RACmotion Controlo da Trajectória de um Robô Omnidireccional para a RoboCup SSL

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1 UNIVERSIDADE DE COIMBRA FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES RACmotion Controlo da Trajectória de um Robô Omnidireccional para a RoboCup SSL Autores João Rodrigues Sérgio Brandão Coimbra Portugal 2005

2 UNIVERSIDADE DE COIMBRA FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES RACmotion Controlo da Trajectória de um Robô Omnidireccional para a RoboCup SSL Autores João Rodrigues Sérgio Brandão Orientadores Eng.º Rui Rocha Prof. Doutor Jorge Dias Relatório de Projecto apresentado no âmbito do curso de Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, ramo de Automação e Robótica, no Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Coimbra Portugal 2005

3 Tudo o que uma pessoa pode imaginar, outras podem tornar real. (Júlio Verne, ) RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 1 de 119

4 Agradecimentos Este espaço é dedicado àqueles que deram a sua contribuição para que este projecto fosse realizado. A todos eles deixamos aqui o nosso sincero agradecimento. Em primeiro lugar queremos agradecer ao Eng. Rui Rocha pela forma como orientou o nosso projecto. As notas dominantes da sua orientação, a utilidade das suas recomendações e a cordialidade com que sempre nos recebeu foram fundamentais para a realização deste projecto. Estamos gratos pela sua ajuda e também pela liberdade de acção que nos permitiu, a qual foi decisiva para que o mesmo contribuísse para o nosso desenvolvimento pessoal. Em segundo lugar, queremos agradecer ao Prof. Doutor Jorge Dias pela disponibilidade concedida, pelas dicas oportunas e por todo o incentivo prestado ao longo do desenvolvimento deste projecto. Gostaríamos ainda de agradecer ao Eng. Jorge Lobo, pela cooperação prestada e pela orientação sempre fundamental concedida no laboratório, que se mostrou elementar para o progresso do trabalho que nos propusemos a realizar. Deixamos também aqui uma palavra de agradecimento aos elementos da RAC, pela forma como nos ajudaram e por nos terem transmitido algum conhecimento e interesse pelo desenvolvimento do nosso projecto. São também dignos de uma nota de apreço os nossos colegas de curso que nos ajudaram na força e no espírito de trabalho, que nos acompanharam sempre nos trabalhos da RAC. A todos eles o nosso obrigado. RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 2 de 119

5 Resumo Este projecto tem como principal objectivo o desenvolvimento de um sistema de controlo para o movimento de um robô omnidireccional. O controlador a desenvolver será utilizado nos robôs da RAC Robótica Académica de Coimbra (equipa de futebol robótico do DEEC) que irá participar em competições oficiais da RoboCup SSL (Small Size League). Contudo, outros trabalhos foram desenvolvidos e implementados de modo a melhorar e complementar os objectivos da RAC. O RACmotion foi um projecto ambicioso no que diz respeito à inserção do Futebol Robótico no DEEC. Para que este Projecto alcançasse os seus objectivos, foi necessário planear, implementar, desenvolver e inovar! Este relatório de projecto descreve toda a arquitectura da RAC ligada ao controlo do movimento do robô. São abordados tópicos de inteligência artificial, visão computacional, robótica, simulação, comunicação, processamento distribuído e engenharia de software. Este relatório de projecto introduz ao leitor o mundo do Futebol Robótico, analisando o estado da arte e a situação em Portugal num contexto mundial. Os problemas referentes ao futebol robótico são também introduzidos. É apresentada a arquitectura do sistema, especificando todos os seus módulos e abordando as suas principais características. A implementação e desenvolvimento de algumas aplicações são relatadas em detalhe, inclusive com algumas descrições de algoritmos e fórmulas utilizadas. Este documento relata todas as fases do Projecto RACmotion, desde o projecto de engenharia à implementação e construção do robô. Os testes e resultados são também analisados permitindo assim tirar diversas conclusões e perspectivas de desenvolvimento. RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 3 de 119

6 Índice AGRADECIMENTOS...2 RESUMO...3 ÍNDICE...4 ÍNDICE DE FIGURAS...7 ÍNDICE DE TABELAS...9 INTRODUÇÃO FUTEBOL ROBÓTICO PROBLEMAS EMERGENTES AO FUTEBOL ROBÓTICO RACMOTION ARQUITECTURA DE CONTROLO DA RAC ESTRUTURA DO ROBÔ HARDWARE MODELO CINEMÁTICO O SIMULADOR RACBOT CALIBRAÇÃO SISTEMA DE CONTROLO TESTES E RESULTADOS...94 CONCLUSÃO REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA ANEXO DIÁRIO AS BEIRAS 21 MARÇO DIÁRIO AS BEIRAS 1 MAIO DIÁRIO DE COIMBRA 1 MAIO ANEXO ARTIGO ROBÓTICA2005 OMNIDIRECTIONAL DRIVE MODELLING AND ROBOT CONSTRUCTION ANEXO CÓDIGOFONTE DAS APLICAÇÕESDESENVOLVIDAS ANOTAÇÕES RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 4 de 119

