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INFRAESTRUTURA DE HARDWARE, SOFTWARE E COMUNICACAO PARA AROBOTIZACAO DE PLATAFORMAS RADIO-CONTROLADAS: APLICACAO A UM
DIRIGIVEL ROBOTICO
Miguel A. C. Rueda∗, Luiz G. B. Mirisola†, Lucas A. C. O. Nogueira∗,¶, Gustavo A.Fonseca∗, Josue Jr. G. Ramos∗, Mauro F. Koyama∗, Jose Raul Azinheira‡, Jose
Reginaldo H. Carvalho§, Ely Carneiro de Paiva¶, Samuel S. Bueno∗
∗CTI Renato Archer; Rod. D.Pedro I (SP-65) km.143.613069-901 Campinas, SP, Brasil
†IEC/ITA, Praca Marechal Eduardo Gomes 5012228-900 Sao Jose dos Campos, SP, Brasil
‡IDMEC/LAETA- IST, Universidade de Lisboa, Pav. Mecanica 3, Av. Rovisco Pais1049-001 Lisboa, Portugal
§ICOMP/UFAM, Av. Rodrigo Otavio, 620069077-000 Manaus, AM, Brasil
¶FEM/UNICAMP; Rua Mendeleyev, 200 - Cidade Universitaria13083-860 Campinas, SP, Brasil
Emails: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected],
Abstract— This article describes a hardware and software infrastructure for the transformation of conventionalPWM radio-controlled platforms into robotic vehicles. Capable of supporting the original (radio controlled),teleoperated and autonomous operation modes, and based on Linux and ROS, this infrastructure includes sensorsand embedded processors, ground control station and communication system. Details of the architecture appliedto a robotic airship, and first results are presented, showing the acquisition of sensorial variables.
Keywords— robotic infrastructure, embedded systems, robotic vehicles, robotic airship
Resumo— Este artigo descreve uma infraestrutura de hardware e software destinada a transformacao deplataformas comandadas por radio controle convencional, no padrao PWM, em veıculos roboticos. Capaz desuportar as modalidades de operacao original (radio controlada), tele-operada e autonoma, e calcada em Linuxe ROS, a infraestrutura compreende sensores e processadores embarcados, estacao de operacao e sistema decomunicacao. Sao apresentados detalhes da arquitetura aplicada a um dirigıvel robotico e resultados iniciais queilustram a aquisicao de variaveis sensoriais.
Palavras-chave— infraestrutura robotica, sistemas embarcados, veıculos roboticos, dirigıvel robotico
1 Introducao
As diferentes classes de veıculos roboticos queoperam em ambiente externo (aereos, terrestres,aquaticos de superfıcie e subaquaticos) abrangemdesde prototipos simples, de baixo custo e desem-penho limitado, destinados ao aprendizado de con-ceitos basicos em robotica, ate sistemas profissio-nais altamente sofisticados dedicados ao uso civil emilitar, alem de uma vasta gama de prototipos depesquisa que se encontram entre ambos extremos.No conjunto dos prototipos, muitas vezes o pontode partida e uma plataforma comandada por ra-dio controle (RC) convencional no padrao PWM(Pulse Width Modulation).
A robotizacao de uma plataforma RC/PWM,isto e, a sua transformacao gerando um prototiporobotico funcional, surge assim como interessantesolucao experimental para a pesquisa, a criacaode demonstradores tecnologicos e a realizacao deaplicacoes piloto. Exemplos sao arquiteturas para
uma aeronave de asa fixa (Coopmans and Han,2009) e para veıculos terrestres em escala (Hartet al., 2014).
Na modalidade mais simples de utilizacao des-ses prototipos, eles permanecem operados via ra-dio controle convencional, sob total controle dooperador. Neste primeiro cenario, a robotizacaonecessaria pode se restringir a insercao de senso-res e processadores embarcados para registro deinformacao a ser usada posteriormente em anali-ses cinematicas, dinamicas, do ambiente em queo veıculo se encontra, etc. Num nıvel de comple-xidade acima, esses prototipos ainda permanecemsob total controle do operador, mas passam a sertele-operados a partir de uma estacao de operacao.Neste cenario, a robotizacao acrescenta, ao casoprecedente: a comunicacao entre o sistema embar-cado e a estacao de operacao, bem como ferramen-tas de imersao do operador no ambiente onde oveıculo se desloca − por exemplo, atraves de ima-gens fornecidas por uma camera embarcada. Num
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ISSN 2175 8905 257
terceiro e mais complexo cenario, busca-se agregara esses prototipos capacidades de funcionamentosubstancialmente autonomo. Neste caso, cabe aooperador especificar a missao e acompanhar suaexecucao, enquanto que algoritmos de percepcao,controle e guiamento, executados no processadorembarcado a partir das informacoes sensoriais, de-terminam e enviam comandos aos atuadores paraa locomocao do veıculo. O operador pode tambemcomandar diretamente o veıculo em determinadasfases da missao ou assumir o seu controle em casosemergenciais.
