DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE DE WEBLAB PARA O ROBÔ MÓVEL TREKKER

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1 Anais do XIX Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA - XIX ENCITA / 2013 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil 17 de outubro de 2013 DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE DE WEBLAB PARA O ROBÔ MÓVEL TREKKER Bruno de Nadai Sarnaglia Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista PIBIC-CNPq Paulo Cesar Neves da Costa Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista PIBIC-CNPq Cairo Lúcio Nascimento Júnior Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Eletrônica Resumo. Este artigo apresenta o desenvolvimento do software de WEBLAB para o robô móvel Trekker da empresa SuperDroid Robot (http://www.superdroidrobots.com). O software de WEBLAB permite que um usuário remoto comande e monitore o robô móvel via internet usando um programa comum de web browser (p. ex. Internet Explorer ou Firefox) disponível atualmente em computadores de diversos tipos (p. ex. desktop laptop tablet ou smartphone). O software de WEBLAB pode ser dividido em duas partes: 1) o software executado no computador embarcado no robô que aciona os seus atuadores e coleta dados dos seus sensores e 2) o software executado em um computador servidor que implementa a intermediação entre programa de web browser e o software embarcado no robô. O software do computador servidor se comunica com o web browser do usuário via internet (gerando páginas HTML e recebendo as opções selecionadas nessas páginas por um usuário remoto) e com o software embarcado no robô por comunicação sem fio (por mensagens de texto). Para a codificação das páginas HTML foram usadas a biblioteca de desenvolvimento BOOTSTRAP e as linguagens PHP e javascript. No computador servidor é também executado um programa escrito em linguagem MATLAB que: 1) transforma a ação selecionada pelo usuário remoto em comandos para o programa embarcado no robô e 2) a partir dos dados gerados pela leitura dos sensores do robô gera gráficos na forma de aquivos.png que são incluídos nas páginas HTML enviadas para o web browser. Os testes realizados demonstraram que o WEBLAB implementado permite que um usuário remoto usando o programa de web browser no seu computador: 1) acione os movimentos de translação e rotação do robô e 2) acione o movimento de varredura dos sensores de sonar e infravermelho e obtenha as leituras resultantes dessa varredura. Palavras chave: weblab robótica móvel internet comando remoto monitoração remota software embarcado. 1. Introdução O advento da Internet nas últimas décadas foi impactante mudando completamente a sociedade e se tornando útil em inúmeras tarefas. Suas funcionalidades são diversas podendo ser utilizadas por exemplo para diversão trabalho armazenamento de arquivos e acesso à informação em geral. Este trabalho busca explorar as funcionalidades da Internet para comandar um robô à distância. Este projeto implementou uma arquitetura de comunicação que disponibiliza o robô Trekker a ser comandado e monitorado via Internet. Em suma basta abrir um web browser da preferência do usuário (p. ex. Internet Explorer Firefox ou Google Chrome) acessar o web site disponibilizado por um computador servidor no LMI (Laboratório de Máquinas Inteligentes) e submeter a sua ordem que ela será prontamente executada pelo robô Trekker. Esse conceito de uso é conhecido como weblab. As aplicabilidades desse modelo de comunicação robô-usuário remoto via weblab são diversas. Robôs são em geral muito caros e a principal justificativa para tal preço é o seu hardware computacional embarcado. A implementação desse modelo potencializa o barateamento dos preços já que pode-se transferir parte da capacidade de processamento para o servidor local. Em outras palavras o robô não necessitaria de um computador embarcado muito poderoso e custosos. O compartilhamento de recursos é outro fator que demonstra o alto valor das ideias contidas neste projeto. A implementação de comando e monitoração remotos de um robô torna-o acessível para qualquer um que possua acesso à Internet. Portanto a usabilidade dos recursos que o robô pode oferecer é aumentada por essa configuração de comunicação de baixo custo com o usuário remoto. O weblab implementado neste trabalho é baseado fortemente nos trabalhos desenvolvidos anteriormente no LMI por Teixeira e outros [1] e por Castro [2].

