* Fundaç~o Universidade Federal de Rond6nia

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1 '" Sistema para Depuraçao de um Robô Móvel AutÔnomo Inteligente Alzira Le.i t.e, Msc. * Joao '" Bosco da Mot.a Alves, Dr. Marcos Ferreira Resende, Msc. RAIA Lab - Laboratório de Robótica, Automaç;o e Inteligência Artificial Universidade Federal de Uberlândia - UFU Depart.ament.o de Engenharia Elét.rica Campus Sant.a M6nica - Bloco E Uberlândia - MG Fone e Fax: (034) * Fundaç~o Universidade Federal de Rond6nia Depart.ament.o de Ciências Exat.as Port.o Velho - RO Fone: (069) Todo rob6 móvel aut.6nomo i nt.el i gent.e (que ut.i 1 i za o conceit.o de int.eligência increment.al) deve ser precedido de uma et.apa de depuraç~o complet.a das camadas produt.oras de atividades (exist.ent.es e ainda por implement.ar). Est.e t.rabalho t.em por objet.ivo descrever um simulador que inclui t.al depuraçao. Na implement.aç~o do depurador ut.il.izou-se um microcomput.ador IBM-AT 386 DX 33 MHz, sendo o mesmo codificado em Turbo C da Borland. O sist.ema foi empregado para depurar as camadas produt.oras de at.ivi dades já implement.adas num rob6 real MINEIRIN, onde foi comprovada a necessidade de t.al depuraç~o. MINEIRIN é um rob6 móvel aut.6nomo i nt.eligent.e desenvolvido no Laborat.ório de Robót.ica, Aut.omaç~o e Int.eligência Ar t.i f i ci ai - RAI A Lab do Depar t.ament.o de Engenhar i a EI ét.r i ca da Universidade Federal de Uberlândia. Est.e rob6 int.erage diret.ament.e com seu ambient.e de t.rabalho at.ravés de sensores e at.uadores usando o principio da percepç~o-aç~o. Da análise dos result.ados reais e simulados, '" verificou-s~ que a depuraçao é uma forma viável para facili t.ar a i mpl ement.açao de rob6s móveis aut.6nomos baseados em comport.ament.os

2 Introduçao Os robós móveis autónomos interagem com o meio ambiente no qual estão inseridos através de mecanismos sensoriais e são capazes de operar autonomamente num ambiente desconhecido e não necessariamente estruturado e adaptar-se às modificações do mesmo mediante sistemas de controle, percepção, comunicação e decisão [ 03, 05, 06]. Uti 1 i zando a técni ca Percept{on-Action, Brooks [01] do Laboratório de Inteligência Artificial do Instituto de Tecnologia de Massachussets (MI T) desenvol veu uma sér i e de r obós móvei s autónomos inteligentes com indiscutível sucesso. Os vários sensores colocados em seus sistemas funcionais elementares são responsáveis por todos os reflexos do robó, sendo estes reflexos chamados "comportamentos" que, corretamente coordenados (através de camadas produtoras de atividades que atuam em paralelo), contribuem para um desempenho satisfatório na realização de de um conjunto de tarefas. Pelo f ato de cada camada ser compl eta, i sto é, não depender das demais para a produção de sua respectiva atividade, o comportamento do robó é o resultado de execução paralela de tais atividades, o que possibilita, por exemplo, dirigir-se ao seu objeti vo atual desviando-se de obstáculos. Uma das consequentes vantagens desta abordagem é o fato de que um defeito ocorrido em uma das camadas não implicar, necessariamente, no colapso total da robó ou criatura, o que, sob certo aspecto., é um sistema tolerante a f ai has [03, 05]. Guardadas as devidas proporções de recursos, esta concepção foi i mpl ementada também com sucesso no Labor a tór i o de Robótica, Automação e Inteligência Artificial RAIA Lab do Departamento de Engenharia Elétrica do Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia da Universidade Federal de Uberlândia DEENE/CETEC/UFU. O MINEIRIN, robó