2.1 Calibração. 2.2 Identificação e Rastreamento

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1 CONSTRUINDO ROBÔS AUTÔNOMOS PARA PARTIDAS DE FUTEBOL: O TIME GUARANÁ Aa Helea Real Costa LTI-PCS-EPUSP Av. Prof. Lucao Gualerto, 158 Travessa3 CEP São Paulo SP Reê Pegoraro DCo-UNESP Rua Luz Edmudo Carrjo Coue S/N CEP Bauru SP Resumo Futeol de roôs tem sdo adotado teracoalmete como um rolema adrão, uma vez que osslta a avalação de váras teoras, algortmos, arquteturas e desemehos, ode uma grade varedade de tecologas odem ser tegradas e aalsadas, rocado desevolvmetos lgados à Itelgêca Artfcal e Roótca Itelgete. Este artgo descreve ossa eerêca a costrução de tme de futeol de roôs, focado esecalmete os algortmos usados a mlemetação do software do tme GUARANÁ, um dos reresetates do Brasl as cometções da FIRA 98 - Federato of Iteratoal Root-soccer Assocato. Icalmete aresetamos o sstema de vsão, comosto or uma fase relmar de calração e uma fase de detfcação e rastreameto em temo real dos ojetos de teresse: roôs e ola. A segur, descrevemos o módulo resosável ela decsão da estratéga de jogo, que se utlza das formações forecdas elo sstema de vsão e cohecmetos sore o domío (futeol) ara determar as ações que os roôs devem eecutar, eressas em dreção e velocdade de avegação. Falmete, a lataforma de hardware utlzado é aresetada de forma sucta. Nas cometções da FIRA 98, realzadas a Fraça, o tme GUARANÁ teve um ótmo desemeho, coqustado o vce-cameoato a categora MIROSOT - MIcro-ROot SOccer Touramet. Palavras Chaves: Vsão Comutacoal, Itelgêca Artfcal, Roótca, Futeol de Roôs. Artgo Sumetdo em 03/03/1999 1a. Revsão em 14/06/1999; 2a. Revsão em 27/04/2000 Aceto so recomedação do Ed. Cosultor Prof. Dr. Rcardo Taschet Astract: Rootc soccer has ee adoted as a stadard rolem so that varous theores, algorthms, models, erformace, ad archtectures ca e evaluated ad a wde rage of techologes eeds to e tegrated, romotg oth rootcs ad AI research. Ths aer descres our eerece these asects, rovdg detaled descrto of the software modules adoted the costructo of the GUARANÁ rootsoccer team, oe of the Brazla teams at FIRA 98 Games - Federato of Iteratoal Root-soccer Assocato. Frst we descre the vso laer, comosed of a off-le calrato hase ad a o-le real-tme detfcato ad trackg hase. The, the strategc laer s detaled, whch s ased o the formato assed from the vso laer ad the stored formato aout the soccer doma. It decdes the root actos to e eecuted, gve terms of veloct ad avgato drecto. Fall, we gve a overall descrto of the hardware archtecture used. At FIRA 98 Games, held Pars, Frace, The GUARANÁ team erformed well, ad wo the worldwde vce-chamosh the MIROSOT categor (Mcro-Root Soccer Touramet). Kewords: Comutatoal Vso, Artfcal Itellgece, Rootcs, Rootc Soccer. 1 INTRODUÇÃO Futeol de roôs é uma catva teracoal voltada à esqusa e educação, vsado romover desevolvmetos lgados às áreas de Itelgêca Artfcal e Roótca Itelgete (Ktao et al, 1997). Através da adoção deste rolema adrão - futeol de roôs - ode-se fazer a avalação de váras teoras, algortmos, desemehos e arquteturas, ode uma grade varedade de tecologas odem ser tegradas e aalsadas. Uma das vatages oferecdas ela adoção de um rolema adrão é que a avalação do rogresso de uma esqusa ode ser claramete defda e acomahada. O domío de futeol de roôs é dâmco e mrevsível, resultado um domío astate comleo, que ege o uso de sstemas com alto grau de autooma atuado em malha fechada e em temo real ara solucoá-lo. Dversos tócos esecífcos de esqusa são oferecdos or este domío, cludo, etre outros: () comleta tegração etre erceção, ação e cogção um tme de múltlos agetes roótcos; () defção de um cojuto de comortametos reatvos roustos ara cada agete, sto é, cada agete deve ser caaz de realzar tato ações dvduas quato colaoratvas; SBA Cotrole & Automação Vol. 11 o. 03 / Set., Out., Nov., Dezemro de

2 () erceção em temo real, rousta e cofável, cludo rastreameto de múltlos ojetos em movmeto. vsão comutacoal Uma das categoras estetes de futeol de roôs é a MIROSOT - MIcro-ROot SOccer Touramet, romovda ela FIRA. Esta categora é dsutada etre dos tmes, cada um comosto or três roôs de dmesões mámas de 7.5 cm 7.5 cm 7.5 cm, um camo verde retagular de madera de 130 cm 90 cm. Uma câmera stalada a uma altura míma de 2 metros acma do camo catura mages do jogo, que são trasmtdas a um comutador (off-oard) resosável or um cclo de cotrole em defdo: rmeramete, as mages são terretadas, recohecedo ola e jogadores; a segur, são decddas tátcas e estratégas de jogos e as ações o domío são defdas em termos de comados de movmeto evados aos roôs, va comucação sem fo ( mages testes mages calração (off-le) dados de referêca