Embora a robotizacao de plataformasRC/PWM possa ser realizada por solucoes comoArdupilot e Pixhawk, estes sistemas nao suportama execusao de algoritmos computacionalmentecomplexos de percepcao e controle.
Este artigo apresenta uma infraestrutura ro-botica com capacidade de processamento capazde suportar os cenarios e requisitos anteriormentedescritos. A infraestrutura e formada por trescomponentes, segundo o conceito anteriormenteproposto para o dirigıvel robotico do Projeto AU-RORA - Autonomous Unmanned Remote Monito-ring Robotic Airship (Ramos, 2002):
• O sistema embarcado, composto por conjuntosensorial, processadores e hardware dedicadopara a comutacao entre os modos de operacaoautomatico (i.e. autonomo, com os coman-dos computados no processador embarcado)e manual (comandado pelo operador, via RCconvencional ou tele-operacao);
• A estacao de operacao instanciada emum computador portatil, com sua interfacehumano-robo e facilidades de programacao eacompanhamento de missao, selecao de algo-ritmos e seus parametros de ajuste, e registrode variaveis;
• O sistema de comunicacao entre a estacao deoperacao e o sistema embarcado.
O arcabouco de software adotado congrega o sis-tema operacional Linux e, como middleware, osoftware robotico ROS - Robot Operating System(OSRF, 2009).
Embora a infraestrutura possa ser usada paraa robotizacao de diferentes veıculos de RC/PWM,ela foi desenvolvida primordialmente para o Diri-gıvel Robotico de Concepcao Inovadora (projetoDRONI), ilustrado na Figura 1. Dotado de qua-tro propulsores eletricos vetorizaveis e quatro su-perfıcies aerodinamicas de atuacao de cauda, aaeronave constitui uma plataforma experimentalpara o desenvolvimento e validacao de tecnicasde controle e de navegacao autonoma de dirigı-veis (Azinheira et al., 2015) e tambem a realiza-cao de aplicacoes piloto a observacao aerea e aqui-sicao de informacoes ambientais a baixa altitude,com foco inicial na regiao Amazonica (Carvalho
et al., 2014). E neste contexto que o restante doartigo e apresentado.
Apos essa 1a secao introdutoria, a 2a secaodescreve a infraestrutura robotica desenvolvida; a
Figura 1: Dirigıvel nao tripulado.
3a secao apresenta resultados de uso e analise dedesempenho desta infraestrutura; e a 4a secao con-clui o artigo e aponta os trabalhos futuros.
2 A infraestrutura robotica
A infraestrutura robotica, instanciada para o di-rigıvel do projeto DRONI, possui a arquiteturailustrada na Figura 2, detalhada a seguir.
2.1 Sistema embarcado
O sistema embarcado integra produtos de prate-leira (off-the-shelf ) e se sobrepoe a uma solucao deradio controle convencional com comandos PWM.Alem de sua principal funcionalidade - asseguraros comandos de controle dos atuadores calculadosno computador de bordo para o modo automaticode operacao, uma caracterıstica adicional do sis-tema e a aquisicao de todos os comandos enviadosaos atuadores da aeronave tambem no modo deoperacao manual. Essa peculiaridade e util prin-cipalmente na fase de desenvolvimento, por exem-plo, quando da execucao de manobras especıficaspara auferir o comportamento dinamico do dirigı-vel e coletar dados para identificacao de parame-tros de seu modelo matematico dinamico.
