SISTEMA DE NAVEGAÇÃO AUTÔNOMA EM AMBIENTE INDOOR PARA ROBÔS MÓVEIS BASEADO EM COMPORTAMENTO ROBÓTICO (BBR)

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1 SISTEMA DE NAVEGAÇÃO AUTÔNOMA EM AMBIENTE INDOOR PARA ROBÔS MÓVEIS BASEADO EM COMPORTAMENTO ROBÓTICO (BBR) Lameck Silva Fernandes 1 lameckfernandes@hotmail.com Fernando Vernal Salina 2 fsalina@gmail.com RESUMO O presente artigo apresenta os resultados obtidos do trabalho de iniciação científica que se situa na área da Ciência da Computação e trata da Robótica como área temática. Tem como objetivo propor um método de planejamento para navegação autônoma de robôs móveis, em ambiente indoor e tem por base a arquitetura reativa. Para realizá-lo, utiliza-se de experimentos simulados. Justifica-se sua realização a necessidade do desenvolvimento de técnicas de navegação autônoma em áreas de automação robótica. ABSTRACT This article presents the results of the work of undergraduate research that is situated in area of Computer Science and the thematic sub area Robotic. This has aims to propone a planning method for autonomous navigation of mobile robots, in an static environment with base at behavior robotic. To realize it, makes use of simulated experiments. This realization is justified at need to develop techniques for autonomous navigation in area of robotic automation. PALAVRA-CHAVE Robótica; navegação autônoma. GUAXUPÉ Pesquisador do Programa de Iniciação Científica do Curso Ciência da Computação no Centro Universitário da Fundação Educacional de Guaxupé - UNIFEG 2 Orientador, Professor e Doutor em matemática. Ex-docente do UNIFEG e atual do UCDB

2 INTRODUÇÃO Para Rodrigues (2010), quando nos referimos a navegação de robôs móveis, queremos descrever as técnicas para que um robô se mova de forma segura de um local a outro em um ambiente. Entre os problemas encontrados na implementação das técnicas conhecidas de navegação, encontrar um caminho para uma determinada posição até um destino é um dos problemas encontrados na robótica móvel. O sistema de navegação autônoma para robôs móveis vem sido uma das áreas mais pesquisadas na robótica. Os problemas envolvidos na implementação de modelos eficazes e robustos torna mais complexo a forma de conceber uma estrutura apropriada para determinado conceito empregado. Vemos diversas técnicas sendo aplicados, novos modelos sendo conceituados e novas estruturas se emergindo de modo que determinado problema seja resolvido. A robótica ainda cresce em termos de desenvolvimento embora tudo que já alcançamos represente a mais alta tecnologia atual, e isto é constante. Ainda estamos longe da tecnologia que sustenta a ideologia de máquinas e humanóides com sentimentos e raciocínio como nós seres humanos, mas isso não é impossível, portanto, utópico. Assim como um sistema de navegação que não se limite a ambiente e nem a obstáculo algum, ainda caminha para a perfeição. Sturmer (2004) idealiza uma possível solução para o problema da navegação com obstáculos móveis a qual seria a integração de técnicas que utilizam planejamento de rota com técnicas reativas, para comporem um sistema híbrido de navegação, possibilitando assim a utilização das informações antecipadas do ambiente e dos obstáculos fixos para gerar rotas de destino. Ainda, com base em Strumer (2004), o objetivo do presente trabalho é propor uma solução para o problema de navegação autônoma através de um método de planejamento que defini um algoritmo específico para cada ambiente permitindo um composto de estruturas utilizadas e reutilizadas em vários cenários simulados. A estrutura tem como base a arquitetura Behavior, ou seja, uma arquitetura reativa, na ordenação das características para o desenvolvimento de um algoritmo de navegação e nos meios necessários, variantes com a aplicação do objetivo da navegação no ambiente. Essas necessidades caracterizam as técnicas a serem mescladas como o meio tecnológico que o robô deverá possuir que derivam das características do ambiente, da classificação robô e do objetivo da navegação. A pesquisa constituiu-se no levantamento bibliográfico sobre uma hipótese, no desenvolvimento do cronograma de projeto, nos testes empíricos do sistema desenvolvido e na dissertação dos resultados. A ROBÓTICA Robótica é o termo usado para um ramo da informática que soma computadores, robôs e engenharia. Compõem-se de sistemas mecânicos e computacionais controlados por circuitos integrados podendo ser controlados manualmente ou automaticamente. As diferenças para funções e propriedades que cada robô pode ser projetado são inúmeras diante das necessidades sobre cada finalidade do protótipo. Segundo Pieri (2002), a robótica móvel é o termo que agrega o estudo e desenvolvimento de aplicações para sistemas robotizados e móveis. Um robô móvel possui autonomia e diferentes configurações de hardware como sensores e atuadores de acordo com o objetivo ou finalidade que deverá exercer. Um robô móvel, também conhecido como robô autônomo, contem partes físicas mecânicas, conforme sua classe que define sua estrutura, controladas por um sistema computacional de modo a se auto-planejar de forma autônoma.