detfcação e localzação dos roôs e ola a magem (o-le) detfcação, osção e oretação dos roôs e ola a magem teração humaa Fgura 1). Cada tme é detfcado or etquetas colordas de 3.5 cm 3.5 cm colocadas sore os roôs, sedo que um tme deve ossur etquetas amarelas e outro, azus. A ola utlzada é uma ola de golf laraja. detfcação, osção e oretação estmadas dos roôs e da ola geração de estmatvas comados detfcação, osção e oretação estmadas dos roôs e da ola últmos comados evados comados estmatva futura (estratéga) osção alvo ara roôs do tme defção da ação comados Fgura 1 - Camo e cofguração ara MIROSOT (etraída de Este artgo tem or faldade descrever a arqutetura geral de software do tme GUARANÁ de futeol de roôs, comosta ascamete elos módulos de erceção vsual em temo real (vsão comutacoal), estmatva futura de movmetação, estratéga de jogo, determação e comucação dos comados a serem evados ao motores dos roôs, coforme aresetado a Fgura 2. A rcal flosofa or ós adotada a costrução do osso tme fo a de usar o mímo de sofstcação de modo a costrur um tme de roôs tão tegrado e rousto quato ossível. Nas cometções da FIRA 98, realzadas a Fraça em 1998, o tme GUARANÁ teve um ótmo desemeho, coqustado o vcecameoato a categora Mrosot. O artgo está orgazado do segute modo: a Seção 2 descreve o módulo de vsão comutacoal, ode cada ojeto de teresse é recohecdo e localzado o camo, em temo real. Na Seção 3 é descrto o rocesso de estmatva da movmetação de algus ojetos de teresse, formação esta que é trasmtda ao módulo resosável ela defção da estratéga de jogo e decsão dos comados a serem trasmtdos aos roôs, descrto a Seção 4. O rotocolo e a forma de comucação etre o módulo de estratégas e os roôs são descrtos a Seção 5. Iformações referetes às lataformas de hardware e software adotadas a mlemetação do tme são descrtas a Seção 6. Falmete, a Seção 7 areseta ossas coclusões. Fgura 2 Módulos e fluo de dados do tme Guaraá. 2 VISÃO COMPUTACIONAL EM TEMPO REAL O recohecmeto dos ojetos de teresse o camo - jogadores e ola - é aseado as cores da magem caturada ela câmera, sedo que um cojuto de els adjacetes de cor laraja detfca a ola; de cor azul, os roôs de um tme e de cor amarela, os roôs de outro tme. Para comletar a detfcação, localzação e determação da oretação dos roôs do tme GUARANÁ, além da etqueta da cor do tme, egda elas regras, uma seguda etqueta de cor rosa fo utlzada, amas margeadas or uma moldura reta, coforme aresetado a Fgura 3. A cor rosa fo escolhda or ão ser uma das cores reservadas a categora MIROSOT (verde escuro, raca, reta, laraja, amarela e azul) e or aresetar razoável searaldade o esaço de cores restates. 3,5 cm 1,3 cm Cor do tme 7,5 cm T rosa (oretação) reto (searação) Fgura 3 - Etqueta de detfcação dos roôs. 142 SBA Cotrole & Automação Vol. 11 o. 03 / Set., Out., Nov., Dezemro de 2000

3 A faldade da orda reta usada as etquetas dos roôs do tme GUARANÁ (Fgura 3) é a de evtar que duas etquetas de uma mesma cor, orém colocadas em dos roôs dsttos que estejam em cotato, ossam ser detfcadas como um úco elemeto, evtado um desejado alhameto acdetal. O cclo total de cotrole do sstema fo defdo ela taa de aqusção de mages, que, o tme GUARANÁ, é de 30 quadros or segudo, ou seja, um quadro a cada 33 ms. Assm, em eríodos de 33 ms uma ova magem refletdo o estado atual do camo tora-se dsoível ao comutador ara rocessameto. O módulo de vsão comutacoal ossu uma fase cal (offle) de calração, eecutada revamete ao íco da artda. Durate a artda (fase o-le), a vsão detfca, localza e rastrea a ola e os jogadores o camo. 2.1 Calração Nos 20 mutos que atecedem o íco de uma artda, as eques devem rearar os tmes, stalado equametos e calrado o módulo de vsão comutacoal. Nesta fase de calração, a vsão comutacoal é rearada ara adatar-se à lumação do amete, recohecer cores, localzar ojetos, relacoar o esaço-magem (els) com o esaço-camo (cetímetros), defr cores do tme e do adversáro, detfcar camos de ataque e de defesa, etc. Duas destas tarefas são de etrema mortâca e serão detalhadas a segur: defção dos valores lmtes ara classfcação das cores e costrução de um modelo do camo vazo Classfcação das cores A defção dos valores lmtes ara a classfcação das cores utlzadas o jogo - azul, amarela, rosa e laraja - é feta através de teração dreta com um oerador humao. Numa terface aresetada ao oerador, deve-se calmete selecoar qual cor será calrada. A segur, mages do camo são cotuamete aresetadas, ode a cor de teresse deve ser selecoada elo oerador através do mouse. Para cada seleção, ou seja, ara cada el dcado elo mouse, são calculadas as relações R/G e G/B do valor RGB do el. Esses valores são mostrados em duas faas corresodetes, aao da