O sistema embarcado e composto por umcomputador no formato Intel NUC e um con-junto de sensores a ele integrados por interfacesUSB, ethernet e serial (RS-232). Este computa-dor opera com Linux Ubuntu 14.04 e o arcaboucode software robotico ROS, versao Indigo, comomiddleware. Modulos de aquisicao sensorial, seuprocessamento, calculo de controle e envio de co-mandos sao empacotados como “nos” do ROS −desenvolvidos no projeto ou disponibilizados pelacomunidade de pesquisa. Esses nos ROS, podemser configurados para operar a taxas de amostra-gem distintas, permitindo a coexistencia de ma-lhas de sensoriamento e de controle mais rapidase/ou mais lentas, segundo as necessidades das es-trategias de controle e navegacao. Com escalona-mento prioritario, os nos podem ser executados nomesmo processo que utiliza os seus resultados emmais alto nıvel, reduzindo atrasos de comunicacao.
Os componentes fısicos da infraestrutura ro-botica da Figura 2 foram selecionados conside-rando caraterısticas tais como desempenho, peso,consumo de energia e capacidade de interfacea-mento. Os sensores adotados sao:
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Figura 2: Arquitetura geral do sistema embarcado.
• GPS/AHRS Mti-G-700 (Xsens, 2015)
• Altımetro Lightware Laser SF11/C(Lightware, 2015)
• Camera Point Grey CMOS Flea 3 (Point-Grey, 2015)
• Cargas das baterias embarcadas na aeronave(Yoctopuce, 2015)
• Velocidade relativa ao ar (airspeed)
Os sensores GPS/AHRS, altımetro, camera ecarga de bateria comunicam-se com o computadorde bordo via interface no padrao USB.
O medidor de velocidade relativa ao ar (airs-peed), desenvolvido internamente, e instalado nonariz da aeronave. Ele utiliza um tubo de pitot de60 cm fabricado pela (Winter-Instruments, 2015),acoplado a um sensor diferencial de baixa pres-sao SDP-510 da (Sensirion, 2015), na faixa dos0 a 500 Pa, que prove uma saıda digital. Umaplaca (Arduino, 2015) interfaceia o sensor com umdispositivo Xbee (Digi-International, 2015) para acomunicacao via radio, a 2.4GHz, com o compu-tador de bordo.
Os quatro sensores de carga para as baterias,usam a placa Yocto-Volt (Yoctopuce, 2015), cons-tituıda por um sensor de tensao.
A camera esta montada em um dispositivogimbal, comandado pela placa Simple BGC 32-bit (Basecam-Electronics, 2015) que se comunicavia USB com o computador de bordo. Na confi-guracao atual, no modo manual de operacao dodirigıvel a placa estabiliza a camera em uma posepre-especificada; no modo automatico de operacaoa placa atua no gimbal segundo os angulos de gui-nada, arfagem e rolagem recebidos do computadorde bordo.
Ainda em relacao aos sensores na Figura 2,considera-se conhecida a relacao entre a veloci-dade de rotacao das helices e o comando de aci-onamento enviado aos motores eletricos via ESCs(Electronic Speed Control), nao existindo tacome-tros fısicos na presente implementacao.
Os atuadores da aeronave compreendem ostres graus de liberdade do gimbal (por exemplo,para estrategias de controle baseado em visao),mais o conjunto que recebe comandos PWM e ediretamente responsavel pelo guiamento da aero-nave: quatro motores sem escovas para propul-sao, quatro servo-atuadores para vetorizacao dospropulsores e quatro servo-atuadores para a de-flexao das superfıcies aerodinamicas que atuamcomo leme, profundor e aileron. Ha tambem, paraemergencia, uma eletrovalvula para liberar o gasHelio do envelope e um dispositivo que desprendeuma garateia presa a um cabo.
.Como foi mencionado, a aeronave possui dois
modos de operacao que determinam a forma de en-vio de comandos aos atuadores: modo manual (viareceptor do radio-controle convencional) e modoautomatico (tele-operado ou autonomo, via com-putador de bordo). No modo manual o radio-controle convencional comanda uma mesma velo-cidade e um mesmo angulo de vetorizacao para osquatro propulsores, e duas variaveis para as super-ficies aerodinamicas. Ja no modo automatico, osdoze atuadores PWM podem ser comandados in-dependentemente pelo computador de bordo; essamaior flexibilidade de atuacao permite as estrate-gias de controle uma maior capacidade de estabi-lizacao e guiamento da aeronave que e, intrinse-camente, subatuada (Azinheira et al., 2015). Afim de prover a comutacao entre esses dois modosde operacao, e alocar adequadamente os canaisde controle, foi projetado um hardware especıfico,calcado em solucoes comerciais, cujo diagrama eapresentado na Figura 3.