móvel autónomo inteligente do RAIA Lab [03], utilizou um mecanismo sobre rodas com tração avante e a ré dotado de mudança de direção. Adquirido no mercado nacional, foi modificado para a absorção das camadas produtoras de ati vidades desenvol vidas no próprio RAIA Lab, as quais. provêem o robó de capacidade de exploração em solo plano horizontal, recarregando sua bateria quando necessário. Para tanto, ele procura o recarregador e dirige-se a este com os devidos desvios de obstáculos estáticos e dinâmicos que se lhe apresentarem pela frente. Um dos grandes problemas compreendidos durante o desenvolvimento do MINEIRIN no RAI A Lab [ 03] é a constatação do alerta emitido por Brooks [01] sobre a necessidade de uma depuração completa da camada produtora de atividade antes do proj eto e da adi ção da mesma ao sistema artificial inteligente [05]. Na implementaç~o do robó M1NEIRIN, um computador tipo PC foi usado para controlar suas açoes utilizando comunicaçao via rádio frequência com o me~mo, o que representa um "cordao umbilical". Esta especificaçao de projeto visava possibilitar o

3 uso de ou~ras ~écnicas Cp.e. Redes Neurais, Represen~ação do COl~heci men~o, Raci oci ni o Au~oma~i zado, Con~rol e Fuzzy, e~c) de con~role de robô móvel au~ônomo in~eligen~e. Com o desenvolvimen~o do sis~ema de depuração, verif'icou-se que es~e "cord~o umbilical" era desnecessário, pois é possivel incluir no sis~ema de depuraç~o o modelo dinâmico do robô necessário para a simulação do sis~ema global usando ~ais ~écnicas. Es~e ~rabal. ho descreve um simulador para robôs móveis au~ônomos in~eligen~es com arqui~e~uras de con~role baseadas em compor~amen~os. 2 - Descriç;o do Simulador A es~ru~ura do simulador visualizada de f'orma reduzida na figo na figo lb. acima mencionado pode ser la e um pouco mais de~alhada Inlerface com usuári.o ~ Cenlro de Si..mulaçtlo Ambi.enle I Robô Ca) Forma Reduzida -,--_... I _......_..."..... i A::7;n~:s B::~ô: :::;:~:~j Inlerface com usuári.. o Jmmnmmnm'J=.~::~,=~="lmn_nn! T~lmn;~~;-l--_nnmnn! I Cen~ro de Simulaçao 11 Robô Núc l eo de Téc ni..ca i:: si..mulaçtlo Alual Ambi.enle A l ual i... i Interf'ace com o Usuário Cb) Forma Expandida Fig. 1 - Es~ru~ura do Simulador recursos dinâmica o módulo i n~er r ace com de compu~açao gráfica do sis~ema robô/ambien~e. o e usuári0l... in~era~ivo, animaçao para descrever u~iliza a

4 '" Centro de Simulaçao o módulo centro de simulação [05] gerencia a simulação do ambiente como um todo de acordo com as necessidades e interesse do usuário, sendo capaz de recuperar registros nas bases C ambi entes, robôs e técnicas) bem como atualizá-los nessas mesmas bases Ambiente o módulo ambiente representa o ambiente escolhido para o estudo d~ caso atual. Este módulo é, primeiramente, abastecido com informaçoes do módulo centro de simulação e, sendo dinâmico, precisa informar ao módulo centro de simulação as mudanças nele ocorridas. Também fornece inf'ormações aos sensores externos do robô Cp. e. sinal de infravermelho [03, 05], pontos de interesse direto do robó: recarregador de baterias). Finalmente, o próprio robô pode provocar mudanças na estrutura do ambiente Cp.e. um robô que empurra caixas [02, 03, 05]. 