magem do camo, ara acomahameto vsual elo oerador. Aós dversas seleções, os lmtes sueror e feror das relações R/G e G/B são estaelecdos como valores lmtes ara serem usados a classfcação da cor calrada. Este rocesso deve ser reetdo ara cada cor de teresse. Para maor roustez a classfcação, os elemetos cotedo a cor que estver sedo calrada devem ser dsostos em dferetes osções o camo, ara que os valores calculados refltam a ão homogeedade ormalmete estete a lumação. O oerador deve reetr a calração - ou redefr lmtes - caso oserve suerosção dos lmtes de acetação ara dferetes cores Camo Vazo modelo do camo vazo tamém é realzada a fase de calração do sstema. São adqurdas N mages do camo vazo, a um tervalo T etre as aqusções, ara melhor refletr as osclações de lumosdade devdas tato à lumação ão homogêea quato aos ajustes automátcos de algumas câmaras utlzadas. No tme GUARANÁ, os valores de N e T foram defdos emrcamete como 5 mages e 1 segudo, resectvamete. Para determar a magem modelo do camo vazo, calcula-se a méda etre as N mages: (, ) =, ) = 1 N Durate uma artda, ara acelerar o rocessameto de mages, é realzada uma fase relmar de sutração da magem atual do camo com uma magem modelo do camo vazo - sem jogadores e sem a ola. Esta sutração é realzada somete as adas R e G da magem. A defção da magem SBA Cotrole & Automação Vol. 11 o. 03 / Set., Out., Nov., Dezemro de N ( ; =,...,f; ode (, ) =,...,f (1) é o valor do el a coordeada (, ) da magem modelo do camo vazo; (, ) é o valor do el a coordeada (, ) da -ésma magem do camo vazo; N é o úmero de mages cosderadas; (, ), (f, f) são as coordeadas sueror esquerda e feror dreta que defem os lmtes do camo a magem, refletdo a área de teresse a magem. Esses lmtes deedem da fação da câmera em relação ao camo, a qual deve ser feta de forma que todo o camo ossa ser vsualzado a magem e que logtudalmete o camo esteja alhado com o eo horzotal da magem. A artr da magem modelo, calcula-se os desvos dos valores dos els em relação às outras N mages, defdo lmtes de varação em R e G: LR = ma( r( (, )) r( (, )) ); = 1... N; =... ; =... = 1... N; =... ; =... f LG = ma( g( (, )) g( (, )) ); f ode LR, LG são os lmtes dos comoetes vermelho e verde da magem, resectvamete, que serão utlzados a sutração das mages, durate a fase o-le do sstema; r(), g() são os comoetes vermelho e verde do el, resectvamete; (, ) é o valor do el a coordeada (, ) da magem modelo do camo vazo; (, ) é o valor do el a coordeada (, ) da -ésma magem do camo vazo; (, ), (f, f) são as coordeadas sueror esquerda e feror dreta que defem os lmtes do camo a magem; N é o úmero de mages cosderadas. 2.2 Idetfcação e Rastreameto Para evar um comado a um determado roô, o comutador cetral deve ser caaz de detfcar este roô, além de determar sua osção, oretação e velocdade atual. No etato, o tme GUARANÁ, as etquetas são dêtcas e, ortato, ão odem ser utlzadas ara dstgur um determado roô dos outros memros do tme. Desta forma, é ecessáro o uso de um rocesso de rastreameto dos roôs, a artr de uma detfcação realzada or um oerador humao o íco do jogo. f f (2)

4 2.2.1 Sutração cal de mages Quado uma magem é caturada, gera-se calmete a magem dfereça d (, ) da sutração desta magem atual a (, ) com a magem modelo do camo vazo (, ) r( d g( d (, )) = (, )) = =,...,f; r( (, )) r( g( (, )) g( =,...,f a (, )); a (, )); : ode d (, ) é o módulo da dfereça do valor do el a coordeada (, ) da magem atual com a magem modelo do camo vazo; a (, ) é o valor do el a coordeada (, ) da magem atual últma magem caturada; (, ) é o valor do el a coordeada (, ) da magem modelo do camo vazo; r(), g() são os comoetes vermelho e verde, resectvamete, do el ; (, ), (f, f) são as coordeadas sueror esquerda e feror dreta que defem os lmtes do camo a magem. Se r() > LR e g() > LG, o el corresoderá a elemetos de teresse a magem ou a ruídos. Na magem dfereça são determados cojutos de els coectados de valores smlares. A medda de smlardade é defda elos valores lmtes das relações R/G e G/B das cores de teresse (veja em 2.1.1), determadas a fase de calração Determação do Cetróde Pels adjacetes coectados com cores smlares são cosderados comoetes de um mesmo elemeto, desde que o úmero de els coectados esteja a faa de lmares revamete estaelecdos a fase de calração do sstema (em fução do tamaho do elemeto aquela resectva cor, da resolução da magem e da osção da câmera). Os que estverem fora dos lmares são cosderados ruídos e são desrezados. Para localzar estes elemetos a magem, a coordeada (, ) do cetróde (cetro de massa) de cada elemeto é calculada (Ha et al, 1996): = = 1 e C, orém muto mas ráda. 144 SBA Cotrole & Automação Vol. 11 o. 03 / Set., Out., Nov., Dezemro