7 Sumário AGRADECIMENTOS...2 RESUMO...3 ÍNDICE...4 ÍNDICE DE FIGURAS...7 ÍNDICE DE TABELAS...9 INTRODUÇÃO FUTEBOL ROBÓTICO Histórico sobre Futebol Robótico Organizações Internacionais Fira RoboCup Ligas de Competição RAC Robótica Académica de Coimbra Futebol Robótico em Portugal Estado da Arte PROBLEMAS EMERGENTES AO FUTEBOL ROBÓTICO Inteligência Artificial Visão Computacional Visão Global Visão Local Tolerância a Falhas Engenharia de Software Processamento Distribuído RACMOTION Objectivos Motivação Promoção e Divulgação ARQUITECTURA DE CONTROLO DA RAC Descrição Aplicação em Robôs com Diferentes Níveis de Autonomia Ferramentas de Desenvolvimento Divisão de Tarefas de Desenvolvimento ESTRUTURA DO ROBÔ Plataforma Evolução Protótipo HARDWARE PC/ Comunicação Motores e Caixas de Desmultiplicação Baterias MODELO CINEMÁTICO Modelo Cinemático RACbot Cinemática Inversa Cinemática Directa Modelos alternativos O SIMULADOR RACBOT Motivação MATLAB Simulink Implementação Diagrama de Controlo Visualização Testes e Resultados...52 RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 5 de 119

8 Conclusões CALIBRAÇÃO Motivação Assumpções Procedimento de Calibração Testes em Simulação Conclusões SISTEMA DE CONTROLO Sistema Operativo Características Pretendidas Analise de Candidatos Sistema Operativo de Desenvolvimento e Teste Sistema Operativo da Plataforma Processo de Arranque do Sistema Sistema de Comunicações Protocolo IEEE b Protocolo TCP/IP Protocolo de Comunicação RACprotocol Driver do Dispositivo Wireless Configuração da Rede Sem Fios Funções de I/O na Placa MESA 4i Características do Firmware softdmc Calibração do Controlador PID Implementação do softdmc Loader Controlador de Movimento Arquitectura do Controlador TESTES E RESULTADOS Competições e Eventos Testes e Ensaios Arranque e Movimento do Robô Execução de Trajectórias Procedimento de Calibração Controlo de Disparo e Carga do Kicker Conclusões Perspectivas de Desenvolvimento Futuro CONCLUSÃO REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA ANEXO DIÁRIO AS BEIRAS 21 MARÇO DIÁRIO AS BEIRAS 1 MAIO DIÁRIO DE COIMBRA 1 MAIO ANEXO ARTIGO ROBÓTICA2005 OMNIDIRECTIONAL DRIVE MODELLING AND ROBOT CONSTRUCTION ANEXO CÓDIGOFONTE DAS APLICAÇÕESDESENVOLVIDAS ANOTAÇÕES RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 6 de 119

9 Índice de figuras Figura RoboCup 2004 Lisboa Figura FIRA Cup 2004 Corea Figura ASIMO Honda, RoboCup 2003 Pádua Figura RoboCup 2004 Lisboa Figura Ligas de Competição, RoboCup 2004 Lisboa...15 Figura RAC - Robótica Académica de Coimbra Figura Festival Nacional de Robótica Figura RoboCup SSL (Small Size League)...17 Figura 2.1 Robocup: Sony Legged Robot League e Humanoid League Figura Sistema computacional de IA utilizado na Robocup99 para SSL Figura Marcações coloridas utilizadas pela RAC...19 Figura Sistema computacional de IA utilizado na Robocup99 para SSL...20 Figura Sistema de Visão Local utilizado em diversos robôs destinados ao Futebol Robótico Figura Sessão de palestras do Atelier Robótica...25 Figura Atelier laboratorial, demonstração RAC Figura Páginas WEB do Atelier e projecto RACmotion Figura Diagrama global da arquitectura de controlo Figura Diagrama de sequência para a actualização de WM...28 Figura Diagrama da arquitectura do agente robótico...28 Figura Exemplo de diagrama de sequência para as acções ao nível táctico do robô...29 Figura Exemplo de diagrama de sequência para a execução de uma acção básica...29 Figura Exemplos de informação e de acções de controlo...29 Figura Estrutura do RACbot Figura Plataforma em alumínio do RACbot...33 Figura Fixação do PC na plataforma base do RACbot...33 Figura Fixação do disco FUJITSU na plataforma base do RACbot...33 Figura Chapa de apoio de ligações ao RACbot...34 Figura Extensão de ligação à fonte de alimentação da bancada Figura Inserção das baterias no RACbot Figura Rodas omnidireccionais adoptadas no RACbot Figura Roda plástica e roda acrílica Figura Montagem do protótipo da RAC Figura Protótipo RACbot Figura Módulos do PC/104 no RACbot...38 Figura Placa M570 da SECO para PC/ Figura Placa de programação I/O 4I65 da MESA para PC/ Figura Placa H-Bridge de 4 canais para ligação à placa 4I Figura Fonte de Alimentação V104 da TRI-M para PC/ Figura Adaptador Compact Flash IDE CFADPT-CS da MESA para PC/ Figura Adaptador Wireless USB da Edimax EW-7117U Figura Micro-motor DC de 12V série SR da Faulhaber...41 Figura Caixa de desmultiplicação para motores série SR da Faulhaber...42 Figura Packs de baterias utilizadas no protótipo RACbot...42 Figura Modelo Cinemático do RACbot Figura Desfasamento da roda...44 Figura Diversos tipos de robôs utilizados em Futebol Robótico...46 Figura MATLAB - Simulink Figura Fase de implementação do Simulador RACbot Figura Diagrama de Controlo do Simulador RACbot...49 Figura Simulação da trajectória do robô, set-point [ , , , , ]...50 Figura Velocidade dos três motores segundo o set-point anterior...50 Figura Variação dos parâmetros v x, v y e segundo o set-point anterior Figura Orientação do robô ao longo do tempo segundo o set-point anterior...51 Figura Animação vectorial efectuada pelo Simulador RACbot...52 Figura Animação efectuada ao Simulador RACbot...52 Figura Rotação do referencial do robô em Figura Rotação do referencial do robô em utilizada na simulação...53 Figura Simulação do movimento do robô, set-point [ , , , ] Figura Simulação do movimento do robô, set-point [ , , , , ]...54 Figura Simulação do movimento do robô, set-point [ , , , ]...55 Figura Variação dos parâmetros v x, v y e bem como a variação das velocidades dos três motores Figura Desfasamento da roda...57 Figura Dependência entre desfasamentos em relação a uma determinada trajectória...58 Figura Alterações efectuadas no simulador para simular o processo de calibração...59 Figura Procedimento de calibração utilizando o simulador RACbot Figura Sistema de desenvolvimento e teste Figura Router wireless b...69 Figura Sobreposição de canais no protocolo b...71 Figura Nível inferior da arquitectura de controlo da RAC...74 Figura Configuração da rede sem fios Figura MESA 4i Figura Interface gráfica de calibração DMCtune...83 Figura Fase de arranque no sistema de desenvolvimento...84 Figura Arquitectura geral da aplicação de controlo...86 Figura Diagrama de actividade da aplicação global...87 RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 7 de 119