2 Anais do XIX ENCITA ITA 17 de outubro de Componentes Principais do Robô Móvel Trekker O robô móvel Trekker (modelo Trekker Navigator Plus fabricado pela empresa SuperDroid Robots disponível no Laboratório de Máquinas Inteligentes da Divisão de Engenharia Eletrônica do ITA é mostrado na figura 1 [3]. Figura 1: Robô Trekker. O chassi do robô mostrado na figura 2 foi projetado de forma a permitir diversas configurações de robôs reservando espaço para servomotores placas eletrônicas e rodas. Figura 2: Chassis do robô Trekker. O robô Trekker usa três servomotores da empresa Hitec. Dois servomotores modelo HS-422 foram modificados para rotação contínua das rodas e um servomotor modelo HS-322 (figura 3) é usado para rotacionar o suporte que sustenta o sonar e o sensor infravermelho. Figura 3: Servomotor utilizado no robô Trekker.

3 Anais do XIX ENCITA ITA 17 de outubro de 2013 O sonar utilizado no robô é o modelo SRF04 da Devantech mostrado na figura 4. Esse sonar possui alcance de 3 cm a 3 m. O sonar é usado para estimar a distância de obstáculos e se baseia no tempo de propagação da onda de som pelo ar medido entre os instantes de emissão e e de recepção da onda. Figura 4: Sonar utilizado no robô Trekker. O robô Trekker também usa um sensor infravermelho Sharp GP2Y0A02YK (figura 5) com alcance de 20 cm a 80 cm. Esse sensor também é usado para medir a distância de obstáculos usando emissão e recepção de ondas de luz infravermelha. Figura 5: Sensor infravermelho utilizado no robô Trekker. O terceiro tipo de sensor usado no robô é uma bússola magnética digital modelo CMPS03 da Devantech (figura 6). Essa bússola usa 2 magnetômetros para medir o campo magnético terrestre e assim determinar a orientação do robô. Figura 6: Bússola magnética digital utilizada no robô Trekker. Encoders óticos são usados para medir o ângulo de rotação das rodas do robô e assim estimar o seu deslocamento do robô nos movimentos de translação. Esses encoders são implementados usando em cada uma das 2 rodas (figura 7): a) um par diodo transmissor de IR e um fotodiodo montados no mesmo dispositivo (modelo QRB1134 e b) um disco de papel com setores alternadamente brancos e pretos.

4 Anais do XIX ENCITA ITA 17 de outubro de 2013 Figura 7: Par diodo emissor de IR/fototransistor e disco de papel usados para implementar o encoder das rodas do robô Trekker. No robô está também instalado o módulo zigbee modelo XBee-PRO (figura 8) fabricado pela empresa Digi International. Esse módulo é usado para a comunicação sem fio entre o microcontrolador embarcado no robô e um outro computador. Ele opera na frequência 2.4 GHz e implementa uma comunicação serial. No computador que fica na outra ponta da comunicação serial sem fio foi usado o modem USB RF Xbee-PRO-PKG fabricado pela empresa MaxStream também mostrado na figura 8. Figura 8: Módulo zigbee Xbee-PRO embarcado no robô Trekker e modem USB RF Xbee-PRO-PKG para conexão na porta USB de um computador remoto. Como computador embarcado o robô Trekker utiliza o microcontrolador OOPic III+ (Object-Oriented Programmable Integrated Circuit) mostrado na figura 9 um modelo da família PIC16F877A com um firmware proprietário da empresa Savage Innovations. Esse microcontrolador apresenta bom desempenho mas possui pouca memória de dados. Essa limitação foi contornada neste projeto usando o computador embarcado apenas para comandar os motores e coletar dados dos sensores do robô. O processamento de alto nível dos dados dos sensores é feito no computador remoto denominado neste projeto de computador servidor. Figura 9: Placa do microcontrolador OOPIC III+ embarcado no robô Trekker.