2.4 Robô o módulo rob6 representa o robô escolhido para o estudo de caso atual. Este módulo é, inicialmente, abastecido com informações do módulo centro de simulação, o qual gerencia as inf'ormações dos sensores Cinternos e externos) do robô. Alguns sensores internos Cp.e. nível de carga da bateria) podem determinar a priorização de determinados comportamentos Cp.e. recarga da bateria, para evitar sua "morte"). Os sensores externos detectam mudanças ambientais que determinam os vários padrões de comportamento do robó. Na f'ig. lb, a separação do módulo robô em dois submódulos Crobô e técnicas atuais) permite a utilização das diversas técnicas Cp.e. Redes Neurais, Representação do Conhecimento, Raciocínio Automatizado, Controle Fuzzy, etc). 3 - MINEIRIN - um robô real MI NEI RI N, des en vol vi do no RAI A l..,ab da UFU, é um robô móvel autônomo inteligente em cuja implementação foi utilizada a arquitetura de assunção e o principio percepção-ação. Na implementação fisica foi utilizado um mecanismo sobre quatro rodas com tração para frente e para trás, dotado de mudança de direção, adquirido no mercado nacional de brinquedos, o qual sofreu algumas ai terações com o intui to de absorver as camadas produtoras de atividades. Tais camadas provêem o robô da capacidade de exploração em ambientes planos do mundo real, evitando obstáculos estáticos e dinâmicos que surgem à sua f'rente. Um comparador de tensão detecta a necessidade de o robô recarregar as baterias. Quando a tensão se torna menor que uma determinada tensão de referência, a saída é ativada e essa informação é transmitida ao algoritmo de controle via transmissor/ receptor através de um bit chamado FRACO, pois indica a condição de bateria f'raca. Um dos sensores utilizado pelo MINEIRIN é o de

5 ult,ra-som, cujo circuit,o se const,it,ui de um t,ransmissor e um recept,or de ondas sonoras. O t,empo decorrido den~re a ~ransmissão e a recepção det,ermina a dist,ância do obst,áculo à ~rent,e do robô. Para o caso do MINEIRIN, ~oi est,abelecido um limiar de recepção considerado obst,áculo signi~icat,ivo. Para evit,ar que pequenos obst,áculos ~ossem det,ect,ados. Também se est,abeleceu uma dist,ância máxima a part,ir da qual um obst,áculo não será det,ect,ado e o que se convenci onou chamar dlê! "mi opi a li O objet,i vo a ser alcançado pelo robô, o recarregador de bat,eria, deve emit,ir sinais const,an~es a~ravés de um t,ransmissor de in~ravermelho. Um ~ot,o-~ransmissor localizado na par~e ~ront,al do robô det,ect,a est,es sinais, o bit, OBJETIVO é at,ivado, in~ormando ao sist,ema de cont,role que o robô est,á na direção do objet,i vo. Esse sensor ainda est,á por implement,ar. Foram implement,adas t,rês camadas de cont,role no robô MINEIRIN, sendo ut,ilizada, para t,ant,o, a versão de Connell [02] para a arquit,et,ura de assunção. São elas, em ordem de prioridades: (1) EVITAR Obst,áculos. (2) VAGAR sem direção ~ixa. (3) ENCONTRAR objet,ivo para reenergização. 4 - Um Robô Simulado ) O robô simulado t,em caract,erist,icas, senao idênt,icas, mas próximas às do robô ~isico, no caso o robô MINEIRIN, e nele ~oram inseridas camadas produt,oras de at,ivi dades, sendo as mesmas depuradas. a cada inserção. Para t,ant,o, se ~ez necessário a obt,enção de um modelo para o robô ~isico. Esse modelament,o levou em consideração apenas a geomet,ria do mesmo e por est,e mot,ivo ~oi denominado modelo geomét,rico do robô. O robô ~i si co se const,i t,ui de um mecani smo de quat,ro rodas, capaz de se locomover por meios próprios, sem a int,ervenção de operadores humanos. A t,rajet,ória de pont,os P e Q, cent,ral ent,re as duas rodas post,erior e ant,erior, respect,ivament,e, é considerada a t,rajet,ória do robô. A ~ig. 2 most,ra as grandezas ut,ilizadas no modelo geomét,rico do robô, onde l é a dist,ância ent,re as rodas t,raseiras e di ant,ei ras, rp é o ângulo que as rodas di ant,ei ras, ao vi rarem, ~azem com o eixo longit,udinal do robô. Uma vez