Na placa de comutacao, ha tres interfaces:
• Interface de geracao PWM Servo Maestro(Pololu): No modo automatico de operacao,ela recebe variaveis de controle do computa-dor de bordo e gera os sinais de comando en-viados aos atuadores.
• Interface de leitura PWM Rx (Yoctopuce):Encarrega-se de ler os sinais de comando,
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Figura 3: Arquitetura do sistema de comutacao.
tanto no modo manual quanto no modo auto-matico de operacao, de maneira que o compu-tador embarcado receba o tempo todo essasinformacoes.
• Interface multiplexadora RC Servo Multiple-xer (Pololu): Ativa o modo de operacao (au-tomatico ou manual), dependendo da selecaoestabelecida pelo operador em terra.
2.2 Estacao de operacao
Figura 4: Estacao de Operacao.
A Estacao de Operacao e calcada na comu-nicacao remota com o computador de bordo noveıculo, para o que foi utilizado o protocolo MA-VLink (Meier et al., 2014) - concebido para atuarem comunicacoes cabeadas e sem-fio, com UART,UDP e TCP/IP, sendo computacionalmente leveo suficiente para ser executado em microcontro-ladores de baixa performance. Todas essas quali-dades o fizeram ser amplamente adotado nos ul-timos anos pela comunidade de desenvolvimentoe pesquisa em veıculos roboticos aereos, especial-mente de pequeno porte (Meier et al., 2011). Ja naestacao de operacao, optou-se por utilizar o pro-grama QGroundControl (Meier et al., 2010). OQGroundControl e o primeiro programa do tipoestacao de operacao que implementa o protocoloMAVLink, tendo sido concebido em sinergia com
a equipe de desenvolvimento do protocolo em si.Com a adocao do MAVLink e QGroundControl,foram desenvolvidos modulos de software para re-alizar a comunicacao entre o sistema ROS embar-cado no veıculo e o protocolo MAVLink e inseridosmostradores especıficos na interface de usuario.
Esta interface com o usuario, mostrada na Fi-gura 4, permite:
• Previo ao voo, e para a modalidade autonomade operacao, a programacao da missao emtermos de pontos de passagem (coordenadasde latitude e longitude e perfil de altitude) eatributos de voo (decolagem ou aterrissagemverticais, voo pairado ou voo cruzeiro);
• Durante o voo, a supervisao da operacaoradio controlada da aeronave (por piloto eradio-controle convencional) ou a teleopera-cao direta da aeronave, ou a supervisao emmodo autonomo de operacao;
• Durante o voo, o recebimento e exibicao dedados de telemetria (informacoes sensoriais,de status da aeronave, dos sistemas de supri-mento de energia, etc.), bem como de imagensprovenientes de camera embarcada;
Uma funcionalidade adicional para a moda-lidade autonoma de operacao, instanciada foradesta interface, permite a selecao de algoritmosde controle e navegacao e a definicao de seus pa-rametros de ajuste.
2.3 Sistema de comunicacao
O sistema de comunicacao congrega dois modu-los. Um radio-controle convencional (Hitec, 2015)de 2.4 GHz e destinado a pilotagem manual daaeronave. O segundo e principal modulo prove acomunicacao entre a Estacao de Operacao e o Sis-tema Embarcado na aeronave. Ele utiliza um en-lace de radio IPnDDL2450 (Microhard-Systems-INC., 2015), com um arranjo de antenas omnidi-recionais de 8 dBi montado na aeronave e, juntoa Estacao de Operacao, uma antena direcionalyagi de 17 dBi orientada por um pan-tilt D48-E(FLIR, 2015). O arranjo tem um alcance nominalmaximo de 15 km, com uma largura de banda de12 MBps em dois canais, um de dados e outro decomando e controle.
3 Resultados e analise de desempenho
Afim de validar, analisar e aprimorar o comporta-mento da infraestrutura descrita na secao prece-dente, experimentos foram realizados no campusdo CTI Renato Archer, tanto em bancada quantocom o conjunto embarcado em um automovel. Co-mandos RC e de comutacao automatico-manualeram enviados via RC e os dados do sistema em-barcado recebidos, exibidos e registrados na esta-cao de operacao. Um conjunto de servos emulavaos atuadores do dirigıvel.