3 A construção mecânica de um robô móvel contrasta com diversos desafios como erros de posição e orientação, ruídos nas leituras dos sensores, problemas com a carga da bateria, etc. Contudo, um sistema típico de um robô móvel pode ser descrito por acoplar sensores para descrever o espaço ou meio em que se encontra e atuadores que controlam sua estrutura física de modo que se movimente ou pratique ações que foi programado. Um robô móvel se caracteriza por implementar os componentes de localização, de mapeamento e navegação, que são técnicas de programação do hardware usadas para que o robô realize seu objetivo em determinado ambiente. Entretanto, as diferentes arquiteturas de um sistema robótico definem a forma de se construir o software e hardware de um robô conforme o ambiente que irá interagir. De forma geral, segundo Santos (2009), a descrição para a implantação de qualquer arquitetura, como o fator que as diferenciam, baseia-se no parâmetro raciocínio a ser adotado. O termo raciocínio, para a robótica, é a ação a ser tomada pelo robô diante de uma circunstância ou problema, contudo, esta ação jamais foi inteligência e sim o eventual ciclo de um comportamento diante de uma reação prevista, em outras palavras, um comportamento reativo sobre uma ação. As arquiteturas de controle, conhecidas, são: arquitetura de controle reativo, arquitetura de controle deliberativo e arquitetura de controle hierárquico (sistema de três camadas). A PROPOSTA DE DESENVOLVIMENTO Para Rodrigues (2010) para a navegação baseada em comportamentos, embora se utilize uma forte ligação entre percepção e ação, para que o robô locomova-se autonomamente no meio em que atua, não faz jus da necessidade de se conhecer informações completas do ambiente. O método de planejamento proposto nesse trabalho tem a necessidade de se conhecer as características do ambiente, embora não incluam informações completas, contudo se faz necessário para se conhecer as técnicas que serão mescladas de forma que cumpra com o objetivo da navegação autônoma. Por exemplo: Se e um robô móvel trafega de um ponto A e conclua seu objetivo de navegação autônoma ao chegar ao ponto B, é necessário que o robô conheça a posição que ele esta no ambiente em que atua e que decisão tomará para a rota que irá seguir para concluir seu objetivo. Relacionado à estrutura do ambiente, o robô poderá ter várias possibilidades para chegar ao mesmo objetivo, ele deverá ser capaz de conhecer a melhor rota. A técnica AMCL, para localização de Monte Carlos, localiza o robô no ambiente em que atua. Ao mesclar a técnica Behavior para navegação a esta técnica de localização, é possível criar um conjunto de estados para o planejamento de rotas que irá concluir. Nota-se que a necessidade de conhecer o objetivo da navegação é importante para o desenvolvimento do conjunto de comportamentos que ao robô adotará para navegação autônoma, de forma a constituir um conjunto único e robusto para determinado ambiente compondo assim um estado que será acionado somente quando for necessário. O conhecimento das características do ambiente permite conhecer o equipamento necessário que o robô irá possuir como a constituição de características relevantes durante o processo de desenvolvimento do algoritmo de navegação. Para o exemplo acima, se o ambiente fosse plano e estático, a classificação para o robô, segundo Pieri (2002), seria terrestre-rodas e poderia ser equipado com sensores lasers como o SICKLMS200- LMS 200 laser range-finder. Se o plano fosse com deformações e estático, sua classificação segundo Pieri (2002) seria terrestre-esteiras. Se o mesmo robô atuasse em um ambiente aquático, segundo Pieri (2002) sua classificação seria aquática e poderia ser equipado com sonares ao invés de lasers. Nota-se que as características do ambiente influenciam nas especificações dos meios tecnológicos que o robô irá possuir como no desenvolvimento do comportamento de