10 Figura Diagrama de actividade do processo Figura Diagrama de actividade do processo Figura Diagrama de actividade do controlo por comandos de velocidade...91 Figura Diagrama de actividade do sistema de polling dos dados da câmara...91 Figura Diagrama de actividade do controlo de trajectórias...92 Figura Diagrama de actividade do controlador de rotação...93 Figura Diagrama de actividade do controlador de carga do kicker...93 Figura Robótica Figura Testes de movimento efectuados ao robô (varias direcções num raio de 1.2m)...95 Figura Posição final do robô após a introdução do set-point C [ ]...96 Figura Testes de movimento efectuados ao robô para os set-points H e L (v med=1m/s)...96 Figura Testes de movimento efectuados ao robô para os set-points B e C (v med=1m/s) Figura Frente de ataque do robô...98 Figura Execução de trajectórias Figura Execução de trajectórias Figura Trajectória utilizada nos testes efectuados ao robô...99 Figura Trajectória efectuada pelo robô RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 8 de 119

11 Índice de tabelas Tabela Ferramentas de sistema presentes em initrd...66 Tabela Pilha protocolar da plataforma RAC Tabela Canais e a sua disponibilidade em vários países Tabela Cabeçalho de um pacote IPv Tabela Cabeçalho de um pacote TCP Tabela Estrutura da mensagem Tabela Mensagem OpenSess Tabela Mensagem SessQuit Tabela Condições de erro da mensagem SessQuit...76 Tabela Mensagem GiveState Tabela Mensagem SetVelocity Tabela Mensagem KickBall Tabela Mensagem Setdribbling Tabela Mensagem Halt Tabela Mensagem SetTrajectory Tabela Mensagem SetParms Tabela Mensagem Position Tabela Mensagem State Tabela Mensagem GivePosition Tabela Funções implementadas para o carregador Linux...85 Tabela Classificação dos comandos de controlo...89 Tabela Influencia dos comandos nos controladores...89 Tabela Conjunto de pontos utilizados no ensaio do movimento do robô...95 Tabela Cálculo da média das distancias das varias amostras aos pontos B e C...97 Tabela Conjunto de pontos utilizados no ensaio de uma trajectória do robô...99 RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 9 de 119