que as duas rodas - esquerda e direit,a - viram ao mesmo t,empo, nao havendo, assim, di~erença no ângulo de viragem, ~oi considerado apenas um ângulo rp cent,ral, t,ambém como ~orma de simpli~icar o modelament,o; r é o vet,or posição do carro com coordenadas (x, y) em relação a um sist,ema de re~erência inercial, o qual ~oi considerado o do ambient,e e s a dist,ância percorrida sobre a t,rajet,ória. O sist,ema re~erencial considerado para a localização do robô no ambient,e est,á na ~rent,e do mesmo (ver ~ig. 3 ), onde ~ é o ângulo ent,re o eixo longit,udinal do robô e o sist,ema de re~erência inercial, Xp e Xq são as projeções dos pont,os P e Q (de t,rás e da ~rent,e, respect,ivament,e) no eixo x e yp e yq as projeções no eixo y do re~erido sist,ema

6 ,..- Ip I! l a QJ -- lo 'rzr o x Fig. 2 - Modelo geomé~rico do robô. Quando!p é cons~an~e, o robô prescreve uma ~raje~ória circular de raio R e, como rorma de localizar essa ~raje~ória no ambien~e, roi considerado um ou~ro sis~ema rererencial si~uado no cen~ro do circulo prescri~o pelo robô. Para se chegar às relações ma~emá~icas do modelo, roram rei~as análises geomé~ricas da ligo 3.Da ~rigonome~ria se pode ob~er a relação en~re R, l e!p que é: R = sen!p Y' I. X'.". XP xc Fig. 3 - Sis~ema rererencial do robô. Para ~rabalhar com apenas um sis~ema de coordenadas, o sis~ema de rererência inercial, é rei~a a mudança dos eixos coordenados de acordo com a geome~ria anali~ica. As relações para se encon~rar x' e y' são: x' = x" l e y' = y" + Rp Rp = R * cos!p Como x' e y' dependem de x" e y" relação en~re esses úl~imos qual seja: x" = p * cos e y" = p * sen e convém encontrar uma onde e é a variação angular ao longo da ~raje~ória, cujo var i a de ei.ni.ci.al 2rr, com ei.ni.ci.al =!p 90; P é a en~re a origem do sis~ema de rererência da ~raje~ória, in~ervalo dis~ância no caso o

7 cen~ro da circunferência e o pon~o ~angencial. no caso o pon~o Q que é o pon~o da fren~e do robô. En~ão: p = R = sen rp A velocidade linear de deslocamen~o do robô Ccm/passo) aqui denominado de I:J.s é cons~an~e e foi fixado em 2 cm/passo. l:j.e é o valor de variação de e para que ele ~enha um deslocamen~o igual a I:J.s e é ob~ido a~ravés da relação: I:J.s R Nesse ~rabalho. são considerados doi.s ~ipos de ~raje~6ria: linhas re~as e arcos circulares. as quais são dependent.es do ângulo rp. As direções possi veis para o robô são: fren~e, t.rás. esquerda ou direit.a num ângulo de 30 graus com u.ma ~olerância de ± 01 graus. O robô simulado foi dimensionado de acordo com as dimensões do robô real sendo mant.idas. ~ant.o quan~o possivel, as suas carac~eris~icas originais., O simulador descreve um ambient.e de uma sala modelada a par~i r do ambi ent.e real no qual o robô MI NEI RI N foi ~es~ado na prá~ica. O dimensionamen~o é fei~o em cen~ime~ros e. para ~ant.o, é fei~a a ~rasformação da dimensão real para sua equivalent.e na ~ela. Assim, o ambien~e ~oma as formas reais bem como t.udo o que nele é inserido. A ligo 4 ilust.ra o ambien~e simulado. O robô é represen~ado pela figura re~angular ladeada por re~ângulos menores represen~ando as suas rodas e os ret.ângulos em seu int.erior, imi~ando os "olhos" figuram como sendo os sensores de ultra-som e servem ~ambém para indicar a orien~ação do robô. Ã fren~e do robô é represen~ada a área de a~uação dos sensores com a figura semelhan~e a um t.riângulo.o segment.o de ret.a represen~a o recarregador de bat.erias e os obst.