5 Anais do XIX ENCITA ITA 17 de outubro de Descrição do Funcionamento do Weblab O funcionamento do weblab depende da comunicação entre 3 diferentes computadores como mostrado na figura 10: computador remoto computador servidor e computador embarcado. O usuário remoto executa um programa de web browser (p. ex. Internet Explorer Firefox ou Google Chrome) no seu computador conectado à Internet (p. ex. laptop tablet ou smartphone). No computador servidor é executado o programa de web server e um programa MATLAB. No computador embarcado no robô é executado um programa embarcado. O computador remoto e o computador servidor se comunicam pela internet que usa protocolos TCP/IP ([4] [5]). O computador servidor e o computador embarcado no robô se comunicam via interface sem fio implementada pelos módulos zigbee e protocolo serial. Computador Remoto Web Browser INTERNET Computador Servidor Web Server MATLAB Robô Móvel Trekker Computador Embarcado Programa Embarcado Conexão sem fio Figura 10: Comunicação entre os computadores do weblab. As etapas de execução do weblab são: 1. o programa de web browser solicita ao programa de web server a página HTML inicial do weblab. Essa página HTML é recebida processada e exibida pelo programa de web browser ao usuário remoto. 2. o usuário remoto seleciona na página HTML inicial do weblab a ação que deve ser executada pelo robô. As possíveis ações são translação rotação e leitura dos sensores de sonar e de infravermelho. Ao ser selecionada a ação uma mensagem é enviada pelo programa de web browser ao programa de web server. 3. o programa de web server recebe a mensagem enviada pelo programa de web browser e cria um arquivo no computador servidor onde é codificada a ação selecionada pelo usuário remoto. O programa MATLAB executado no computador servidor detecta a criação desse arquivo executa a sua leitura e envia um ou mais comandos para o programa que é executado no computador embarcado no robô. 4. o programa no computador embarcado no robô recebe o comando enviado pelo programa MATLAB executa a ação correspondente e gera uma mensagem de retorno para o programa MATLAB executado no computador servidor. Essa mensagem de retorno pode por exemplo conter os dados lidos dos sensores. 5. o programa MATLAB processa os dados recebidos na mensagem de retorno enviada pelo computador embarcado no robô e para as ações de translação ou varredura dos sensores cria um arquivo de imagem em formato.png que mostra visualmente o resultado da ação executada pelo robô. 6. o programa servidor gera uma página HTML de resultados que contém o arquivo.png criado pelo programa MATLAB e envia essa página HTML para o programa de web browser no computador remoto. 7. o programa de web browser processa e exibe essa página HTML para o usuário remoto com os resultados da ação selecionada por ele. 8. a página HTML contém um link que permite que o usuário remoto selecione a página inicial do weblab. Assim o usuário é retornado ao passo 1 e pode novamente selecionar uma ação a ser executada pelo robô. 4. Programa de Web Server O programa de web server tem como função principal gerar as várias páginas HTML que são enviadas para o programa de web browser. Essas páginas HTML definem a interface gráfica a ser exibida para o usuário remoto. O fluxo das páginas HTML geradas pelo programa de web server é mostrado na figura 11. O programa de web server foi escrito em linguagem PHP e configurado como um programa CGI do Apache HTTP server (http://httpd.apache.org). O programa PHP desenvolvido neste trabalho está disponível em ftp://labattmot.ele.ita.br/ele/trekker/.

6 Anais do XIX ENCITA ITA 17 de outubro de 2013 Figura 11: Fluxo das páginas HTML geradas pelo programa de web server executado no computador servidor. As figuras 12 a 15 mostram respectivamente a página inicial do web lab e as páginas de seleção dos movimentos de translação rotação e varredura dos sensores (sonar e infravermelho). Figura 12: Página HTML inicial do weblab. Figura 13: Página HTML para seleção do movimento de translação.