de 2000 (3) = = 1 (4) ode (, ) são as coordeadas dos els e é úmero de els rómos que comõem o elemeto Rastreameto Quado uma artda é cada, cada roô é detfcado or um oerador humao. A artr deste state, a detfcação se dá or termédo de um algortmo de rastreameto, que usa um método de otmzação eaustva ara ecotrar a solução de mímo custo do segute sstema: s(, j, r) = d(e tme (), e oret (j)) + d(e tme (), e at (r)); (5) sujeto a: l tme e tme () ls tme ; l oret e oret (j) ls oret ; 0cm d(e tme (),e at (r)) 14cm; 4cm d(e tme (),e oret (j)) 7cm. Na eressão ateror r = 1, 2, 3 é o úmero do roô cosderado; = 1, 2,..., é úmero de um dos elemetos da cor do tme ecotrado a magem; j = 1, 2,..., m é úmero de um dos m elemetos da cor rosa a magem que defem oretação; s(, j, r) é a fução ojetvo a ser mmzada; d(e 1, e 2 ) é a dstâca cartesaa etre os elemetos e 1 e e 2 o sstema de coordeadas (em cm); e tme () é o cetróde do - ésmo elemeto com a cor do tme; e oret (j) é o cetróde do j- ésmo elemeto de oretação etqueta de cor rosa; e at (r) é o cetróde do elemeto da cor do tme do r-ésmo roô detfcado a magem ateror; e tme () é o úmero de els o -ésmo elemeto da cor do tme; e oret (j) é o úmero de els o j-ésmo elemeto de oretação (cor rosa); l tme e ls tme são os lmtes feror e sueror de úmero de els, que defem a faa válda do tamaho do elemeto (etqueta) da cor do tme. l oret e ls oret são os lmtes feror e sueror de úmero de els, que defem a faa válda do tamaho do elemeto (etqueta) de oretação (cor rosa). Os três otos de mímo (comação de, j e r que resultam os três meores valores da fução s) ecotrados através deste sstema reresetam o relacoameto da etqueta da cor do tme detfcado or com a etqueta de oretação (rosa) detfcada or j, referetes ao roô r. Os valores de l tme, ls tme, l oret e ls oret mudam de acordo com o tamaho da etqueta, da resolução da magem usada e da osção da câmara e receeram 60, 80, 20 e 30, resectvamete. Esses valores foram otdos ela varação oservada eermetalmete durate algumas sessões de teste. O úmero de els eserados ara a etqueta do tme, cosderado a área da etqueta de 3,5*5 cm 2 e a área aromada de cada el o camo de 0,25 cm 2, é: 3,5 * 5 = 70 els 0,25 Já ara a etqueta rosa ode a área é aromadamete 1,3*5 cm 2, o úmero eserado é: 1,3 * 5 = 26 els 0,25 O sstema utlzado tem se mostrado astate efcaz a rátca. Não se oservou erdas ou trocas de detfcação o rastreameto dos roôs em stuações ormas de jogo. 2.3 Oretação e Posção A oretação do roô é defda elo âgulo α meddo do eo do camo até o vetor (c, c t ), com c =(, ) sedo o cetróde rosa e c t =( t, t ), o cetróde da cor do tme t, coforme Fgura t α = tg (6) t Para as dmesões das etquetas usadas elo roô e a resolução da magem usada, fo oservado um desvo mámo de ±10 graus. Esse desvo fo meddo eermetalmete comarado 1 Na mlemetação, or motvos de desemeho, usamos uma taela de tagetes (look u tale), ode o ídce é uma comosção do e teros. O valor armazeado corresode a âgulos etre 0 e 359. Utlzado esta taela mlemetamos uma fução smlar ao ata2 do

5 o resultado aresetado elo sstema de vsão e o valor real meddo a oretação do roô. facldades tato a catura das mages do camo vazo quato a detfcação das faas váldas ara as cores. rodas t Fgura 4 - Oretação do roô a artr das etquetas A osção (, ) de cada roô do tme resulta da méda oderada das osções dos cetródes da etqueta do tme e da etqueta rosa: c + c 1 t 2 = e c1 + c2 c c 1 α + c + c 2 1 t 2 = (7) ode ( t, t ) são as coordeadas do cetróde do elemeto da cor do tme; (, ) são as coordeadas da cetróde do elemeto rosa e c 1 e c 2 são fatores deedetes do tamaho das etquetas. Nesta mlemetação usou-se c 1 =3 e c 2 =1, uma vez que a largura da etqueta do tme é aromadamete três vezes maor que a largura da etqueta rosa de oretação. A osção dos roôs adversáros e da ola são defdos elas coordeadas dos cetródes dos elemetos das cores do tme adversáro e da ola, resectvamete, Suas oretações são ferdas ela dreção do movmeto, dada ela dfereça de coordeadas etre a osção dos elemetos a magem atual e a ateror, uma vez que ão este outra formação dsoível sore os adversáros. 