SISTEMA INTELIGENTE DENAVEGACAO E LOCALIZACAO

DE ROBOS MOVEISAlunos: Adriel Barbosa de Souza/Wellington Bezerra da Silva

Professor: Karla Tereza Figueiredo Leite

Introducao

As aplicacoes da robotica fora do contexto industrial tem crescido e se diversificado emcampos como: a medicina, com aplicacao da teleoperacao em cirurgias; na area militar,desenvolvimento de robos moveis que levam suprimentos no meio de conflito; e ate noambiente domestico, com o surgimento da automacao domestica, em que robos limpamsua casa ou tomam conta de idosos.

Dentro desse contexto de interacao com um ambiente, ou ate com humanos, robos,principalmente moveis, precisam de conhecimento sobre o espaco ao seu redor, paredes,portas, limites do terreno e quaisquer empecilhos existentes. O robo sem essas informacoespode ser comparado com um ser humano, que precisa executar alguma tarefa, em umquarto escuro. Entretanto nem sempre e possıvel obter um mapa, localizacao de todosos itens do ambiente, ou obter informacoes suficientes previamente, pontos de referencia,necessarios para a localizacao.

Um sistema de navegacao para um robo movel e uma area em constante pesquisa edesenvolvimento, entre as grandes motivacoes estao: a substituicao de trabalhadores porrobos em tarefas repetitivas, perigosas e/ou insalubres, como soldas submarinas, reparosem usinas nucleares ou reparos em tubulacoes de gas, esgoto e petroleo.

Este trabalho propoe um estudo tıpico para a area de navegacao de robos moveis, odesenvolvimento de um metodo para que um robo percorra um labirinto, montado em umambiente fechado, evitando todos os obstaculos. Essa tarefa pode ser realizada obtendo-seos dados do ambiente ao redor do robo, usando sensores e processando essa informacao.

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Hardware

Os sensores sao dispositivos que reagem a determinadas variaveis do ambiente externocomo por exemplo, pressao, umidade, luminosidade, aceleracao, etc. Eles podem ser digitaisou analogicos. O sinal de saıda de um sensor digital e binario, pois e interpretado por apenasdois valores, sendo eles zero ou um. Ja o sinal de saıda do sensor analogico e contınuo, poisvaria com o tempo estando ele dentro de uma faixa de operacao.

Todos os dispositivos de medida possuem um intervalo mınimo e maximo dos valoresmedidos, recebidos e transmitidos, pois os dados lidos podem variar por conta da instabilidadedas variaveis do ambiente externo. Por isso, o valor medido pelo sensor acaba sendo ovalor real mais o erro que pode ser sistematico ou previsıvel. O erro previsıvel e proprio doinstrumento de medida, sendo ele proporcional ao valor de entrada e podendo ser eliminadoa partir de uma calibracao do sensor. Ja o erro sistematico, ou seja, fortuitos, ocorre deforma inesperada, nao sendo possıvel saber o motivo de sua causa e, na maioria das vezes,nao pode ser eliminado.

Vistas do robo

A figura 1, abaixo, exibe a ideologia fısica inicial do robo.

Figura 1: Conjunto fısico do robo

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Componentes

Para a construcao do robo foram necessarios diversos dispositivos de hardware quepermitisse o desenvolvimento do trabalho. A seguir cada um desses componentes seradescrito.

• Raspberry Pi 2B

Tal periferico e considerado um computador de baixo custo que foi desenvolvido noReino Unido pela fundacao Raspberry Pi sem fins lucrativos que visa a inclusaodigital. Esse dispositivo foi criado para fins educacionais, como por exemplo aaprendizagem de linguagens de programacao. Alem disso, ele e um pequeno computadorque pode ser utilizado para navegar na internet, ouvir musica, escrever textos e vervıdeos de alta definicao.

O Raspberry Pi 2B e um dispositivo que possui um processamento eficiente combaixo consumo de energia e consegue interagir com diferentes sensores pois ele temuma alta velocidade de executar operacoes (Clock Speed).

