FRA641 Computer Programming for Robotics

FRA641 Computer Programming for Robotics

สวัสดีครับ วันนี้จะมาแบ่งปันความรู้ที่ได้รับจากการทำโปรเจ็คในวิชา Computer programming for robotics กันครับ

ก่อนอื่นเลยโจทย์ที่ได้รับคือ

  1. หุ่นยนต์สี่ล้อสำรวจเส้นทางเข้าวงกตโดยเดินทางสำรวจแผนที่ในรอบแรก
  2. หุ่นยนต์ตัวเดิมจะนำแผนที่มาคำนวณเพื่อหาทางออกที่ดีที่สุด

Project ของรายวิชานี้เน้นที่การคิดเชิงอัลกอริทึมและการเขียนโปรแกรม นักเรียนออกแบบเขาวงกต 4000×4000 mm. ที่เรียบง่าย

  • เรียนรู้วิธีวิเคราะห์ปัญหาอย่างเป็นระบบเพื่อให้อัลกอริทึมได้รับมาเพื่อแก้ปัญหา  
  • เรียนรู้เกี่ยวกับการใช้อัลกอริธึมดังกล่าวเพื่อแก้ปัญหาจริง  
  • เรียนรู้เกี่ยวกับแอปพลิเคชันของอัลกอริทึมดังกล่าวเพื่อเริ่มต้นกับโลกของอัลกอริทึมหุ่นยนต์ ปัญญาประดิษฐ์ และอื่นๆ 
Algorithm ที่ใช้

Dept First search เป็น Algorithm หลักที่ใช้ในการหาเส้นทางที่ดีที่สุด โดยหลักการที่นำมาใช้เป็นดังนี้

1.สำรวจเส้นทางโดยรวมโดยใช้หลักการให้ robot วิ่งโดยมีการเรียงลำดับความสำคัญดังนี้

  • ถ้าเจอซ้าย ให้ไปซ้าย
  • ถ้าไม่มีซ้าย ให้ตรง
  • ถ้าไม่มีตรง ให้เลี้ยวขวา
  • ถ้าไม่สามารถไปไหนได้ ให้กลับรถ
    ในขณะที่เดินสำรวจเส้นทาง จะมีการเก็บค่า coordinate (x, y) ไว้ในทุกๆการเดินไปช่องต่อไป
รูปภาพ maze ที่ใช้ในการทดสอบ

โดยตัวแปรที่ใช้ในการเก็บค่าเส้นทาง เราจะใช้ array 2 มิติในการเก็บ โดยมีสองตัวแปรคือ

visited: เป็น array ตัวแรกที่เก็บ coordinate ทั้งหมดที่หุ่นยนต์เดินผ่าน

stack: เป็น array ที่จะเก็บแค่เส้นทางที่ดีที่สุด โดยทุกครั้งที่เดินผ่านเส้นทางที่ไม่ถูกต้อง (วังวน หรือทางตัน) จะมีฟังชั่นก์ที่ทำการ slice coordinate ที่เป็นเป็นเส้นทางที่ไม่ถูกต้องออก ดังนั้นเมื่อหุ่นยนต์เดินทางจนถึงเส้นชัย ตัวแปร stack สุดท้ายที่ได้จะเป็นลำดับของ coordinate ที่ดีที่สุด โดยรายละเอียดอยู่ในข้อ 2

ผลลัพธ์การเดินทางครั้งแรก
รูปภาพการเดินทางครั้งแรก โดยพื้นที่สีเหลืองจะเป็นพื้นที่ทั้งหมดที่หุ่นยนต์เดินทางไปโดยใช้หลักการตามข้อ 1

2. การนำ Stack มาใช้ในการ Solve Maze

ก่อนที่เราจะมาใช้ Stack มา Solve Maze เรามาดูวิธีจัดการของ Stack เพื่อให้ได้ Path ที่ในการ Solve Maze กันนะครับ