4 navegação Com o laser, por exemplo, para os testes realizados nesse trabalho sugere a secção em 5 ângulos para diferentes leituras. Outras necessidades variam com as necessidades do objetivo de navegação, que nada mais é o desenvolvimento dos estados para navegação. Assim, o método proposto demonstra que para cada ambiente se faz necessário um conjunto de comportamentos específicos. Sendo para cada estimulo do ambiente uma reação do robô sobre o plano em que atua a técnica BBR, segundo Broocks (1986), também possibilita que vários comportamentos possam ser ativados simultaneamente, com a necessidade de se estipular a coordenação de ações. Um conjunto de comportamentos que seja bem sucedido em um ambiente pode não ser 100% bem sucedido em outro ambiente devido as suas características que influenciam nos meios tecnológicos e na programação de términos previstos de navegação com base no método de planejamento proposto, que mescla técnicas conhecidas com uma proposta de combinação à técnica Behavior. Dessa forma, este método propõe a constituição de um conjunto de algoritmos, que por sua vez são um conjunto de estados que satisfazem a navegação em um determinado ambiente, e controlados por um estimulador de ações, que proceda a navegação autônoma em inúmeros ambientes de forma robusta, desde que o estimulador de ações reconheça as necessidades em tempo real de atuação do robô e acione o algoritmo relevante de acordo com seu objetivo de navegação. Ou seja, para cada ambiente existe um algoritmo relevante, e este conjunto de algoritmos deve existir na arquitetura do robô, e só será acionado de acordo com as necessidades do ambiente, e desde que este algoritmo para determinado ambiente exista. Segundo Arkin apud. Fracasso (2011), a arquitetura reativa emula a reação rápida do Robô aos estímulos do ambiente. A arquitetura de controle reativo é um sistema que não necessita de muitos recursos computacionais por ser baseado aos estímulos do ambiente compreendendo a leitura dos sensores e a reação nos atuadores. A vantagem desta arquitetura é responder em tempo real a leitura dos sensores. As características funcionais do método proposto podem ser representadas pela figura abaixo: Figura 1 - Representação do algoritmo proposto

5 A preparação consiste em adquirir dados iniciais de forma autônoma ou manual referentes à localização do robô no ambiente em que situa. A localização torna-se importante, principalmente no inicio da navegação autônoma, por ser responsável na definição dos dados iniciais para condicionar uma rota a ser seguida. O processo pré-definido consiste em processar os dados no ponto situado no ambiente, colhido pelo sensoriamento adequado à aplicação. Antes de qualquer processo, é necessário pré-processar os dados para ser tomada uma decisão diante de uma situação prevista, ou definida. O processo consiste o estado atual do robô perante as condições estabelecidas no ambiente referente às decisões tomadas durante o processo pré-definido. O processo alternativo consiste em condições opcionais proposta pelo algoritmo de navegação o ambiente. A vantagem do método de planejamento proposto esta na ordenação de características relevantes para o desenvolvimento de algoritmos para a navegação autônoma baseados na arquitetura reativa mesclando outras técnicas de acordo com o objetivo da navegação. A arquitetura reativa envolve baixo custo e é simples de ser implementada. A técnica Behavior, segundo a tabela comparativa de Rodrigues (2010) viabiliza a aplicação em mínimos locais. O método teoriza a junção de algoritmos, que correspondem a conjuntos de comportamentos relacionados a determinados ambientes compreendendo a mixagem com outras técnicas referentes às necessidades do objetivo de navegação, ser controlados por um estimulador de ações (BROOCKS, 1986) de modo que o desenvolvimento dos estados cumpra as necessidades de navegação e possam agir em ambientes globais e não apenas em ambientes estáticos. A possibilidade de controlar um número grande de algoritmos garante que um algoritmo que não seja eficaz em um ambiente possa ser utilizado em outro ou no mesmo ambiente em que foi bem sucedido, sem ser necessário descartá-lo. A desvantagem esta na mixagem com outras técnicas onde o custo do projeto pode ser exponencial de acordo com as necessidades de aplicações relacionadas ao objetivo da navegação. Técnicas de mapeamento ou de visão computacional poderão equivaler custos elevados de acordo com o escopo para o objetivo de navegação. A complexidade do método compreende o estipulador de ações para processar dados de forma administrativa um número elevado de algoritmos para cada ambiente e no acesso ao algoritmo individual para o ambiente de forma dinâmica e não sequêncial compreendendo níveis de autonomia, e consequentemente, níveis de percepção. Os conceitos descritos para o desenvolvimento de um algoritmo de navegação autônoma podem ser representados coerentemente pela tabela de ordenação de características abaixo: Tabela 1 - Ordenação de Características Características do Ambiente Objetivo da Navegação Autônoma Estados do Autômato Linguagem de Programação Adotada Tipo de Aplicação do Método Tabela de Ordenação de Características Consiste em definir características relevantes do ambiente para procedimento do plano de elaboração da tecnologia necessária do robô como o desenvolvimento do algoritmo de navegação autônoma. Consiste em definir o objetivo da navegação autônoma robô. Consiste em definir os estados do autômato para ser desenvolvido o algoritmo de navegação. Consiste na prévia da linguagem escolhida para se programar o autômato. Consiste em definir o meio de aplicação do método.