Figura 2: Raspberry Pi 2 Model B

– Processador 900MHz Quad-Core ARM Cortex-A7 CPU; Clock 900 MHz;

– Memoria RAM: 1GB;

– Conector de vıdeo HDMI;

– 4 portas USB 2.0;

– Conector Ethernet;

– Interface para camera (CSI);

– Interface para display (DSI);

– Slot para cartao microSD;

– Conector de audio e vıdeo;

– GPIO de 40 pinos;

– Dimensoes: 86 x 56 x 20mm.

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• Sensor Lidar

O sensor Lidar URG-04LX-UG01 e utilizado para o escaneamento em ambientesindoor a partir do uso de infravermelhos a laser com 785 nm de comprimento deonda. Ele consegue realizar um escaneamento de, no maximo, 4 metros de distanciade cada ponto do espaco“varrido”. A medicao da distancia e feita a partir da diferencade fase, sendo possıvel obter um resultado estavel, com a menor interferencia da cordos objetos. Como mostrado a seguir.

Figura 3: Sensor LIDAR

Protocolo de comunicacao e a forma como os dados sao organizados e enviados parao proximo estagio do processo de comunicacao. Esse dispositivo utiliza o protocoloSCIP 2.0 que e um padrao de transmissao de forma que as informacoes possam serinterpretadas por diferentes dispositivos eletronicos .

A imagem abaixo mostrara como a leitura dos dados e realizada pelo sensor Lidar: aarea de DETECTION RANGE mostra o maximo angulo que o sensor pode atingirpara fazer o escaneamento dos objetos no ambiente, o STEP 0 representa o pontoem que a primeira medida e realizada, o STEP A representa a primeira medida doRANGE que foi detectada, STEP C e o ponto final da deteccao e o STEP D e aultima medicao a ser realizada.

– Fonte de energia: 5V DC;

– Consumo: 500mA ou menos;

– Distancia de deteccao: 20mm → 4000mm;

– Resolucao: 1mm;

– Angulo de escaneamento: 240oC;

– Resolucao angular: 0,36oC;

– Tempo de varredura de 100 ms / escaneamento;

– Peso: 160g;

– Dimensao: 50 x 50 x 70 mm.

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• Regulador de tensao

Construıdo por componentes discretos(diodos zeners e transistores), o regulador detensao tem por finalidade a manutencao na tensao de saıda em um circuito eletrico.Mesmo havendo variacoes na tensao de entrada, esse dispositivo mantem a tensao desaıda estabilizada dentro de certos limites estabelecidos por uma chave.

Figura 4: Regulador de tensao LM2576

– Tensao de entrada: 3,2-40v;

– Tensao de saıda: 1,5-35v (ajustavel, entrada deve ser 1,5v maior que a saıda);

– Corrente de saıda: 2A corrente nominal, 3A maxima (e recomendado adicionardissipador de calor se potencia maior que 15W);

– Eficiencia de conversao: ate 92% (quanto maiot a tensao de saıda, maior aeficiencia);

– Tensao suspensa mınima: 1,5v;

– Velocidade de comutacao: ate 150KHz;

– Velocidade de resposta dinamica: 5% 200US;

– Circuito de protecao: SS36;

– Temperatura de operacao: classe industrial (-40oC a 85oC ) (potencia de saıdade 10W ou menos);

– Regulacao de carga: ±0, 5oC;

– Dimensoes aproximadas: 46x22mm.

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• Shield Motor Driver 2x2A

E um dispositivo que tem como funcionalidade o controle da velocidade e o sentidoda rotacao de ate dois motores DC de 7,5 a 20v, de forma independente. Os motoresestarao conectados por um canal que podera liberar uma corrente de ate 2A.

Figura 5: Shield Motor Driver 2x2A

– Tensao da logica: 5V (proveniente do Raspberry Pi);

– Tensao que pode ser drenada aos motores: 7,5V a 12V (atraves do pino VIN)ou 7,5V a 20V (atraves de fonte externa -selecionavel via jumper);

– Controle de velocidade em ambos os sentidos de maneira independente;

– Ate 2A de corrente para cada motor;

– Pinos usados para mover 2 motores: ≈5, ≈6, 7 e 8 (≈ indica PWM);

– Controle de velocidade via PWM, proveniente do Raspberry Pi.