7 Anais do XIX ENCITA ITA 17 de outubro de 2013 Figura 14: Página HTML para seleção do movimento de rotação. Figura 15: Página HTML para seleção do movimento de varredura dos sensores. As figuras 16 e 17 mostram exemplos de páginas HTML de resultados quando foram selecionadas respectivamente as ações de translação e de varredura do sensor infravermelho. No caso da ação de translação o programa MATLAB também solicita os dados de leitura dos encoders das rodas e da bússola. Assim é estimada a posição final do robô em relação à posição original como mostra a figura 17. Figura 16: Exemplo de resultado mostrando o deslocamento relativo efetuado após a solicitação de uma ação de translação.

8 Anais do XIX ENCITA ITA 17 de outubro de 2013 Figura 17: Exemplo de resultado gerado após a solicitação de varredura do sensor infravermelho. Para a codificação das páginas HTML geradas pelo programa de web server foi utilizada a biblioteca de desenvolvimento de web sites BOOTSTRAP (http://getbootstrap.com). As páginas HTML de seleção de ações do robô (translação rotação e varredura dos sensores) são formulários que contém verificações de consistência implementadas em código javascript. Essa verificação impede que o usuário remoto selecione ações consideradas impróprias p. ex. translação com tempo negativo. Uma vez selecionada a ação a ser executada pelo robô o programa de web browser exibe ao usuário remoto uma uma página de espera até que o programa de web server envie a página com os resultados da ação escolhida. O programa de web server repassa para o programa MATLAB a ação selecionada pelo usuário criando o arquivo tipo texto Dados.txt em um certo diretório do computador servidor. Esse arquivo contém apenas 1 linha com a ação codificada no vetor de instruções formado por 6 campos. Cada campo deve ser 0 ou um número inteiro positivo. A tabela 1 explica o significado de cada campo do vetor de instruções. A tabela 2 relaciona os 7 possíveis valores para o campo 1 do vetor de instruções onde é codificada a ação selecionada pelo usuário remoto. Tabela 1: Vetor de instruções Posição do vetor de instruções Significado 1 Tipo de ação 2 Tempo de translação em milisegundos 3 Velocidade de translação (0 = lenta 1 = rápida) 4 Valor do ângulo inicial da varredura do sensor 5 Valor do passo da varredura do sensor 6 Valor do ângulo final da varredura do sensor Tabela 2: Valores possíveis para o campo 1 (Tipo de ação) do vetor de instruções Tipo de Instrução Significado 0 Translação para frente 1 Translação para trás 2 Rotação de 90 no sentido horário 3 Rotação de 45 no sentido horário 4 Rotação 90 no sentido anti-horário 5 Rotação 45 no sentido horário 6 Varredura do sensor sonar 7 Varredura do sensor infravermelho Alguns exemplos de ações selecionáveis pelo usuário remoto e seus respectivos vetores de instrução são: Translação para frente em velocidade rápida durante 2 s: Rotação de 90 no sentido horário: Varredura do sensor sonar de 10 a 90 com passo de 5 :