12 Introdução O Futebol Robótico é um desafio para a Inteligência Artificial e Robótica em geral. No mundo inteiro, o Futebol Robótico exerce um fascínio inexplicável sobre as pessoas. Um jogo de Futebol Robótico pode ser visto como uma plataforma para incentivar o desenvolvimento tecnológico e o desenvolvimento de conceitos científicos de diversas áreas do conhecimento humano. Para que uma equipa de robôs efectivamente realize uma partida de futebol, diversas tecnologias e áreas do saber devem ser desenvolvidas e integradas, como a Robótica, Inteligência Artificial, Visão Computacional, Sistema de Comunicação e Processamento em Tempo Real, entre outras. Assim, um jogo de Futebol Robótico constitui uma tentativa de estimular o desenvolvimento da Robótica Inteligente, fornecendo um sistema dinâmico complexo, onde uma ampla gama de tecnologias pode ser integrada e testada. O presente Projecto é intitulado RACmotion, um Projecto que tem como principal objectivo o controlo da trajectória do movimento de um robô omnidireccional. O controlador a desenvolver será utilizado nos robôs da RAC - Robótica Académica de Coimbra (equipa de futebol robótico do DEEC) - que irá participar em competições oficiais da RoboCup SSL (Small-Size League). O capítulo 1 apresenta o Futebol Robótico, descreve-o como um problema padronizado e analisa o Estado da Arte. No capítulo 2 é introduzido todo um conjunto de problemas emergentes ao Futebol Robótico. O RACmotion é introduzido no capítulo 3, onde são definidos os seus objectivos, bem como, as suas motivações, promoções e divulgações. A arquitectura do sistema é descrita no capítulo 4. Segue-se o capítulo 5 que descreve a plataforma do robô adoptada pela equipa da RAC, explicando a sua evolução e alguns detalhes do seu desenvolvimento. O capítulo 6 aborda questões de hardware, bem como, alguns componentes usados no robô. O capítulo 7 introduz os modelos cinemáticos adoptados. De seguida, é apresentado no capítulo 8 o desenvolvimento do Simulador RACbot, explicando o seu funcionamento e alguns dos seus objectivos, alguns testes e conclusões também são descritos. A questão da calibração do robô é abordada no capítulo 9. A implementação do Sistema de Controlo é descrita no capítulo 10. Finalmente, o capítulo 11 apresenta testes feitos ao sistema, relatando alguns resultados obtidos. O relatório é finalizado com a apresentação das conclusões. Os anexos são ilustrados no final. RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 10 de 119

13 1. Futebol Robótico Esta secção introduz o universo do Futebol Robótico. Primeiro, é apresentado o histórico sobre o tema. A seguir, são identificadas as principais entidades mundiais que o organizam e promovem. Posteriormente, é feita uma análise sobre o Futebol Robótico em Portugal, identificando algumas das principais equipas, universidades, organizações e eventos existentes no país. Finalmente, o capítulo termina com uma análise do estado da arte Histórico sobre Futebol Robótico A ideia de robôs jogarem futebol foi mencionada, pela primeira vez, num artigo de 1992, intitulado On Seeing Robots [MACKWORTH, 1993]. Neste artigo, o investigador descreve o uso do Futebol Robótico para testar um sistema de visão robótica e desenvolver algoritmos de planeamento de trajectórias e controlo de movimento. Nos três anos seguintes, a ideia foi-se popularizando e amadurecendo no meio académico. Em 1995, um grupo de investigadores japoneses da Osaka University [OSAKA] e do Sony Computer Science Lab [SONYCSLAB], propõem utilizar o futebol robótico como novo problema-padrão para a pesquisa na Inteligência Artificial e na Robótica. O anúncio é feito num artigo, RoboCup: The Robot World Cup Initiative [KITANO, 1995], publicado na International Joint Conference on Artificial Intelligence (IJCAI) de A IJCAI [IJCAI] é uma das principais conferências internacionais para investigadores de Inteligência Artificial, que tem vindo a ser realizada a cada dois anos desde Simultaneamente, o professor coreano Jong-Hwan Kim, do Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) [KAIST], propõe a realização do Micro-Robot World Cup Soccer Tournament. Finalmente, em 1996, foram realizados os primeiros campeonatos internacionais, na Corea e no Japão. Desde então, equipas de futebol robótico surgiram em inúmeras universidades e centros de investigação em todo o mundo. Actualmente, existem duas grandes federações que organizam e promovem o Futebol Robótico: The RoboCup Federation (RoboCup) [ROBOCUP] e Federation of International Robot-Soccer Association (FIRA) [FIRA]. Os seus objectivos são promover a pesquisa e o desenvolvimento da inteligência artificial, robótica, visão computacional e muitas outras áreas do conhecimento humano através do Futebol Robótico. Figura RoboCup 2004 Lisboa. Para atingir esse objectivo, tanto a FIRA como a RoboCup promovem, anualmente, competições internacionais. Cada federação possui as suas próprias regras e categorias. Os robôs podem variar em número, tamanho e forma. Algumas categorias incluem também robôs humanóides bípedes. O campo de jogo e a bola podem ter tamanhos diferentes. De um modo geral, um jogo de futebol robótico funciona da seguinte forma: deve existir um sistema de inteligência artificial para controlar os robôs; a equipa também precisa de um sistema de visão para percepcionar o que está a ocorrer durante o jogo; finalmente, existem os robôs propriamente ditos, que executam as acções determinadas pelo controlador. RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 11 de 119