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• Motor DC

O motor DC e um motor de corrente contınua que transforma energia eletrica emenergia mecanica. Quando a bobina estiver conectada a uma corrente eletrica contınua,um campo magnetico sera gerado que ira interagir com o campo magnetico dos ımas.Esta interacao produzira um torque sobre o rotor(armadura) fazendo com que ele semova em torno de si mesmo, de acordo com a figura 6.

Figura 6: Motor DC

– Eixo duplo;

– Tensao de Operacao: 3-6V;

– Reducao: 1:48;

– Peso: 30g;

– Corrente sem carga: ≤200mA (6V) e ≤150mA (3V);

– Velocidade sem carga: 200RPM (6V) e 90RPM (3V).

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• Encoder

O sensor de velocidade e utilizado para realizar medicoes de rotacao de motores,contagem de pulsos e como controlador de posicionamento. Pode ser utilizado comos mais diversos controladores e placas, como Arduino, Raspberry Pi e PIC.

Figura 7: Encoder LM393

– Tensao de operacao: 3,3-5V

– Abertura disco encoder: 5mm

– Saıda Digital e Analogica

– Facil instalacao

– Comparador LM393

– Led indicador para tensao

– Led indicador para saıda digital

– Dimensoes: 32 x 14 x 7mm

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• Comunicador de Radio Frequencia

Apos a coleta dos dados pelos sensores apresentados, sera necessario o uso de algumartifıcio de comunicacao. O NRF24L01+ foi escolhido pois apresenta uma otimarapidez, baixo consumo e excelente alcance.

Figura 8: Transceptor NRF24L01+

– Tensao de alimentacao: 1,9 - 3,6v;

– Corrente de alimentacao: 1uA (modo Power Down);

– Frequencia: 2.4Ghz (Antena embutida);

– Velocidade de Operacao: 2Mbps (max);

– Modulacao GFSK;

– Regulador de voltagem embutido;

– Comunicacao multi-ponto 125 canais;

– Dimensoes: 3,3 x 1,4 x 0,5cm.

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• Bateria

A bateria possui uma placa positiva e uma placa negativa que estao mergulhadasem uma solucao conhecida como eletrolito. Ela garante o fornecimento de correntecontınua para manter circuitos eletricos em funcionamento.

Figura 9: Turningy NanoTech 3S.

– Capacidade: 1300mAh;

– Tensao: 3S1P / 3 celulas / 11.1V;

– Descarga: 25C constante / 50C por curtos perıodos de tempo;

– Peso: 119g (incluindo cabo, plug e rotulo);

– Dimensoes: 70x34x22mm;

– Plug Balanceador: JST-XH;

– Plug de Descarga: XT60 (esta bateria e muito potente para um plug menor).

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Software

Sera utilizado uma plataforma de simulacao, onde esse trabalho sera projetado, paradepois fazer uma avaliacao do comportamento do modelo e por fim, embarca-lo no hardwarepara observar se o comportamento do robo simulado e similar ao construıdo.

Player Project

A biblioteca a ser utilizada para a simulacao do robo sera o PlayerProject. Esse softwarefoi escolhido pois ele e livre e suporta diferentes tipos de hardware. Dois componentesdo PlayerProject a serem utilizados nesse projeto sao: o Player que e responsavel pelarealizacao de uma conexao de rede com o robo e o Stage que simula robos moveis e objetosem um ambiente bidimensional. Alem disso, ele fornece uma serie de sensores como o desonar, o de varredura, o de odometria, entre outros.

Foi criado em 2000 por Brian Gerkey, Richard Vaughan a Andrew Haward na Universidadedo Sul da California, em Los Angeles para ser utilizado em pesquisas de robotica.

Figura 10: Exemplo de simulacao utilizando o Stage

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Eclipse

Para a construcao de uma simulacao desse trabalho utilizando a biblioteca do PlayerProject,sera utilizado o Eclipse que e um IDE (Integrated Development Environment ). Esse IDEsera usado para editar, compilar e depurar o codigo a ser desenvolvido. O Eclipse foiinicialmente criado pela IBM e posteriormente foi doado a uma comunidade de softwarelivre. Hoje, ele e o IDE Java mais utilizado do mundo. Nesse projeto, sera utilizado partedo codigo do Daniel Leite que fez um trabalho de Iniciacao Cientıfica, Localizacao porKalman estendido aplicado a mapas baseados em marcos com e sem correspondenciaconhecida.