2.4 Sstema de coordeadas Aós detfcar cada ojeto a magem, o sstema de coordeadas da magem (em els) é trasformado em sstema cartesao do camo (com udades de 0.5cm), como mostrado a Fgura 5. Todas as fórmulas serão aresetadas cosderado o camo de defesa o lado esquerdo do camo (orgem de ). camo de defesa : gol 300 Fgura 5 Sstema de coordeadas gloas otdas do sstema de coordeadas da câmera. O módulo de vsão mlemetado é astate rádo (7ms or quadro) e efcaz, ermtdo algumas varações as codções de lumação e as cores do camo, etquetas e ola. A fase de calração, as codções ormas de jogo, é semre ráda e smles de ser eecutada graças à terface amgável etre homem-máqua desevolvda. Esta terface osslta MÓDULO DE ESTIMATIVA Os roôs e a ola estão em costate movmeto e odem alcaçar altas velocdades (da ordem de 2m/s). Desta forma, a últma magem caturada ão rereseta, devdo aos atrasos decorretes do rocessameto, a stuação dos ojetos o state futuro em que os roôs receerão os comados, sto é, um comado c é evado ara o roô r aseado a stuação (osção, oretação e velocdade) de todos ojetos (roôs e ola) oservados a magem o state t. Etre os states t e t, quado o roô efetvamete eecuta o comado c, este um eríodo de atraso t. Este eríodo t é decorrete de dversos fatores, tas como: aqusção e dgtalzação da magem, rocessameto, taa de trasmssão e eecução dos comados elos roôs. Para que o comado c ossa ser calculado e eecutado corretamete é ecessáro que o sstema cosga estmar a stuação futura dos ojetos o camo em t. As osções, oretações e velocdades estmadas da ola e dos adversáros são etraídas das mages atual e ateror, assumdo velocdade costate. As estmatvas referetes aos roôs do tme são calculadas a artr da stuação atual e dos últmos comados evados, de acordo com o segute modelo: s r t ' = fr ( sr, ct, ct 1,..., ct ) (8) t ode sr t ' é a stuação estmada, aós um atraso t; sr t é a stuação o state t; r=1, 2, 3 é o roô cosderado; ct, ct 1,..., ct são os +1 últmos comados cosderados e f r ( ) é uma fução ajustada emrcamete. 4 MÓDULO DE ESTRATÉGIA Costuma-se dzer que cada raslero é um técco de futeol. Porém, qualquer essoa que já teha jogado futeol sae que um tme melhor rearado fscamete ormalmete vece um outro com meor rearo, mesmo que este últmo teha uma técca muto melhor. Acredtado que as eerêcas o futeol tradcoal são váldas tamém ara os roôs, formulou-se algumas regras estratégas áscas que foram segudas: Se o adversáro for mas rádo, defeda-se melhor ara sofrer um úmero meor de gols. Se o adversáro for mas leto, ataque mas. Certamete estrá temo ara recuar os atacates ara a defesa. O módulo de estratéga defe, ara cada roô, uma osção alvo - osção a ser atgda o camo - e resectvas velocdade e oretação assocadas ara que estes dados ossam ser traduzdos em termos de velocdades e setdo de rotação dos motores que comadam as rodas dos roôs. A defção da osção alvo deede do estado do jogo e dos comortametos assocados a cada roô. 4.1 Comortametos Foram utlzados três comortametos estratégcos rcas, que cada roô ode assumr de acordo com sua osção: golero, defesor e atacate. Um roô fo é desgado ara ser o golero, devedo semre se mater este comortameto. Já SBA Cotrole & Automação Vol. 11 o. 03 / Set., Out., Nov., Dezemro de

6 os outros dos roôs alteram de comortameto, deededo do estado do jogo; o etato, semre um deles é o defesor e outro, atacate - atualmete, ão ocorre o caso de ter dos atacates ou dos defesores Golero Bascamete, o comortameto do golero está descrto o dagrama de trasções de estados da Fgura 6, o qual cosste de três estados: estado A gol - oscoar golero o cetro do gol sore a lha defesva; estado B gol - oscoar golero a terseção da dreção da ola com a lha defesva do gol e estado C gol - oscoar golero alhado à coordeada da ola a lha defesva 2. A Fgura 6 rereseta o comortameto as dversas stuações de jogo, semre cosderado a osção da ola. Golero o cetro do gol A gol Golero alhado com C gol 1 Golero a osção estmada da ola B gol Fgura 6 Dagrama de trasções de estados do golero As trasções reresetadas a Fgura 6 ocorrem segudo as segutes codções: Trasção 1: < d1 e < 0 Trasção 2: < d2 e 0 Trasção 3: d2 ode (, ) coordeada da ola; deslocameto da ola os últmos 33ms ( > 0, dca ola se drgdo ao camo do adversáro); d 1 lmte estratégco a artr do qual o roô golero ode chegar à osção estmada da ola ara efetuar a defesa, valor utlzado: 40cm; d 2 lmte estratégco a artr do qual se cosdera que ão estr ergo mete, valor utlzado: 70cm. 2 ermaecer ara ão sar da área em vadr o gol (lha defesva). Nos três estados (A gol, B gol e C gol ) a ascssa do roô é semre gol. Já a ordeada os estados B gol e C gol é calculada, mas semre resetado os lmtes do gol, ela eressão (10). g m t ers (10) g ma ode g m e g ma são os lmtes feror e sueror do gol, defdos elas dmesões do camo e do gol. Para que o roô golero ossa se oscoar mas radamete, ele como qualquer outro roô, ode se deslocar gualmete ara frete e ara trás, matedo ortato semre sua oretação em 90 o ou 270 o em relação ao eo do camo (Fgura 7). gma roô (oretação: 90 ) gm lha defesva Defesor (largura do roô) / 2 = gol oto de terseção ( ters ) osções cas Fgura 7 Comortameto do golero A osção alvo do defesor stua-se a coordeada da ola, em uma faa de defesa dstacada de 30cm