14 A forma como estas três tarefas básicas podem ser desenvolvidas abrange uma ampla gama de tópicos de pesquisa. Por exemplo, a Inteligência Artificial pode ser implementada utilizando Algoritmos Genéticos, Redes Neurais ou Agentes Inteligentes [RUSSEL, 1995]. O Processamento de Imagens, por sua vez, pode ser realizado através de diferentes métodos [GONZALEZ, 2002], tanto num sistema de visão global, com a câmara colocada sobre o campo, como num sistema local, onde cada robô possui a sua própria câmara. Finalmente, a concepção e construção dos robôs [VELOSO, 2000] envolve um conhecimento substancial de Electrónica e Mecânica. Uma equipa de futebol robótico avançada desenvolve investigação em diversas áreas, além daquelas que temos vindo a mencionar, nomeadamente no sistema eléctrico dos robôs. O futebol de robótico pode então ser visto como uma plataforma de pesquisa e desenvolvimento em diversas áreas, especialmente pela comunidade académica Organizações Internacionais A RoboCup e a FIRA são as duas maiores organizações internacionais que promovem o Futebol Robótico. Estas federações realizam anualmente campeonatos mundiais, acompanhados de congressos com publicações de artigos técnicos. De seguida a FIRA e RoboCup são apresentadas, analisando os seus objectivos e dando uma visão geral sobre as suas categorias e regras de competição Fira FIRA é a sigla de Federation of International Robot-soccer Association. Esta organização foi estabelecida em 5 de Junho de O seu objectivo é levar o espírito da ciência e da tecnologia ao público em geral e à nova geração através do jogo de futebol robótico. Nas palavras do idealizador e criador da FIRA, o professor Jong-Hwan Kim, o futebol robótico pode ser visto como uma competição de tecnologia robótica avançada, dentro de um espaço restrito. Ela oferece uma área desafiante para a nova geração e para investigadores que trabalham com sistemas de robôs móveis autónomos. Espera-se que, através destes eventos, se possa compreender melhor os conceitos científicos e os avanços tecnológicos envolvidos. Os resultados das pesquisas desenvolvidas, irão ajudar certamente a humanidade de diversas formas. Figura FIRA Cup 2004 Corea. A FIRA possui seis categorias, descritas a seguir. Maiores detalhes sobre as regras de cada categoria podem ser encontrados em [FIRA]. HuroSot: Humanoid Robot World Cup Soccer Tournament. Utiliza robôs humanóides com duas pernas. O tamanho máximo dos robôs é de 150 cm, pesando até 30 Kg. KheperaSot: o jogo é disputado por duas equipas com apenas 1 robô cada. O robô é totalmente autónomo, com sistema de visão local. O robô utilizado nesta categoria é o Khepera [KTEAM], produzido por uma empresa suíça. A bola utilizada no jogo é uma bola de ténis amarela. O tamanho do campo é de 130 cm x 90 cm. MiroSot: Micro Robot World Cup Soccer Tournament. Nesta categoria, a partida é disputada por duas equipas, cada uma composta por três robôs, sendo que um deles pode ser o guarda- RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 12 de 119

15 redes. É permitido o uso de apenas um computador para controlar os robôs de uma equipa. De acordo com as regras, o volume ocupado pelo robô não pode exceder um cubo de aresta igual a 7,5 cm. A bola utilizada na partida é uma bola de golfe laranja. O tamanho do campo é de 150 cm x 130 cm para a Small League e de 220 cm x 180 cm para a Middle League. NaroSot: a partida é disputada por duas equipas, cada uma composta por cinco robôs, podendo um deles ser o guarda-redes. É permitido apenas um computador para controlar cada equipa. O tamanho máximo de cada robô é de 4 cm x 4 cm x 5,5 cm. É utilizada uma bola de ping-pong laranja. O tamanho do campo é de 130 cm x 90 cm. RoboSot: nesta categoria, a partida é disputada por duas equipas, cada uma composta por um a três robôs. Um dos robôs pode ser o guarda-redes. Cada robô pode ser totalmente independente ou semi-autónomo. O tamanho máximo dos robôs é de 20 cm x 20 cm x 40 cm. A bola utilizada no jogo é uma bola de ténis amarela. O tamanho do campo é de 220 cm x 180 cm. SimuroSot: categoria de simulação de Futebol Robótico. Composta por um servidor que simula o ambiente do jogo de futebol (campo de jogo, robôs, bola, etc.) e por dois programas clientes com as estratégias de jogo de cada equipa. A partida é visualizada numa tela gráfica. As equipas podem criar as suas próprias estratégias e competir uns com os outros sem utilizar um hardware específico. Os jogos podem ser disputados por equipas de 5 ou 11 jogadores cada RoboCup A RoboCup é uma iniciativa internacional, promovida pela comunidade científica na área da Robótica, que procura servir-se do futebol para desenvolver actividades de investigação na área da Robótica Móvel Inteligente, bem como estimular o ensino da Robótica junto de jovens estudantes dos níveis de ensino secundário e superior. Organiza regularmente competições internacionais (campeonatos europeus e mundiais), promovendo assim a troca científica de ideias a nível mundial [RAC]. Figura ASIMO Honda, RoboCup 2003 Pádua. Para o desenvolvimento de uma equipa de futebol robótico é necessário um elevado conjunto de tecnologias. Desta forma, a investigação em futebol robótico e a competição internacional associada RoboCup atraíram a participação regular de algumas das melhores empresas, laboratórios de investigação e universidades mundiais, incluindo a Sony, Honda, SGI, Philips, GMD e as universidades de Carnegie Mellon, Cornell, Freiburg, Karlsruhe, UNSW, Tsinghua, entre outros. A RoboCup traz consigo um objectivo bastante ambicioso: defrontar em 2050 uma equipa de futebol humana. Trata-se de um objectivo difícil de atingir. Mas com a manifestação e desenvolvimento de pequenas iniciativas como a RAC, estamos a lutar por uma comunidade tecnológica cada vez maior, que leva a um acentuado crescimento do poder de inovação e da ciência. RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 13 de 119