6 RESULTADOS Os testes foram realizados em três ambientes virtuais através de um simulador sobre a seguinte hipótese: considerado um robô que admita quatro estados: Parado; Movimento- Frontal; Movimento-Esquerdo; e Movimento-Direito. O objetivo desse robô é evitar a colisão com algum objeto ou obstáculo num ambiente plano e estático. Figura 2 Estrutura dos estados por um autômato finito determinístico Com base na figura 2 a tabela abaixo descreve suas definições gerais Tabela 2 Tabela geral dos estados do autômato MEF Q Estado Inicial Estado Final Estados do Robô q. F q. Parado/Pensando 0 q. q. q1 Movimento/Frontal 1 q2 Movimento/Esquerdo 2 q3 Movimento/Direito 3 Fonte : Desenvolvido pelo autor A estrutura do robô relaciona-se aos objetivos de navegação proposto. Uma possível solução foi seccionando os ângulos dos sensores para leitura geral e distinta no ambiente. A figura abaixo ilustra a divisão geométrica: Figura 3 Secção angular do laser SICKLMS200- LMS 200

7 Sobre aspectos gerais a figura abaixo ilustra os estados do robô e o planejamento de contorno sobre as possíveis hipóteses encontradas sendo: (a) Estado parado ou pensando; (b) Estado movimento/frontal; (c) Estado movimento/direito; e (d) Estado movimento/esquerdo. Figura 4 Estrutura dos estados sob a divisão angular do laser (a) (b) (c) (d) A figura 5 ilustra a navegação autônoma do robô sobre o algoritmo alg_amb_1.c definido para o ambiente proposto e o mesmo algoritmo sobre outros sendo: (a) ambiente proposto; (b) ambiente 2; e (c) ambiente 3. Figura 5 Trajetória da navegação autônoma (a)

8 (b) (c) CONCLUSÃO O algoritmo alg_amb_1.c completou seus objetivo no ambiente proposto, sendo não colidir com nenhum obstáculo, contudo, devido aos aspectos físicos considerados em outros ambientes, a proposta de secção de leitura do senso laser SICK LMS 200 e/ou a estrutura lógica do código, não puderam corresponder às expectativas, portanto, parte do código poderá ser aproveitada para conclusão de outro algoritmo que sustente o objetivo em determinado ambiente. Possíveis soluções constituem-se aspectos relevantes como a necessidade da velocidade e do torque do robô ser dinâmico e não estático. Em uma curva, por exemplo, o limite mínimo definido como constante pode não ser o suficiente para garantir o espaço, relacionado à velocidade, para concluir o giro em seu próprio eixo. Essa necessidade poderá ser suprida calculando a velocidade média uma vez conhecida a distância entre o robô e o obstáculo. Contudo, o método propõe flexibilidade e ordenação com níveis de complexidade por relacionar-se a impulso e reação. A técnica baseada em comportamentos é o grande diferencial no fato de ser simples e poderosa, de modo que sua eficiência é exponencial à qualificação do algoritmo desenvolvido. A ordenação ou planejamento, defendida nesse trabalho, qualifica-se por ser um recurso necessário no desenvolvimento do algoritmo de navegação autônoma. A ordenação de características diminui a probabilidade de erros referentes à classificação de funcionalidades do algoritmo tornando maior sua eficiência particular sobre cada problema encontrado. Como princípio de trabalho futuro a migração para programação orientada a objeto permitirá o desenvolvimento de um Framework para navegação autônoma tornando possível a reutilização de código de forma dinâmica. Aplicações com aprendizagem de máquina, como redes neurais, permitirá melhores resultados além de melhores definições sobre o amadurecimento do método proposto. Contudo, embora os simuladores possam reduzir custo relacionado ao desenvolvimento do projeto real em fases de testes, não é capaz de simular todos os problemas que poderão ser encontrados durante uma aplicação real, a esse motivo, pretende-se utilizar robôs reais para melhor análise de resultados.

9 BIBLIOGRAFIA BROOKS, R. A Robust Layered Control System for a Mobile Robot. IEEE Journal of Robotics and Automation, s.l., v.1, p. 1-10, Mar, FRACASSO, Paulo T; COSTA, Anna Helena R. NAavegação Reativa de Robôs Móveis Autônomos Utilizando Lógica Nebulosa com Regras Ponderadas. Disponível em: < Acesso em: 06 jun GASCH, Scott. Alan Kay. Disponível em: < Acesso em: 08 fev PIERI, Roberto E. Curso de Robótica Móvel. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, p , Março, RODRIGUES, Pereira. Técnicas de Navegação. Departamento de Engenharia da Computação Autônoma Industrial da UNICAMP, Campinas, p. 1-6, SANTOS, K. Sistema de Navegação Autônoma para Robôs Móveis Baseado em Arquitetura Híbrida: Teoria e Aplicação f.dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Universidade Federal de Itajubá. Itajubá, STURMER, Henrique Vieira A. Arquitetura para Criação de Robôs Móveis Baseado em Arquitetura Híbrida: Teoria e Aplicação f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo, 2007.