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A Figura 5 mostra um dos testes funcionaispara as transicoes manual − automatico − ma-nual. Nesse teste, realizado em bancada, um dossinais de vetorizacao e enviado pelo RC no modomanual, intercalando-se a comutacao para umafase automatica que repassa ao atuador um si-nal senoidal pre-programado no computador debordo. Os sinais de vetorizacao variam entre osextremos normalizados de 1 e −1, equivalentes aosangulos maximo e mınimo de vetorizacao do sis-tema mecanico.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−1.5
−1
−0.5
0
0.5
1
1.5
tk(s)
Va
ria
ve
is n
orm
aliz
ad
as
Figura 5: Exemplo de sequencia de comutacaopara vetorizacao: comandos de atuacao normali-zado (Vermelho) e comando de comutacao (Azul)entre os modos manual (nıvel zero) e automatico(nıvel um).
Para averiguar o comportamento das aqui-sicoes sensoriais bem como das diferentes taxasde amostragem oriundas do framework ROS, fo-ram realizados percursos com o sistema embar-cado montado num automovel, cobrindo de 3 a 10minutos de operacao.
A Figura 6 apresenta a velocidade do veıculodeterminada por tres metodos, usando dois senso-res: i) medidor de velocidade relativa ao ar (airs-peed), a uma taxa de amostragem de 18Hz; ii)modulo da velocidade no referencial North EastDown (groundspeed) a partir do dados brutos doGPS do Xsens, que possuı uma taxa de amostra-gem de 4Hz embora fornecido a 100Hz; iii) mesmavelocidade (groundspeed) resultante da fusao, in-terna ao Xsens, entre dados de GPS e informacoesinerciais, a 100Hz. Verifica-se a concordancia en-tre as tres velocidades.
Com o intuito de analisar o comportamentoda amostragem para um determinado vetor dedados, foram computados os incrementos ∆tk =tk− tk−1 onde tk e tk−1 sao os instantes de tempoconsecutivos entre duas aquisicoes, e as seguintesmetricas: a media ∆tmed = mean (∆tk) e o va-
lor maximo normalizado ∆tmax = max(∆tk)∆tmed
; esteultimo, caso superior a dois, indica perda de in-formacao.
Para os dados inerciais e de GPS do Xsens, ad-quiridos a 100Hz − a mais elevada taxa de amos-
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
tk(s)
Ve
locid
ad
e (
m/s
)
Figura 6: Velocidades: relativa ao ar (vermelho),por dados brutos de GPS (azul) e por fusao GPS-incercial (preto).
tragem utilizada nesta implementacao, obteve-se:1
∆tmed= 107.33 Hz, ∆tmax = 1.88. Percebe-se
uma uniformidade na aquisicao, sem perda de in-formacao e proximo a frequencia de amostragemespecificada.
A Figura 7 apresenta o comportamento da ra-zao ∆tk
∆tmedpara o medidor de velocidade relativa
ao ar (airspeed) a uma taxa de 18Hz. Obteve-se: 1
∆tmed= 17.93 Hz, ∆tmax = 1.03, indicando
um bom desempenho mesmo o sensor utilizandocomunicacao sem fio (via Xbee). Para o mesmosensor, a 20Hz atingiu-se ∆tmax = 1.5.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800.96
0.97
0.98
0.99
1
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
tk(s)
|∆k|
Figura 7: Analises dos tempos de amostragem domedidor de airspeed.
4 Conclusao
Este artigo apresentou uma infraestrutura dehardware e software para a robotizacao de veıculosradio controlados no padrao PWM. Congregandosistema embarcado, estacao de operacao e sistemade comunicacao, essa infraestrutura robotica con-figura uma solucao versatil e de baixo custo para aconcepcao de plataformas experimentais aptas as
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atividades de P&D, criacao demonstradores e rea-lizacao de aplicacoes piloto. Ela possibilita proces-sar e registrar diferentes classes de variaveis senso-riais (incluindo imagens), permitindo o comandode atuadores nos modos manual e automatico deoperacao, promovendo tambem a transicao entreambos.
Foram apresentados resultados de bancada eem ambiente externo que revelam a aquisicao devariaveis sensoriais com pequena dispersao dosdiferentes tempos de amostragem especificados.Esta infraestrutura sera integrada a aeronave e va-lidada experimentalmente, suportando missoes deobservacao ambiental bem como a implementacaode estrategias de percepcao e de controle e nave-gacao autonomos.
Agradecimentos
Os autores agradecem os financiamentos do pro-jeto DRONI (proc. CNPq 402112/2013-0) e do In-SAC − Sistemas Autonomos Colaborativos (proc.CNPq 465755/2014-3 e FAPESP 2014/50851-0).
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