9 Anais do XIX ENCITA ITA 17 de outubro de Programa MATLAB MATLAB é um ambiente de programação em alto nível que possui a sua própria linguagem [6]. O programa MATLAB usado neste trabalho executa os seguintes passos: 1) lê o arquivo dados.txt criado pelo programa web server com o vetor de instrução que codifica a ação selecionada pelo usuário remoto 2) envia um ou mais comandos via interface serial sem fio (no formato específico descrito na seção 6) para o programa embarcado no robô 3) recebe a resposta do programa embarcado no robô para cada comando enviado 4) no caso dos movimentos de translação e de varredura de um dos sensores gera o arquivo.png graficamente o resultado da ação selecionada (nova posição relativa do robô ou as leituras do sensor selecionado) e será incluído na página HTML de resposta a ser gerada pelo programa de web server e enviada ao usuário remoto 5) remove o arquivo dados.txt para sinalizar que está pronto para processar uma nova ação e 6) entra em modo de espera aguardando que um novo arquivo dados.txt seja criado pelo programa de web server com a codificação da ação selecionada pelo usuário remoto. É importante notar que o programa MATLAB comanda o robô usando as rotinas definidas no programa embarcado. Por exemplo para o comando Varredura do sensor sonar é necessário que: 1) o servomotor associado aos sensores sonar e infravermelho seja acionado para posicionar o sensor nas posições definidas pelo pelo usuário remoto e 2) em cada posição seja executada uma operação de leitura do sensor. Foi usado neste trabalho o programa MATLAB desenvolvido por Helder O. de Castro [2] com poucas modificações. O programa MATLAB usado neste trabalho está disponível em ftp://labattmot.ele.ita.br/ele/trekker/. 6. Software Embarcado no Robô Móvel Trekker O microcontrolador OOPic (Object-Oriented PIC) é programado usando a abordagem de programação orientada a opbjetos e uma biblioteca de objetos pré-programados disponibilizada no ambiente de desenvolvimento de programas (IDE Integrated Development Environment) para o microcontrolador ([7] [8]). Alguns desses objetos representam os vários dispositivos embarcados no robô como sensores servomotores e display LCD. Esse ambiente de desenvolvimento de programas para o microcontrolador é instalado em um computador comum com sistema operacional Windows (desktop ou laptop) e possibilita que o programa desenvolvido seja editado compilado e então transferido para o microcontrolador via a interface serial sem fio criada pelos módulo e modem zigbee. O firmware do OOPic utiliza um protocolo especial para comunicação externa pela porta serial chamado SCP (Serial Control Protocol) [9]. Entre outras funcionalidades esse protocolo permite que qualquer computador conectado à porta serial do microcontrolador envie comandos em formato texto que: a) invocam a execução de uma rotina em um certo endereço de memória e b) solicitam o envio do conteúdo de uma certa posição de memória. A tabela 3 mostra os comandos do protocolo de controle serial (SCP) usado neste trabalho. Tabela 3: Comandos Principais do SCP (Serial Control Protocol) Comando Descrição \0V Coloca o OOPIC em modo serial e verificar a conexão J Armazena um valor de endereço de memória no registrador M Lê o valor armazenado no endereço de memória apontado pelo registrador N Armazena um valor no endereço de memória apontado pelo registrador Y Desvia a execução para um certo endereço de memória (Branch) \A Tira o OOPIC do modo serial O programa embarcado usado neste trabalho foi desenvolvido por Helder O. de Castro [2] em linguagem C e está disponível em ftp://labattmot.ele.ita.br/ele/trekker/. Esse programa tem 3 blocos principais: o bloco da declaração dos objetos que representam os dispositivos de hardware como sensores e servomotores; o bloco dos endereços das portas de I/O que permitem acesso de leitura e de escrita aos objetos declarados no programa o bloco de definições das diversas rotinas que serão executadas pelo robô Trekker. Uma vez que o programa embarcado foi compilado é necessário executar o programa Sub Address Finder [2] para determinar os endereços das suas rotinas. A tabela 4 mostra os endereços das rotinas existentes no programa embarcado usado neste projeto.