16 Figura RoboCup 2004 Lisboa. A RoboCup possui três grandes ligas: RoboCupSoccer, RoboCupRescue e RoboCupJunior. A RoboCupRescue envolve a aplicação de robôs em situações práticas. Cada ano é lançado um desafio diferente, como por exemplo, o resgate de vítimas num cenário de destruição urbana causada por um terramoto. Já a liga RoboCupJunior foi criada para públicos jovens e envolve competições com robôs comerciais, que podem ser comprados prontos a usar. A RoboCupSoccer, por sua vez, possui cinco categorias diferentes, descritas a seguir. Maiores detalhes sobre as regras de cada categoria e das demais ligas pode ser encontrada em [ROBOCUP]. As categorias são: Simulation League: Futebol de Robôs simulados. Small Size Robot League (F-180): composta por duas equipas de até cinco robôs cada. Os robôs utilizados nesta categoria devem caber dentro de um cilindro de 18 cm de diâmetro e 22,5 cm de altura. Podem ser completamente autónomos, ou podem ser controlados por um computador central que utiliza uma rede de computadores para os controlar. O tamanho do campo é de 490 cm x 340 cm. É utilizada uma bola de golfe cor-de-laranja. Middle Size Robot League (F-2000): composta por duas equipas com o mínimo de 7 e, no máximo, 11 jogadores, sendo um deles o guarda-redes. O tamanho de cada robô é tal que a sua projecção no chão deve caber dentro de um quadrado de 50 cm de lado. O peso máximo de cada robô é de 40 kg. O tamanho do campo é de 1200 cm x 800 cm. Sony Legged Robot League: possui duas equipas, cada uma composta por 4 jogadores, incluindo o guarda-redes. Os robôs utilizados são os cãezinhos AIBO da Sony [AIBO]. O jogo é composto por dois tempos de 10 minutos cada. Humanoid League: são utilizados robôs humanóides ou antropomórficos compostos por duas pernas, dois braços, um tronco e uma cabeça. É utilizada uma bola de futebol oficial da Federação Internacional de Futebol Associação (FIFA). O tamanho dos robôs e do campo varia conforme as sub-categorias desta liga Ligas de Competição Conforme foi descrito anteriormente, o futebol robótico inclui diversas ligas que se dividem em dois tipos: ligas robóticas (robôs pequenos, médios, cães e humanóides) e a liga de simulação. Cada liga tem um conjunto próprio de desafios de investigação, com ênfase em determinados tópicos necessários para colocar uma equipa de robôs a disputar uma partida de futebol. A liga de robôs pequenos da RoboCup (Small Size League) é a liga que abrange o nosso projecto. Trata-se de uma liga que realça a dinâmica e a velocidade destes robôs devido à sua leve e compacta constituição. Para além de limitados no tamanho (diâmetro máximo de 18 cm e altura máxima de 22,5 cm) possuem também limitações na capacidade sensorial e de processamento, levando a comportarem-se como simples actuadores no sistema de jogo em si. Com regras estabelecidas para cumprir, esta liga caracteriza-se por gerar grande espectáculo entre os participantes e a competição em si, mas nunca esquecendo o seu valor cientifico. Para além de outras ligas de igual importância, que se conjugam entre si, como é o caso da liga de simulação, devemos realçar que os desafios no domínio do futebol robótico são muito superiores aos desafios colocados por alguns problemas standard da Inteligência Artificial, como o xadrez. No futebol robótico o mundo é dinâmico, parcialmente inacessível aos robôs virtuais, contínuo, não determinístico, multi-objectivo, parcialmente cooperativo e adverso. RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 14 de 119