áculos são os quadrilát.eros ao longo do ambien~e. Um dos sensores ut.ilizados é o de ul~ra-som que foi ajus~ado aos moldes dos sensores reais do MINEIRIN. Eles indicam a presença ou não de objet.os a uma cert.a dis~ância. de acordo com sua "miopia". Na definição da faixa de a~uação dos sensores de ul t.r a -som no r obô si mul ado u~i 1 i zou-se dos dados r eai s quai s sejam: dis~ância da frent.e do robô = 09 cm dist.ância en~re os dois sensores = 10 cm dis~ância de miopia = 52 cm ângulo da faixa de a~uação do sensor = 50 graus Sob cer~os aspect.os. o simulador é uma simplificação do mundo real. Por exemplo. os sensores no MINEIRIN es~ão propensos a ruidos e lei~uras incorre~as enquan~o no robô simulado eles es~ão isen~os de ~ais per~urbações

8 UFU RAIA LU o!ten9ores 0 ~ :0:;. _. AÇ1? DI WI ROa8 1I0VIL AUTOHOIIO INTn/8rN~;'A ~A_O : IIINI!IRIN ~mt.r CAAA~ ATNt,: ENCON'T'RAA Fig. 4 - Ambient.e simulado do robô VAOAR A det.ecção de obst.áculos é feit.a at.ravés do cálculo da int.erseção das ret.as que definem a área de at.uação dos sensores de ult.ra-som com as ret.as que definem cada obst.áculo, sendo que as paredes da sala simulada são t.idas como obst.áculos t.ambém. O objet.ivo a ser alcançado pelo robô, o recarregador de bat.erias, emit.e um sinal const.ant.e at.ravés de um t.ransmissor de infravermelho. O robô det.ect.a est.e sinal at.ravés do fot.o-t.ransmissor de infravermelho localizado na sua frent.e indicando ao sist.ema de cont.role que o mesmo est.á na direção do objet.i vo. O ângulo de abrangência dos raios de infravermelho t.ransmit.idos pelo recarregador de bat.erias foi est.abelecido em 16 graus. No robô, o fot.o-t.ransmissor de infravermel"ho est.á localizado no eixo longit.udinal à frent.e, ou seja, no pont.o Q significando que a direção dos raios de infravermelho t.ransmit.idos est.á no sent.ido P-Q. O comput.ador ut.ilizado foi um IBM-PC 386DX com clock de 33 MHz, monit.or EGA colorido e disco rigido de 30 Mbyt.es. Adot.ou-se o Turbo C da Borland para a programação valendo-se de sua port.abilidade e das facilidades e recursos por ele oferecidos dent.re os quais sua f'uncionalidade e recursos para manipulação gráf' i ca. Mesmo sendo um modelo consideravelment.e impreciso da realidade, o simulador se most.rou razoável na realização das t.arefas a ele submet.idas. Os result.ados se apresent.aram bast.ant.e próximos aos exibidos pelo MINEIRIN uma vez que os t.est.es realizados com o robô simulado f'oram os mesmos do robô real para efeit.o de comparação de result.ados. Foram adot.adas algumas simplificações par.a a execução dos t.est.es. O número máximo de passos em cada experiment.o f'oi limit.ado em O robô inicia cada experiment.o, sempre na mesma posição. A variação de descarga da bat.eria f'oi est,abelecida em 1.06 por passo o que é uma t.axa relat.ivament.e alt.a comparada à da realidade. Essas simplif'icações f'oram feit.as por várias razões. Queria-se obt.er resul t.ados significant.es num perio~~-- t.empo relat.ivament.e curt.o em vez de longos periodos de t.empo. Também, encont.rou-se que, em média, o objet.ivo era at.ingido em número menor de passos que o limit.e; sendo observado t.ambém qúe o número máxi mo de passos er a usado apenas quando o r obô não consegui a