10 Anais do XIX ENCITA ITA 17 de outubro de 2013 Tabela 4: Endereços da rotinas do programa embarcado Rotina Endereço da rotina Translação rápida para frente 207 Translação rápida para trás 240 Translação lenta para frente 273 Translação lenta para trás 306 Rotação de 45 no sentido horário 339 Rotação de 45 no sentido anti-horário 373 Rotação de 90 no sentido horário 407 Rotação de 90 no sentido anti-horário 441 Solicitação de leitura do sonar 475 Solicitação de leitura do sensor infravermelho 554 Solicitação de leitura da bússola 617 Foram também usados no programa os seguintes endereços de memória 123: endereço para escrita do tempo em ms do movimento de translação 126: endereço para escrita da posição do servomotor que posiciona o sonar e o sensor infravermelho 041: endereço onde o programa embarcado escreve o valor lido pelo sonar 047: endereço onde o programa embarcado escreve o valor lido pelo sensor infravermelho 115: endereço onde o programa embarcado escreve o valor lido pela bússola 109: endereço onde o programa embarcado escreve o valor da leitura do encoder da roda esquerda 112: endereço onde o programa embarcado escreve o valor da leitura do encoder da roda direita. Alguns exemplos de comandos enviados pelo programamatlab pela interface serial são: \0V123J2000N207JYM\A: executar translação rápida para frente durante 2000 ms (coloca no endereço 123 o tempo de translação e invoca a execução da rotina no endereço 207) \0V407JYM\A: executar rotação de 90 no sentido horário \0V126J32N475JYM\A: posiciona o servo dos sensores no centro (posição 32) e solicita a execução da leitura do sonar \0V041JM\A: obtém o valor da leitura do sonar \0V617JYM\A: solicita a execução da leitura da bússola \0V115JM\A: obtém o valor da leitura da bússola \0V109JM\A: obtém o valor da leitura do encoder da roda esquerda. Diferentemente dos outros sensores (sonar infravermelho e bússola) os valores dos encoders das rodas são atualizados automaticamente pelo programa embarcado e podem ser lidos diretamente da memória sem que seja necessário o envio de uma solicitação de execução da operação de leitura. 7. Conclusões Este artigo apresentou o desenvolvimento do software de weblab para o robô Trekker disponível no LMI (Laboratório de Máquinas Inteligentes) da Divisão de Engenharia Eletrônica do ITA. Os testes executados no LMI com o software de weblab comprovaram que o robô Trekker foi controlado à distância via web browser com sucesso. É importante observar que os conceitos desenvolvidos e implementados neste artigo podem ser aplicados para o comando e a monitoração remota via internet de qualquer tipo de equipamento controlado por um computador que receba comandos via interface serial. Algumas possibilidades para futuros trabalhos são: 1) usar as câmeras no teto do LMI para estimar com precisão a posição absoluta e a orientação do robô e gerar um mapa contendo a trajetória executada pelo robô desde a sua inicialização 2) disponibilizar para o usuário remoto as imagens de uma pequena câmera embarcada no robô 3) disponibilizar para o usuário remoto ações de mais alto nível como o deslocamento do robô para uma certa posição absoluta com coordenadas (xy) e 4) usar as leituras do sonar e do sensor infravermelho para mapear o ambiente de forma autônoma e 8. Agradecimentos Os autores agradecem o suporte financeiro concedido pela CAPES (Projeto Pró-Engenharias PE ) e pela FAPESP (Processo no. 2006/ ) às pesquisas realizadas no Laboratório de Máquinas Inteligentes (LMI) sobre implementação de weblabs de robótica.

11 Anais do XIX ENCITA ITA 17 de outubro de 2013 Referências [1] Teixeira C. C. Santos J. L. Nascimento Jr. C. L. Barbosa L. F. W. Remote Control of Real Experiments via Internet Proceedings of COBEM 2007 (19th International Congress of Mechanical Engineering) 5-9 Nov Brasília DF. [2] Castro Helder O. Comando e Monitoração de um Robô Móvel usando Tecnologia Internet Trabalho de Graduação Divisão de Ciência da Computação Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) 2008 disponível em ftp://labattmot.ele.ita.br/ele/helder/my_publications/tg_helder_de_castro_iec_2008.pdf [3] SuperDroid Robots Trekker Manual Assembly and Operation Revision Date: Nov [4] Comer D. E. The Internet Book 4 a ed. Addison-Wesley [5] Comer D. E. Computer Networks and Internet 5 a ed. Addison-Wesley [6] Palm III W. Introduction to MATLAB for Engineers 3 a ed.mcgraw-hill [7] Savage Innovations LLC. OOPic The Object-Oriented PIC acesso em 30/Set/2013 [8] OOPic - "Object Oriented Programmable Integrated Circuit acesso em 30/Set/2013 [9] Savage Innovations LLC opic Programmer's Guide Chapter 16 - Serial Control Protocol acesso em 30/Set/2013

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