17 Figura Ligas de Competição, RoboCup 2004 Lisboa. As diversas ligas da RoboCup foram projectadas de forma a contemplarem um conjunto elevado de complexidades, mantendo o custo e a dimensão do problema acessível aos grupos de investigação em Robótica e Inteligência Artificial. Os problemas de investigação colocados pela RoboCup, cobrem uma vasta área nos domínios da Robótica e IA. Incluem, entre outras, a coordenação, a cooperação e comunicação multi-agente, as arquitecturas de agentes inteligentes, a aprendizagem, o planeamento em tempo-real, a decisão estratégica e táctica, o comportamento reactivo, a visão, o processamento e análise de imagem, o controlo, os sistemas de locomoção, os sistemas sensoriais, a fusão sensorial em tempo-real, a navegação e o controlo robótico [RAC]. O desafio associado à RoboCup é estimulante do ponto de vista científico, colocando um vasto conjunto de problemas aos investigadores das diversas áreas científicas mas, simultaneamente, atraente para o público em geral e para os meios de comunicação social. O sucesso duma competição como a RoboCup reside fundamentalmente no desenvolvimento de metodologias de coordenação que lhes permitem trabalhar em conjunto de forma harmoniosa no sentido de atingir os seus dois objectivos principais: marcar golos na baliza adversária e evitar sofrer golos na sua baliza. A coordenação é desta forma uma das áreas de investigação essenciais no contexto da RoboCup e um factor crucial para o sucesso de uma equipa nas competições internacionais realizadas neste âmbito RAC Robótica Académica de Coimbra A RAC Robótica Académica de Coimbra é um projecto do Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores [DEEC] da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra [FCTUC], que envolve alunos, investigadores e docentes desta instituição. É apoiado pela FCT Fundação para a Ciência e Tecnologia [FCT], ao abrigo do projecto de investigação POSI/ROBO/43890/2002. Tem como objectivo principal formar e desenvolver uma equipa de futebol robótico dinâmica e competitiva, que possa representar o DEEC da FCTUC em competições da liga de robôs pequenos da RoboCup (SSL Small Size League) [RAC]. Figura RAC - Robótica Académica de Coimbra. RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 15 de 119

18 O sucesso dum projecto como a RAC traz sempre alguns benefícios para a instituição que abraça, bem como para o país em geral. Promovida por alunos, investigadores e docentes na área da Robótica, procura servir-se do futebol para desenvolver actividades de investigação na área da Robótica Móvel Inteligente, bem como estimular o ensino da Robótica junto de jovens estudantes Futebol Robótico em Portugal O Futebol Robótico é uma novidade no mundo inteiro. Muitas das investigações estão ainda em regime de iniciação e muitos avanços tecnológicos estarão para vir. Portugal não foge à regra e também possui equipas de Futebol Robótico, organizando todos os anos eventos que visam mostrar e apresentar algumas das tecnologias nesta área. Paralelamente à RoboCup, o Festival Nacional de Robótica é já um marco importante no nosso país. A primeira edição realizou-se em 2001 na cidade de Guimarães e, com o passar dos anos, tem vindo a ganhar destaque. Trata-se de um encontro anual de estudantes, professores e investigadores que visa o desenvolvimento da ciência e do conhecimento. Paralelamente à parte lúdica e competitiva, existe sempre um encontro cientifico, aberto a participantes e investigadores através da publicação de artigos. A Robótica é o tema principal, no entanto, a divulgação de outras áreas tem vindo a ser visível. A arte e o espectáculo são vividos com grande entusiasmo através dos seus participantes. A última edição, em 2005, decorreu em Coimbra, nas instalações do Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. A RAC, estando em fase de evolução e preparação para as competições, teve um contributo importante na realização e promoção do evento. O objectivo era estimular o gosto pela ciência e pela tecnologia junto das camadas jovens, através de um ambiente de competição e convívio. Figura Festival Nacional de Robótica São iniciativas que juntam centenas de estudantes e investigadores não só das principais universidades portuguesas com actividades na área da robótica, como também as escolas secundárias e profissionais de todo o país. Em 2004, foi também realizada a RoboCup em Lisboa, que é a mais importante competição internacional de Futebol Robótico. Portugal cresce assim nesta área tão importante que é a Robótica Estado da Arte A evolução do Estado da Arte em Futebol Robótico pode ser observada anualmente, durante os campeonatos mundiais da FIRA e da RoboCup. Ao fazer uma análise das competições, verifica-se que as equipas pioneiras, que participaram nos primeiros jogos, são bem menos sofisticadas que as equipas mais recentes, tanto em termos de software, como de hardware. Analisando as equipas que participaram nas primeiras edições dos campeonatos mundiais, constata-se que alguns dos primeiros robôs possuíam apenas mecanismos de locomoção. Não havia RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 16 de 119