Figura 11: Simulacao com a plataforma Stage

Como podemos ver na imagem acima, fazendo uso do Stage, o Daniel Leite fez asimulacao de um robo, em um ambiente de duas dimensoes, que navega em uma areacomposta por alguns obstaculos e 17 marcos com cores diferentes utilizando Filtro deKalman. Conforme o robo se locomove, ele vai fazendo uma leitura de tudo que existeao seu redor a partir do uso de um sensor. Os dados obtidos pelo sensor sao utilizadospara fazer uma previsao da localizacao do robo a partir dos marcos que estao espalhadosno espaco que ele nao conhece. Essa previsao e representada pela mancha avermelhadamostrada na imagem acima.

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As principais funcoes utilizadas da biblioteca do Stage foram:

• PlayerClient: Usado para comunicar com o Player Server

documentacao: http://playerstage.sourceforge.net/doc/Player-cvs/player/classPlayerCc1 1PlayerClient.html

• Position2dProxy: Usado para controlar um dispositivo POSITION2D

documentacao: http://playerstage.sourceforge.net/doc/Player-cvs/player/classPlayerCc1 1Position2dProxy.html

• BlobfinderProxy: Usado para controlar um dispositivo BLOBFINDER

documentacao: http://playerstage.sourceforge.net/doc/Player-2.0.0/player/classPlayerCc1 1BlobfinderProxy.html

• RangerProxy: Usado para controlar um dispositivo RANGER

documentacao: http://playerstage.sourceforge.net/doc/Player-svn/player/classPlayerCc1 1RangerProxy.html

• Graphics2dProxy: Usado para desenhar graficos simples em um dispositivo derenderizacao fornecido pelo Player usando a interface graphics2d.

documentacao: http://playerstage.sourceforge.net/doc/Player-svn/player/classPlayerCc1 1Graphics2dProxy.html

• LogProxy: Fornece acesso ao log de um dispositivo

documentacao: http://playerstage.sourceforge.net/doc/Player-cvs/player/classPlayerCc1 1LogProxy.html

Portanto, essa mesma simulacao sera realizada em nosso projeto substituindo o Filtrode Kalman pela Logica Fuzzy.

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Logica Fuzzy

A Logica Fuzzy foi escolhida para ser utilizada no projeto pois ela realiza um controleconstante e nao booleano, evitando que os motores atuem de forma brusca em cada instantede tempo. Esse metodo ira deixar a atuacao dos motores mais suave, tornando melhor ocomportamento do robo.

A Logica Fuzzy entao vai tratar a informacao de maneira dinamica, atribuindo graus depertinencia a cada valor e separando os valores em conjuntos que recebem significados, comoexemplo muito perto, perto, longe, muito longe e com cada grau diferentes regras, tomadasde decisao, sao executadas. Como no exemplo do carro, estar muito longe do proximocarro faria o condutor acelerar ou estar perto varia o condutor reduzir a velocidade ou ateretroceder.

Figura 12: Estrutura do Sistema

Como vemos na imagem acima, a implementacao da logica Fuzzy passa por tres etapasbasicas: a fuzzificacao, uma conversao, dos dados recebidos em valores Fuzzy, valores entre 0e 1 de acordo com funcoes que dao forma aos conjuntos e determinam o grau de pertinenciado valor. Em seguida, de acordo com uma base de regras, obtidas a partir de especialistas,que determinam que tipo de conjunto da entrada ativa um conjunto da saıda, por exemplo,um dado de entrada que pertenca ao conjunto “muito longe” ativara a saıda “muito alto”para a potencia do motor. Por fim, a defuzzificacao converte os valores encontrados paraa saıda em dados discretos novamente.

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Implementacao da Logica Fuzzy

A partir de algumas pesquisas, foi identificado que parte do codigo do trabalho da KarlaFigueiredo, ”Controle de robo utilizando agentes independentes”, pode ser utilizado nesseprojeto. A implementacao desse sistema baseado em Logica Nebulosa ja tem definido asvariaveis linguısticas, os conjuntos nebulosos e os conjuntos de regras.