  • ใน Array Stack จะเก็บ coordinate ที่เดินไปใน Maze
  • Stack จะเช็คค่า coordinate ล่าสุดที่นำมาเก็บกับตัวก่อนหน้าทุกครั้งว่าซ้ำหรือไม่
  • เมื่อเจอค่าซ้ำ Stack จะ ลบค่าล่าสุดและค่าที่อยู่ระหว่างค่าที่ซ้ำกันไว้ทั้งหมด หมายความว่า ค่าที่ซ้ำกันนั้นเปรียบเสมือน – Robot เดินกลับมาทางเดิมซึ่งเป็นทางวน หรือ ทางตัน
  • ผลลัพธ์สุดท้ายของ Stack นั้นจะได้ coordinate ที่ไม่ซ้ำกันและเป็นทางออกนั้นเอง

และเมื่อเรามาดูที่ Array Stack นั้น เราได้ coordinate ดังนี้

[[0,0],[0,1],[1,1],[2,1],[2,0],[3,0],[3,1],[4,1],[4,2],[5,2],[5,3],[5,4],[6,4],[7,4],[8,4],[9,4],[10,4]]

ซึ่งเมื่อนำ coordinate ต่างๆมาต่อจะได้ Path ดังนี้

รูปภาพ เส้นทางสุดท้ายตาม Array Stack

สุดท้ายเมื่อได้ Path ในการ Solve Maze มาแล้ว ก็จะเหลือให้ Robot วิ่งตาม Path นี้โดยแปลงจากทิศทางปัจจุบันของ Robot และ coordinate ที่จะเดินถัดไป จะได้ sequence การทำงานของ Robot ดังนี้

[“FW”,”turn right”,”FW”,”FW”,”turn right”,”FW”,”turn left”,”FW”,”turn left”,”FW”,”turn right”, “FW”,”turn left”,”FW”,”turn right”,”FW”,”turn left”,”FW”,”FW”,”turn right”,”FW”,”FW”,”FW”,”FW”,”FW”]

ซึ่งจะเป็น sequence ให้ Robot ทำตามและ Robot จะสามารถออกจาก Maze ได้

อุปกรณ์ที่ใช้

M

โปรแกรมที่ใช้เขียน

1. ARDUINO

2. Node-RED

การออกแบบโปรแกรมคอมพิวเตอร์ สำหรับควบคุมหุ่นยนต์ จะแบ่งออกเป็น 3 ส่วนหลัก คือ

1. Explore Maze  ส่วนการรับข้อมูลจากหุ่นยนต์ว่ามีกำแพงที่ด้านซ้าย หน้า ขวา และสีกำแพง

2. Logic Stack  ส่วนการเลือกเส้นทางที่ใกล้ที่สุดและไม่มีทางตันเพื่อหาทางออก แบบการเช็ค Array ซ้ำ

3.Solution Maze  ส่วนการสั่งงานหุ่นยนต์ให้เดินไปตามเส้นทางที่ได้ solve

โดยโปรแกรมสามารถสั่งงานและ Simulation เพื่อจำลองการติดต่อสื่อสารระหว่างหุ่นยนต์กับคอมพิวเตอร์ที่ลงโปรแกรม Solve Maze ไว้ 

Flow chart Movement + Connection

CODE ที่ใช้ในการ SOLVE MAZE

Main CodeARDUINO

Example Code – Note-Red

โปรแกรม Node Red ในส่วนของ Manual จะเป็นส่วนของการสั่งให้รถ เดินหน้า เลี้ยวซ้าย เลี้ยวขวา จากการที่ประมวลผลของโปรแกรมที่ได้รับค่าจากหุ่นยนต์
โปรแกรม Node Red ในส่วนของ Algorithm เพื่อเก็บข้อมูลเป็น array / stack

VIDEO

Source Code

https://drive.google.com/drive/folders/1iYWAar2cI6nR4LiLslfvnSqvGdSeK_gg?usp=share_link

Member Group