a 60cm do gol, loqueado a ola ara med-la de chegar ao gol ou ostrudo um ossível chute do adversáro. Porém, ele sa do camho da ola ara ermtr que o atacate do mesmo tme leve a ola ara loge da área de defesa. Quado o defesor e a ola estão em uma stuação favorável com reseto ao gol adversáro, ocorre uma ermuta de comortametos do defesor com o do atacate, smlfcado e aglzado uma stuação de ataque ao gol adversáro. As stuações favoráves acotecem quado o defesor é o roô mas rómo à ola e, além dsso, que ele se ecotre a área de trasção, como mostrado a Fgura 8. O estado B gol é o mas mortate - é ele que efetua as defesas. Nesse estado, o roô é colocado a lha de defesva (coordeada gol ) e ters (estmatva de terseção da lha de dreção da ola e da lha gol ). O ters é calculado ela equação 9. =.( gol t ers (9) ) área área de trasção golero adversáro sedo (, ) a coordeada da ola; (, ) os deslocametos da ola em e, oservados os últmos 33ms (últmos dos quadros); gol a lha ode o roô golero deve 2 Todas as coordeadas seguem semre o sstema de coordeadas aresetado em SBA Cotrole & Automação Vol. 11 o. 03 / Set., Out., Nov., Dezemro de 2000 Fgura 8 Área de trasção Para que ocorra a ermuta, o defesor deve ter oretação voltada ao gol adversáro e estar oscoado a área de trasção. A área de trasção é defda elos segmetos das retas que artem dos lmtes da aertura do gol, cruzado o cetro da ola e com etesão defda or área = 20cm, da

7 ola em dreção oosta ao gol adversáro, coforme mostra do a Fgura 8. A medda área = 20cm é emírca e aseada as dmesões do camo e as velocdades dos roôs e ola Atacate O atacate ode estar em dos estados dsttos: modo de oscoameto (E atac ), quado o alvo g é colocado atrás da ola uma osção que ermta a codução da ola ao gol adversáro ou o loqueo da ola emurrada or um atacate adversáro - desta forma, este oscoameto serve tamém ara fortalecer a defesa; modo de codução (D atac ), quado o roô se desloca e corrge sua trajetóra alterado o alvo g ara coduzr a ola de forma a alcaçar o gol adversáro. A Fgura 9 mostra os estados ossíves ara o defesor e o atacate. meddo a aromação da ola 4* A def levado a ola em dreção ao gol adversáro D atac 2 1 C def 1 lera o camho ara o atacate levar a ola ao ataque B def meddo que o adversáro chute a ola 4* oscoado o roô atrás da ola E atac Defesor Atacate Fgura 9 Dagrama de trasções de estado do comortameto do defesor e do atacate As trasções eumeradas a Fgura 9 ocorrem segudo: Trasção 1: d 1 > d Trasção 2: + d 1 < d Trasção 3: a < < d e a < d 2 e d < d 2 Trasção 4*: d < d 3 e g m ( + d ).( ) g ma ( ) d * - troca etre o comortameto do atacate e do defesor Trasção 5: a < d 3 e g m Trasção 6: a > d 4 ( + a ).( g ma ( ) a g g ) sedo (, ) a coordeada da ola; ( a, a ) a coordeada do roô atacate; ( d, d ) a coordeada do roô defesor; d 1, d 2, d 3, d 4 os valores determados emrcamete (4, 20, 4, 8 cm, resectvamete); e g m os lmtes feror e sueror g ma do gol (Fgura 7) e g a coordeada da lha de gol do camo adversáro. 4.2 Evtado Ostáculos Devdo à atureza etremamete dâmca do domío futeol de roôs, a tarefa de evtar ostáculos e, cosequetemete, evtar colsões, tora-se muto mortate, uma vez que reduz o úmero de faltas cometdas cotra jogadores adversáros e aumeta a ossldade de alcaçar a ola quado loqueada or outros jogadores. Aós a defção da osção alvo elo módulo de estratéga, o sstema teta evtar colsões or meo de um laejameto de camhos etre os ostáculos. Icalmete calcula-se a trajetóra do roô r da osção atual s até a osção alvo g, utlzado uma reta R sg. Se a trajetóra de um ostáculo o cruzar R sg (Fgura 10a), calcula-se um alvo termedáro g ara o roô r, como mostrado a Fgura 10, levado-se em cosderação o oto P ode as trajetóras de o e r se tercetaram e a osção atual do roô (veja tem 4.3). Nesse rocesso, a velocdade e dreção do ostáculo defem o oto de terseção P e o temo ara a colsão t c. Se t c é meor que o temo t g que o roô r levara ara alcaçar o alvo g (sto é, 0 < t c < t g ) etão um alvo termedáro g é defdo 3. g é localzado a uma dstâca d do ostáculo o, eredcularmete a R sg, cosderado o camho s-g -g mas curto. A dstâca d é defda emrcamete. As ordas do camo tamém mõem restrções à escolha do camho s- g -g mas curto, uma vez que o roô tamém deve evtar colsões com as ordas. Como em Veloso et al (1997) este rocesso de evtar colsões é teratvo, sedo alcado a um ostáculo or vez aquele que estver mas rómo do roô r. Se o ostáculo o estver muto rómo do roô r, o alvo termedáro g escolhdo ada oderá resultar em colsão. (a) r s o trajetóra P g () Fgura 10 - Evtado Ostáculos 4.3 Iterseção de trajetóras O oto de terseção P = (, ) é defdo como o oto ode a trajetóra do roô r cruza a trajetóra do ojeto o (alvo ou ostáculo). Uma aromação é usada este cálculo, utlzado o úmero de quadros que decorre do state atual até r e o se tercetarem em e o úmero de quadros até r e o se tercetarem em, que são: r o = e o r r s o g r o =, (11) o r ode ( r, r ) são as coordeadas do roô; ( o, o ) são as coordeadas do ojeto e r, r, o e o são os deslocametos do ojeto e do roô, dados ela dfereça etre g 3 t c e t g, reresetam o úmero de quadros de magem até a terseção das trajetóras. SBA Cotrole & Automação Vol. 11 o. 03 / Set., Out., Nov., Dezemro de