9 a~ingir o obje~ivo. Foi observado, duran~e os ~es~es que com a dis~ãncia de "miopia" empregada 52 cm quando os obs~áculoses~avam próximos, o robô ~icava em si~uaç~es complicadas, ou seja, ele não conseguia se deslocar, pois em ~odas as direções um obs~áculo era de~ec~ado. A essa si~uação convencionou-se chamar de situaç~o de singulariadade, ~ambém observada quando o robô se encon~ra num can~o do ambien~e com obs~áculo por per~o. Uma soluça0 encon~rada para ~al si~uaç~o ~oi a diminuiç~o da dis~ãncia de miopia para 22 cm. Essa si~uaç~o n~o ~oi veri~icada nos ~es~es com o robô real, o que leva mais uma vez à comprovaçao da necessidade da depuraç~ó. A seguir é apresen~ado um dos ~es~es realizados o qual ~oi uma ~en~a~iva de reproduzir o ~es~e realizado com o robô real. A si~uação considerada para o experimen~o é idên~ica à que ~oi considerada para o robô MINEIRIN e a conclusão a que se chega é que, ~al qual o robô real, o robô simulado sempre se a~as~a de obs~áculos que represen~am perigo iminen~e de colisão como prioridade de compor~amen~o, permanecendo a uma dis~ãncia segura do perigo. Como em ~odos os experimen~os realizados, o robô inicia na pos~ção SL sob o comando da camada VAGAR. Quando o bi~ FRACO é a~ivado, indicando que as ba~erias do robô es~ão descarregadas, a camada ENCONTRAR ~oma o con~role, sendo apenas subs~i~uida pela camada de ni vel mai s el evado, a camada EVI T AR, quando houver obs~áculos a serem evi~ados. O compor~amen~o ENCONTRAR leva o robô a procurar uma direção que a~ive o bi~ OBJETIVO. Na ~ig. 5 o bi~ OBJETIVO é a~ivado na posição Si. Nessa si~uação, a çamada ENCONTRAR diz ao robô que ele es~á na direção do recarregador de ba~erias que, no caso, é o obje~ivo e que ele deve seguir em linha re~a. Na posição Sz, os sensores de ul~ra-som de~ec~am a presença de um obs~ácul o, mas como o bi ~ FRACO e o bi ~ OBJETI VO es~ão a~ivos, a condição de aplicabilidade da camada EVITAR não se ~orna verdadeira e o obs~áculo não é evi~ado. En~ão o robô segue em linha re~a a~é a~ingir o obje~ivo, posição Sr, ~ qual ~oi alcançado em 275 passos. A ~ig. 6 mos~ra a a~uaçao das ~rês camadas de con~role u~ilizando a dis~ãncia de miopia menor. D D..\... '. '5,,' L,,"". \.,~::.....::..., Fig. 5 - Exemplo de execução de um experimen~o

10 D.: Fig. 6 - Atuaçao '" das três camadas de controle usando a distância de miopia menor. Foram realizados um conjunto de 20 testes em cada experimento e observou-se que o rob6 atingiu o objetivo em 95% dos casos com uma média de 291 passos. Destes, em apenas 5% dos casos o rob6 atingiu o número máximo de passos do experimento e não conseguiu atingir o objetivo. 5 - Conclus~es Neste trabalho descreveu-se o desenvovimento de um simulador que inclui a depuração completa das camadas produtoras de atividades em um rob6 móvel aut6nomo inteligente. Fundamentou-se na necessidade sentida durante a implementação de um rob6 fisico e comprovou-se tal necessidade na implementação do mesmo, bem com durante a execução dos testes, onde ficou comprovada a eficácia do mesmo ao detectar falhas que no projeto r eal não apar ecem cl ar amente (p. e. si t uação de si ngul ar i dade e necessidade de diminuir a distância de miopia). ~ / REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 01 BROOKS, Rodney A. Intelligence without representation. Artificial intelligence, Amsterdam, v.47, n. 1-3, Jan MAHADEVAN, S., CONNELL, J. Automatic programming of behaviorbased robots using reinforcement learning. Artificial Intelligence, Amsterdam, v. 55, REZENDE, M. F. Desenvol vi mento de um rob6 móvel aut6nomo.'0 inteligente utilizando ~ arquitetura de assunçao. Uberlândia: UFU, Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - CETEC, Universidade Federal de Uberlândia, LEITE, A. Depuraç~o Qara Qrojeto ~ adiç~o de novas camadas Qrodutoras de ati vidades em rob6s móveis aut6nomos inteligentes. Uberlândia: UFU, Dissertação (Mestrado em Engenhar i a El étr i ca) CETEC, Uni ver si dade Feder ai de Uberlândia, ALVES, J. B. M. Controle de rob6. Campinas: Cartgraf,