19 mecanismos de domínio sobre a bola ou de chuto. Muitas vezes a estratégia da equipa era simplesmente amontoar os jogadores na área de defesa e empurrar a bola para o campo do adversário, marcando golo, se possível. De um modo geral, o funcionamento dessas primeiras equipas era: o sistema de reconhecimento de imagens enviava os dados referentes às posições dos robôs e da bola, para um programa que calculava todos os caminhos possíveis para essa configuração de jogo. Esses dados eram processadas num sistema central que, tomando decisões estratégicas determinava quais os movimentos a realizar pelos robôs. A comunicação com os robôs era realizada remotamente. Com o passar dos anos, os sistemas de visão computacional e a tomada de decisões estratégicas começaram a ser incorporados nos robôs, transformando-os em verdadeiros jogadores autónomos. As equipas mais recentes apresentam muitas inovações electromecânicas e estratégias de controlo bem mais sofisticadas e eficientes. Um bom exemplo é a equipa Big Red da Cornell University [CORNELL]. Esta equipa já foi várias vezes campeã na categoria de robôs pequenos (SSL Small Size League) da RoboCup. Os novos robôs desta equipa possuem um sistema de direcção construído com uma combinação de três pares de rodas e uma frente de ataque com maior abertura [D ANDREA, 2001]. Esse sistema proporciona uma grande liberdade de movimentos aos robôs, para além duma capacidade de aceleração superior. O mecanismo de chuto dos robôs da Big Red também representa um grande avanço do Estado da Arte. Esse novo mecanismo permite que o robô mantenha um domínio efectivo sobre a bola e, também, viabiliza a realização de passes eficientes. Graças a essas inovações de hardware, foi possível obter grandes avanços no software. As novas estratégias utilizam jogadores que cooperam entre si, realmente formando uma equipa, ao invés de simplesmente cada jogador chutar cegamente para marcar golo ou defender o seu campo. Assim, além de evitar colisões e encontrar caminhos, o sistema de estratégia passa a manipular a partida de tal forma a criar situações favoráveis para a vitória, através de dribles, passes e de posicionamento estratégico dos jogadores em campo. Novos sistemas que analisam o comportamento da equipa adversária para tentar antecipar as suas jogadas estão também a ser desenvolvidos. Figura RoboCup SSL (Small Size League). Finalmente, salienta-se que o objectivo das competições e, portanto, das equipas que participam delas, não é vencer o jogo, mas sim desenvolver ciência e tecnologia. Os artigos publicados durante os eventos promovidos pela FIRA e RoboCup servem como referência para que todas as equipas possam desfrutar dos avanços obtidos, ajudando a elevar o estado da arte em Futebol Robótico. Afinal, quem revela o segredo do seu sucesso, obriga-se a desenvolver algo ainda melhor para o próximo campeonato. Atitudes como a da equipa Big Red, que compartilha os seus conhecimentos e tecnologias, demonstram o espírito desportivo que existe por detrás do Futebol Robótico. RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 17 de 119

20 2. Problemas emergentes ao Futebol Robótico Os maiores avanços da Inteligência Artificial foram obtidos através da investigação em problemas padronizados. Os jogos, de um modo geral, constituem um bom domínio para a exploração da inteligência das máquinas. Talvez o melhor exemplo seja o jogo de Xadrez. Grandes nomes da computação, como Alan Turing e Charles Babbage, conceberam programas para jogar xadrez. Ou seja, a ideia de que computadores poderiam competir em jogos é tão antiga quanto os próprios computadores. Assim, a investigação em jogos levou à descoberta de diversos algoritmos de busca poderosos, que podem ser aplicados noutras áreas, além do jogo em si. No xadrez, por exemplo, podese aplicar o algoritmo minimax [RICH, 1988]. Este algoritmo gera uma árvore com os movimentos possíveis e busca maximizar a possibilidade de vitória, ao mesmo tempo que minimiza as hipóteses do adversário. Figura 2.1 Robocup: Sony Legged Robot League e Humanoid League. Os jogos são interessantes para a investigação da Inteligência Artificial porque possuem regras bem definidas, além de ser fácil medir o sucesso ou fracasso. Além disso, eles despertam um interesse muito grande. O Futebol Robótico, por sua vez, exerce um fascínio inexplicável sobre as pessoas, especialmente sobre o público jovem. Além de ser um desafio intelectual programar ou competir com a máquina, ainda existe a interacção física com os robôs. Ao contrário do xadrez e outros jogos em que os movimentos são realizados em jogadas, onde um jogador espera que o outro faça um movimento, o Futebol Robótico acontece em tempo real. Adicionalmente, por abranger o mundo físico real, incorpora toda a complexidade e problemas inerentes da realidade, sendo um sistema altamente dinâmico. Portanto, ruído, sincronismo, desgaste, imprecisão, falhas físicas, entre outros factores, fazem parte da equação. Consequentemente, muitos dos algoritmos desenvolvidos para jogos são inúteis no Futebol Robótico, apesar de serem extremamente eficientes para o xadrez e afins. Um jogo de Futebol Robótico possui regras bem definidas. Basicamente, utilizam-se as mesmas regras de um jogo de futebol com jogadores humanos, mas com algumas modificações referentes ao tamanho do campo, número de jogadores, duração do jogo, etc. E, assim como nos demais jogos utilizados em IA, é fácil medir o sucesso ou fracasso: ganha a equipa que marcar mais golos. Entretanto, ao contrário de jogos que constituem apenas uma tarefa abstracta, o Futebol Robótico incorpora todas as dificuldades intrínsecas da solução de problemas do mundo real. São inúmeras as áreas de investigação e pesquisa que podem ser realizadas com o Futebol Robótico. Devido ao grande número e diversidade das tecnologias envolvidas no desenvolvimento de uma equipa de futebol robótico, são muitas as áreas que podem ser abordadas por um projecto de pesquisa deste tipo. Nas secções seguintes, serão analisadas as áreas nas quais o Futebol Robótico pode ser utilizado como uma plataforma de estudos e testes dentro da Ciência da Computação. Assim, serão abordados problemas de Inteligência Artificial, Visão Computacional, Tolerância a Falhas, Engenharia de Software e Processamento Distribuído. RACmotion Robótica Académica de Coimbra Página 18 de 119

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