Figura 13: Exemplo de conjunto nebuloso

Como esta mencionado no trabalho da Karla Figueiredo, sua implementacao possui 6variaveis linguısticas: 4 sensores de leitura(direita, esquerda, frente e tras), angulo entre orobo e o objetivo a ser alcancado e a distancia ao objetivo. Alem disso, tem mais 2 variaveisde saıda, onde cada uma sera responsavel em aplicar uma potencia em cada motor(direitae esquerda).

Essas 6 variaveis linguısticas foram divididas nos seguintes conjuntos nebulosos: potenciado motor(composto por 5 conjuntos nebulosos), angulo entre o robo e o objetivo a seralcancado(composto por 5 conjuntos nebulosos), distancia do objetivo(composto por 4conjuntos nebulosos) e distancia dos obstaculos(composto por 4 conjuntos nebulosos).

Como existem 6 variaveis de entrada e 2 de saıda, seria inviavel construir um sistemacom todas as regras, como e mencionado no artigo de Karla Figueiredo. Portanto, o queela fez foi dividir em 3 grupos: regras de desvio, regras de giro e regras de movimento emlinhas reta.

A memoria do percurso, implementada por ela, nao sera utilizada nessa etapa do projetopois, inicialmente, existe um interesse maior em observar o comportamento da atuacao dosmotores do robo, uma vez que esse codigo sera incorporado na implementacao do projetodo Daniel Leite. Portanto, o codigo sera adaptado para que as entradas desse sistemarecebam os dados lidos pelo sensor LIDAR que sera utilizado nesse projeto para capturaros dados externos.

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Conclusoes

A partir de alguns testes realizados com o robo, concluımos que os dois motores DCresponsaveis pelo seu deslocamento nao estavam rotacionando da mesma forma. Parasolucionar esse problema, foram utilizados dois Encoders, um em cada motor, para medira rotacao angular de cada um para garantir o movimentos sıncrono e preciso deles.

Concluı-se que para que o sensor Lidar tivesse um bom funcionamento, foi necessarioutilizar duas portas USB‘s para fornecer uma tensao adequada a esse dispositivo. Alemdisso, foram necessarias as bibliotecas PWMRasp, wiringpi e gbiggs/hokuyoaist para queas duas portas PWM do Raspberry Pi fossem ativada, afim de, ativar comandos especiaisda GPIO e integrar o LIDAR ao Raspberry Pi.

Apos a adaptacao desse codigo, os dados do sensor LIDAR foram capturados inseridosnas funcoes de Logica Fuzzy e foi observado que a saıda desse sistema nao estava correta.Foram inseridos alguns dados de entrada para testar as funcoes mas foi percebido que asaıda continuava com alguns problemas.

Por ultimo, nao foi possıvel finalizar a simulacao de acordo com o codigo disponibilizadopelo Daniel Leite, pois houve uma incoerencia na deteccao de obstaculos. Contudo, foipossıvel aprender muito com a plataforma de simulacao Player Stage.

Referencias

[1] hackaday. how to use lidar with the raspberry pi. http://hackaday.com/2016/01/22/how-to-use-lidar-with-the-raspberry-pi/. Acesso em 20 de maio de 2016.

[2] Ferrer, Rafael Forcada. Implementacion de Algoritmo SLAM Basado ENSensor Laser HOKUYO 04LX - UG01. DTrabajo Fin de Grado en Ingenierıa enTecnologıas Industriales, UPV, 2013.

[3] Ulrich, Jonathan; Watson, Andrew. Pidar: 3D Laser Range Finder. Robotics Clubat the University of Central Florida, UCF, 2002.

[4] Figueiredo, Karla. Vellasco, Marley M. B. R. Pacheco, Marco Aurelio C. CONTROLEDE ROBO USANDO AGENTES INTELIGENTES. Departamento deEngenharia Eletrica, PUC-Rio.

[5] Leite, Daniel. Figueiredo, Karla. Vellasco, Marley M. B. R. LOCALIZACAOPOR KALMAN ESTENDIDO APLICADO A MAPAS BASEADOSEM MARCOS COM E SEM CORRESPONDENCIA CONHECIDADepartamento de Engenharia Eletrica, PUC-Rio.

[6] Tanscheit, Ricardo. INTELIGENCIA COMPUTACIONAL APLICADADepartamento de Engenharia Eletrica, PUC-Rio.

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