https://doi.org/10.83048/c9fk-b370">

Date of Award

11-2025

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Farag K. Omar

Second Advisor

Mohamed Okasha

Abstract

This thesis presents the development of an intelligent air hockey robot that combines precise mechanical design, computer vision, and adaptive control within an AI-based hierarchical decision architecture. The system integrates synchronized stepper motors, high-speed image processing, and a real-time decision framework to achieve competitive gameplay performance. The robot detects the puck using adaptive HSV color segmentation, supported by dynamic calibration that maintains accuracy under different lighting conditions. A two-stage trajectory prediction model, based on exponential decay velocity estimation, enables anticipation of puck motion and improves response time during fast gameplay.

At the decision level, a fuzzy-logic supervisor governs the robot’s strategic behavior, determining when to defend, attack, leave, or return to home position according to realtime game conditions such as puck position, speed, and predicted path. The lower control layers execute these decisions through precise motion coordination using Arduino-based stepper motor control. Experimental evaluation confirms significant improvement in interception accuracy, stability, and adaptability compared with conventional reactive systems.

The proposed adaptive fuzzy-hierarchical framework demonstrates how intelligent decision-making and predictive control can enhance robotic performance in highly dynamic environments.

Arabic Abstract


تحسين أداء روبوت الهوكي الهوائي من خلال خوارزمية تحكم تكيفي باستخدام هيكل قرار هرمي قائم على الذكاء الاصطناعي 

تقدم هذه الأطروحة تطوير نظام روبوت ذكي للعبة الهوكي الهوائي يجمع بين الدقة الميكانيكية، والرؤية الحاسوبية، والتحكم التكيفي ضمن هيكل قرار هرمي قائم على الذكاء الاصطناعي. يدمج النظام محركات خطوية متزامنة، ومعالجة صور عالية السرعة، وإطار اتخاذ قرار لحظي لتحقيق أداء تنافسي أثناء اللعب. يعتمد الروبوت على تقنية فصل الألوان في HSV بطريقة كيفية لاكتشاف قرص الهوكي، مع نظام معايرة ديناميكي يحافظ على دقة الرؤية تحت ظروف إضاءة مختلفة. كما يعتمد نموذجاً للتحكم بحركة القرص باستخدام أسلوب الانحلال الأسبي لتقدير السرعة، مما يتيح نموذجاً للتحكم بحركة القرص وتحسين زمن الاستجابة أثناء اللعب السريع.

على مستوى القرار، يشرف نظام ضبابي على السلوك الاستراتيجي للروبوت، حيث يجب الدفاع أو الهجوم أو الانسحاب أو العودة إلى الموضع الأساسي وفقاً لحالة اللعبة في الزمن الحقيقي مثل موقع القرص وسرعته ومساره المتوقع. يتم تنفيذ هذه القرارات عبر طبقات التحكم الدنيا التي تنسق حركة المحركات الخطوية بدقة باستخدام محرك أردوينو. أظهرت نتائج التنفيذ التجريبي تحسناً ملحوظاً في دقة الاعتراض، والاستقرار، والقدرة على التكيف مقارنة بالأنظمة التقليدية التفاعلية.

يثبت الإطار المقترح القائم على المنطق الضبابي والهيكل الهرمي التكيفي إمكانية تعزيز أداء الأنظمة الروبوتية في البيئات الديناميكية عالية السرعة، ويمكن توسيع تطبيقه ليشمل مجالات أخرى مثل الأنظمة الصناعية الذكية أو التطبيقات الطبية أو الروبوتات التفاعلية في الزمن الحقيقي.

Download
COinS