8 a osção otda da magem atual e a osção otda da magem ateror. Se < 0 ou < 0, ão este oto de terseção. Quado as velocdades de r e o são costates, e são guas e reresetam o úmero de quadros de magem até a terseção. Esta mesma forma de cálculo é tamém utlzada o modo de oscoameto do atacate (estado E atac, Fgura 9), orém, este caso, como o roô ode ada ão ter a trajetóra desejada (o alvo fo recetemete alterado ela estratéga), e odem ser dferetes. Neste caso o úmero de quadros até a terseção é calculado or: = m(, ). Quado as trajetóras real e a desejada ara levar o roô até o alvo ão cocdem, e são dferetes e corresode a um úmero meor que o úmero real de quadros até a terseção; etretato, à medda que as trajetóras real e desejada se aromam, e covergem ara o mesmo valor. O oto de terseção (, ) é calculado como segue: + =. + (12) =. o o e o o 5 MÓDULO DE DEFINIÇÃO E COMUNICAÇÃO DOS COMANDOS Este módulo é resosável or calcular o rómo comado que melhor se ajusta às stuações atuas do roô (osção, oretação e velocdade) de forma a levá-lo à stuação alvo dcada ela estratéga. O comado escolhdo leva em cosderação as característcas mecâcas dos roôs do tme, ão as ecededo. Em ossa mlemetação cosderamos que: O roô ão ode acelerar (ou frear) ruscamete, ara evtar derraages; O roô deve resetar velocdades lmtes quado estver em curvas, evtado tomameto e derraages lateras. Para efetuar tas oerações foram cradas taelas com valores lmtes que a artr da velocdade atual dcam as rómas velocdades admssíves (lmtes sueror e feror) e o âgulo mámo acetável de curva ara o roô. O sstema de comucação que trasmte os comados do comutador aos roôs é comosto or um trasmssor e três recetores utlzado a freqüêca de 72,830MHz. Eles foram adatados de recetores de rádo de cotrole remoto de servomotores ara trasmssão de sas dgtas, com uma taa de 1200s, usado codfcação FSK Machester (Gozza et al 1986). O trasmssor eva mesages ara todos roôs segudo o segute rotocolo: 2 ts de scrosmo, 2 ts de reâmulo, 8 ts ara o roô 1, 8 ts ara o roô 2, 8 ts ara o roô 3 e 4 ts de verfcação (check-sum), totalzado uma alavra de 32 ts or trasmssão. Preâmulo Verfcação Sc. Roô 1 Roô 2 Roô 3 Fgura 11 Protocolo de comucação Os 8 ts evados ara cada roô são dvddos em 4 ts ara cada motor esquerdo e dreto, mostrados a Fgura 12. Nesta fgura, D é a dreção de gro do motor (frete / trás) e V são os três ts ara codfcar dferetes velocdades. De Ve Ve Ve Dd Vd Vd Vd motor esquerdo motor dreto Fgura 12 Palavra de cotrole evada ara cada roô Durate o desevolvmeto do tme, outros tos de comados foram testados. Para smlfcar a alteração destes tos, durate o eríodo de teste, as mesages aos roôs cluem um reâmulo que ermte a alteração, a qualquer state, do formato do comado e da mesagem utlzada. Os outros tos de comados ão serão dscutdos aqu, os foram utlzados aeas o eríodo de desevolvmeto. 6 PLATAFORMAS UTILIZADAS O software do tme GUARANÁ é cetralzado e fo eecutado em um PC Petum II 233 MHz, usado Wdows 95. Na mlemetação utlzamos C e, em algumas rotas do módulo de vsão, lguagem de motagem. As mages são caturadas or uma câmara de vídeo colorda JVC com saída em S-VHS e são dgtalzadas or uma laca PCI da PelVew PV-Bt-848. A magem dgtalzada usa uma resolução de els e 24 ts de quatzação em RGB. O rocessameto da magem utlza como terface o Vdeo for Wdows da Mcrosoft - VfW (Mcrosoft, 1993). O uso do VfW forece versatldade e comatldade, já que osslta aqusção de mages dgtas orudas de qualquer laca dgtalzadora comatível, desde que seja caaz de oerar em elo meos 30 quadros or segudo com 24 ts RGB. Os roôs usam equeos motores DC Mauch retrados de máquas de calcular eletromecâcas. Cada um desses motores aresetam torque de 20gf.ol com 5V. Um estágo úco de redução é usado ara cada motagem motor/roda, com uma redução de 5:1. Em cada roda este um retculado reflevo estamado, de ode um sesor fravermelho detecta formações de rotação que realmetam a udade de cotrole ermtdo a regulagem da velocdade. Os roôs odem desevolver uma velocdade máma de aromadamete 1m/s. A udade de cotrole é comosta de um mcrocotrolador (Atmel 89C5021), eecutado em 14,75MHz de clock. O mcrocotrolador