Design and implementation of a shuttlecock launching robot with camera based trajectory reconstruction and predictive modeling

This thesis continues the ongoing project at NTNU’s MTP department with the purpose of developing an inexpensive automatic shuttlecock launcher for badminton that anyone can re build. The work began with a study of the available prototypes, identification of the main limitations, and definition of the requirements to be met. The functional requirements specified that the launcher should release a single shuttlecock per cycle, store multiple shuttlecocks to avoid hand feeding, and generate a sufficiently wide set of trajectories to cover the court and emulate coach feeds. The non-functional requirements included reliability, maintainability, intrinsic safety for use, and modularity. Development followed an iterative procedure aimed at converging to a solution that satisfies these requirements, encompassing modeling, 3D printing, assembly, and control; the prototype is currently driven by an Arduino. A Raspberry Pi and a webcam were integrated to reconstruct 2D trajectories and to train preliminary predictive models of the landing point, laying the groundwork for the possible use of vision-based real-time control and eventual autonomous operation. System-level tests and trajectory reconstruction indicate that the prototype sufficiently meets nearly all stated requirements, though opportunities for improvement remain (e.g reduce noises). The final system includes tilt and yaw mechanisms inherited from earlier prototypes, a releas ing mechanism consisting of a tube and a gearbox that dispenses one shuttlecock at a time, a pushing mechanism that feeds the shuttlecock into the nip between the wheels, and a launching mechanism with a pair of wheels designed to produce the required trajectories. Future work should enhance safety through sensors and interlocks, increase magazine capac ity, adopt closed-loop control for improved repeatability, and further develop the vision and prediction models for robust real-time operation.

Questa tesi ha come obiettivo il proseguimento del progetto in corso presso il Dipartimento MTP della NTNU. L'idea è quella di sviluppare un lanciatore automatico di volani per il badminton, economico e ricostruibile da chiunque.\\Il lavoro è iniziato con uno studio dei precedenti prototipi sviluppati, l’identificazione delle principali limitazioni di questi e la definizione dei requisiti da soddisfare con il nuovo sistema. I requisiti funzionali prevedevano il rilascio di un singolo volano per ciclo, l’immagazzinamento di più volani per evitare di dover rifornire il sistema con i volani manualmente. Inoltre, il sistema doveva essere in grado di replicare i lanci di un giocatore, raggiungendo qualsiasi punto del campo. I requisiti non funzionali includono affidabilità, manutenibilità, sicurezza intrinseca d’uso e modularità.\\Lo sviluppo di questo sistema ha seguito una procedura iterativa volta a convergere verso una soluzione conforme a tali requisiti, comprendendo modellazione, stampa 3D, assemblaggio e controllo. Il prototipo è attualmente comandato da un Arduino.\\Sono stati integrati un Raspberry~Pi e una webcam per ricostruire traiettorie 2D e addestrare modelli predittivi per prevedere il punto di atterraggio, ponendo le basi per la realizzazione di un controllo in tempo reale basato sulla visione e per un’eventuale operatività autonoma.\\I test a livello di sistema e la ricostruzione delle traiettorie indicano che il prototipo soddisfa in modo sufficiente quasi tutti i requisiti dichiarati, pur lasciando margini di miglioramento (ad es.\ riduzione del rumore). Il sistema finale comprende meccanismi di tilt e yaw ereditati da prototipi precedenti, un meccanismo di rilascio costituito da un tubo e da un meccanismo che dispensa un volano alla volta, un meccanismo di spinta che porta il volano tra le ruote, e un meccanismo di lancio con una coppia di ruote progettate per generare le traiettorie desiderate.\\Miglioramenti futuri dovrebbero potenziare la sicurezza tramite sensori e dispositivi di interblocco, aumentare la capienza del caricatore e adottare un controllo ad anello chiuso per rendere le componenti di visione e predizione robuste per una applicazione in tempo reale. Il lavoro è iniziato con uno studio dei precedenti prototipi sviluppati, l’identificazione delle principali limitazioni di questi e la definizione dei requisiti da soddisfare con il nuovo sistema. I requisiti funzionali prevedevano il rilascio di un singolo volano per ciclo, l’immagazzinamento di più volani per evitare di dover rifornire il sistema con i volani manualmente. Inoltre il sistema doveva essere in grado di replicare i lanci di un giocatore, raggiungendo qualsiasi punto del campo. I requisiti non funzionali includevano affidabilità, manutenibilità, sicurezza intrinseca d’uso e modularità. Lo sviluppo di questo sistema ha seguito una procedura iterativa volta a convergere verso una soluzione conforme a tali requisiti, comprendendo modellazione, stampa 3D, assemblaggio e controllo; il prototipo è attualmente comandato da un Arduino. Sono stati integrati un Raspberry Pi e una webcam per ricostruire traiettorie 2D e addestrare modelli predittivi per prevedere il punto di atterraggio, ponendo le basi per la realizzazione di un controllo in tempo reale basato sulla visione e per un’eventuale operatività autonoma. I test a livello di sistema e la ricostruzione delle traiettorie indicano che il prototipo soddisfa in modo sufficiente quasi tutti i requisiti dichiarati, pur lasciando margini di miglioramento (ad es. riduzione del rumore). Il sistema finale comprende meccanismi di tilt e yaw ereditati da prototipi precedenti, un meccanismo di rilascio costituito da un tubo e da un meccanismo che dispensa un volano alla volta, un meccanismo di spinta che porta il volano tra le ruote, e un meccanismo di lancio con una coppia di ruote progettate per generare le traiettorie desiderate. Miglioramenti futuri dovrebbero potenziare la sicurezza tramite sensori e dispositivi di in terblocco, aumentare la capienza del caricatore e adottare un controllo ad anello chiuso per rendere le componenti di visione e predizione robuste per una applicazione in tempo reale.