，這邊要做的事統整整體資訊還有做出決定，這裡會比較重要的是要能跟各個部位對接，我們使用的是Raspberry Pi來作為決策的中樞 最後是行動的部分，以控制馬達為例，我們用了STM32系列的開發板，這個板子的優點是可以對馬達訊號作更細節的操作 以上這是從影像輸入到馬達輸出的架構，那其實這是很簡化的架構，細節的話以感知這邊為例，也有許多項目要處理，像是影像校正等等 #### 軟體開發 接著我們會依照架構開法軟體，依照每個項目選擇最適合使用的語言與套件 語言的話常見的有Python, C++等等 套件的話有影像處理與機器人系統的套件 #### 實際測試 到了需要實際投入測試之前，我們也會先在模擬環境測試過，確保邏輯與可行性 #### 維護更新 最後是維護更新，我們會使用docker與github等等工具來輔助我們的開發流程 以上這些流程只是一個大方向，實際的流程可能會在某幾個階段循環