cotrola a tesão os motores através de duas otes H s comletas lgadas aos os de E/S, ermtdo o cotrole de velocdade e dreção or PWM (ulse wdth modulato). O recetor dos roôs é adatado de um recetor de rádo cotrole remoto de servo Futaa. O sal recedo é evado ao mcrocotrolador que é resosável ela recueração do scrosmo e ela demodulação do FSK Machester. A Fgura 13 mostra o dagrama de locos da eletrôca emarcada de cada roô, cludo recetor, mcrocotrolador, tacômetro e motores assocados às rodas. mecâca roda esquerda odometra acoameto motor rado mcrocotrolador odometra acoameto motor mecâca roda dreta Fgura 13 Dagrama de locos da eletrôca emarcada 148 SBA Cotrole & Automação Vol. 11 o. 03 / Set., Out., Nov., Dezemro de 2000

9 Os coros dos roôs foram costruídos com lacas de eofra de vdro e caos de lástco PVC de ½ olegada. A otêca elétrca é forecda or 4 lhas de NCd forecedo 800mA.h em 4.8V. Cada roô ossu um tamo de core, que atua como uma atea recetora (Fgura 14). Devdo à relatva alta otêca de trasmssão (100 mw) e aos recetores altamete sesíves, a faa de comucação do rádo alcaça mas de 50 metros. A Fgura 14 areseta fotos dos roôs. Cotrolador Bateras Rodas Motores Recetor Fgura 14 Detalhes de motagem do roô (vsta sueror e feror) 7 CONCLUSÃO Atea A rcal flosofa or ós adotada esta costrução fo a de usar o mímo de sofstcação de modo a adqurr um tme de roôs tão tegrado e rousto quato ossível. Os otos fortes do tme Guaraá são suas tátcas smles e efcetes e o sstema de vsão comutacoal: smles, rousto às varações ametas de lumação e de fácl ajuste. Acredtamos que o om desemeho do tme é roveete do razoável equlíro deste sstema e de uma oa tegração etre os módulos costtutes. O cotrole do roô tem se mostrado mrecso, uma vez que ão fo cosegudo um ajuste efcaz etre os comados evados elo software da estratéga e cotrole com as reações do hardware dos roôs. Assm o cotrole ode ser um oto ara grades melhoras. O uso de motores equeos, rodas e coro de lástco resultou um roô leve, rousto e de ao custo. O equeo eso do roô areseta, or um lado, vatages devdo ao ao cosumo e à alta caacdade de aceleração; or outro lado, tem sua velocdade alterada em choques com a ola e é faclmete emurrado elos adversáros. Portato, ara torar o sstema mas comettvo, os roôs deveram torar-se mas esados e fortes, com maor torque e maor velocdade. Os roôs Coreaos, cameões em 1998 em tal cometção, esam aromadamete 700g e atgem velocdades de 2m/s. Leoardo Scardua, Roerto Barra, Rcardo Domeecc, Máro A. N. Sols - a eles, ossos agradecmetos. Gostaríamos ada de eterar ossa gratdão ao Prof. Atôo Marcos de Agurra Massola, Dretor da Escola Poltécca da Uversdade de São Paulo - EPUSP, ao Prof. Geraldo Lo de Camos, Chefe do Deartameto de Egehara de Comutação e Sstemas Dgtas da EPUSP e ao Prof. Eduardo M. Morgado, Chefe do Deartameto de Comutação da UNESP de Bauru elo aoo recedo. Nossa artcação o MIROSOT da FIRA'98 fo atrocada ela Escola Poltécca da Uversdade de São Paulo. Reê Pegoraro é arcalmete facado ela CAPES/PICD Aa Helea Real Costa cota atualmete com o aoo arcal da FAPESP, Proc. FAPESP N. 98 / REFERÊNCIAS Gozza, W. F.; Araújo, J. F. M.; Moura, J. A. B. & Sauvé, J. P. (1986). Redes Locas de Comutadores: Tecologa e Alcações. Mc Graw-Hll, São Paulo, Brasl. Ha, W.-G.; Baek, S.-M. ad Kuc T.-Y (1996). Path Plag of Vsual-Servoed Multle Mole Roots usg the Geetc Algorthms. Proceedgs of Mcro-Root World Cu Soccer Touramet, Km, S. H.; Km, J. K.; Cho, J. C. ad Km, B. K. (1996). Develomet of Cooerato Sstem for Root Soccer Team. Proceedgs of Mcro-Root World Cu Soccer Touramet, Ktao, H.; Kuosh, Y.; Noda, I.; Asada, M.; Matsuara, H. ad Osawa, H. (1997). RooCu: A Challege Prolem for AI. AI Magaze 18(1), Mcrosoft Vdeo for Wdows Documetato (1993). ft://ft.mcrosoft.com/develoer/drg/multmeda/jum start/vfw11e/dk/vfwdk. Veloso, M; Stoe, P.; Ha, K ad Achm, S (1998). The CMUted-97 Small Root Team. I H. Ktao (Ed.), RooCu-97 - Root Soccer World Cu I. Srger Verlag, Berl. AGRADECIMENTOS Gostaríamos de agradecer esecalmete ao Prof. Gudo Stolf (PEE/EPUSP) elo rojeto e costrução dos roôs e sstema de comucação, além da recosa colaoração em dversas fases do rojeto e as cometções. Dversos docetes, esqusadores e aluos de graduação e ós-graduação são co-resosáves elo sucesso do tme GUARANÁ: Prof. Jame S. Schma (PCS/EPUSP), Prof. Humerto Ferasol Flho (DCo/UNESP- Bauru), Prof. Fele Pat (PEE/EPUSP), Prof. Tse Chug Kag (PEE/EPUSP), Prof. Marcelo N. Frach (FEE/UNESP- Bauru), Realdo A. C. Bach, Bruo A. Basseto, Reato Mko Nakagom, Ferado L. Goulart, Gudo M. Chagas, Júlo Motero, Rcardo Matsushma Teera, Rcardo Perera, SBA Cotrole & Automação Vol. 11 o. 03 / Set., Out., Nov., Dezemro de