Construção de Robôs Jogadores de Futebol

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1 Anais do XXVI Congresso da SBC EnRI l III Encontro de Robótica Inteligente 14 a 20 de julho de 2006 Campo Grande, MS Construção de Robôs Jogadores de Futebol Wânderson O. Assis, Alessandra D. Coelho, Marcelo M. Gomes Bruno A. Martins, Cássio S. S. Machado, Cláudio G. Labate Daniel F. Calasso, João C. G. C. Filho, Wesley J. Genova Escola de Engenharia Mauá Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia (CEUN - IMT) Praça Mauá, 1 CEP São Caetano do Sul SP Brasil wanderson.assis@maua.br, alessandra.coelho@maua.br, marcelo.gomes@maua.br Abstract. This paper treats about the design and development of a robot soccer team. The work presents clearly a simple design of robots that can be used by beginning institutions that pretends develop the technologic research at the robotics and mechatronics. Moreover the paper presents the innovations implemented including the construction of a new structure, modifications on electronic circuits and use of simulators to verify the strategy efficiency. Resumo. Este artigo trata do projeto e desenvolvimento de uma equipe de futebol de robôs. O trabalho apresenta claramente um simples projeto de robôs, podendo ser utilizado por instituições iniciantes que pretendem desenvolver a pesquisa tecnológica em robótica e mecatrônica. Além disso o artigo apresenta as inovações implementadas que incluem a construção de uma nova estrutura, modificações nos circuitos eletrônicos e a utilização de simuladores para verificação da eficiência da estratégia. 1. Introdução Desde 1997, pesquisadores de diferentes países têm disputado a copa do mundo de futebol de robôs (RoboCup). O princípio de funcionamento do futebol de robôs é simples, conforme ilustrado na Figura 1.1. Existe uma câmera posicionada acima do campo que coleta imagens do jogo. Essas imagens são enviadas a um computador que identifica a posição dos robôs (inclusive a dos robôs adversários) e da bolinha (que deve ser uma bola de golfe laranja); as posições dos robôs e da bola são enviadas a um programa de estratégia que decide sozinho qual a atitude que cada um dos robôs deve tomar; a estratégia é transmitida aos robôs por um sistema de transmissão de radiofreqüência similar ao dos utilizados em aeromodelos; os robôs são formados por um sistema receptor que converte as ondas de rádio em impulsos elétricos para os motores que impulsionam os robôs. Os robôs ainda podem ter um sistema de chute. 93

2 Figura 1.1 Estrutura do Futebol de Robôs Este artigo pretende demonstrar detalhes sobre o desenvolvimento do futebol de robôs da Escola de Engenharia Mauá visando participação na IV Competição IEEE Brasileira de Robôs em Construção dos Robôs A categoria Very Small Robot Soccer do IEEE, estabelece que os jogos são disputados entre dois times, cada qual composto por três robôs com dimensões máximas de 75mm x 75mm x 75mm. A estrutura dos robôs, além de ser responsável pela rigidez, deve prever alojamentos para os componentes. Como as dimensões são pequenas, é preciso utilizar materiais leves e ao mesmo tempo resistentes para suportar pequenas colisões. A estrutura mecânica dos robôs foi usinada por máquina CNC, utilizando-se material de composto plástico, CIBA TOOL que, após testes de resistência à tração e compressão, apresentou resultados muito bons, resistente a quedas e colisões sem lascar, boa absorção de impacto e peso muito baixo (Figura 2.1). Figura 2.1 Estrutura de Sustentação do Robô com Suporte para Motores A capa protetora dos robôs também precisa ser forte o suficiente para sofrer colisões com os oponentes, mas ao mesmo tempo deve ser leve e fácil de ser retirada para manutenção. Foram desenvolvidas capas de vários modelos, construídas com os seguintes materiais: fenolite, PET (Tereftalato de Etileno), ou material plástico (Figura 2.2). O design gráfico é obtido com o uso de material adesivo. As rodas dos robôs foram fabricadas em Nylon. Um O-ring de borracha atua como um pneu para evitar que elas patinem no campo. 94

3 (b) (a) Figura 2.2 Modelos de Capas para Robôs Jogadores de Futebol (a) Capa de fenolite com design gráfico por meio de papel adesivo (b) Capas de fenolite com design gráfico e PET. Na região superior dos robôs são colocados papéis adesivos com duas cores de sinalização. As cores são utilizadas pelo sistema de visão computacional para identificar a cor padronizada do time e a cor individual de cada robô. O controle da movimentação dos robôs é conseguido por servomotores DC. Foram utilizados minimotors fabricados pela Falhauber com as seguintes especificações: alimentação de 12V, redução interna de 11,8:1, rotação nominal de 800rpm e torque de 7mN.m em sua tensão nominal. 3. Sistema de Transmissão RF e Circuitos Eletrônicos dos Robôs O principal objetivo do futebol de robôs é o de efetuar de forma autônoma o controle dos robôs para desenvolver uma estratégia de jogo. Para isso, o computador deve monitorar continuamente a imagem captada do campo, dos jogadores e da bola e, com base na localização de cada um dos elementos, deve enviar os sinais de controle para comandar cada um dos robôs da equipe. É então necessário desenvolver um sistema de comunicação por radiofreqüência (RF), por meio do qual o computador envia as mensagens e estas podem ser recebidas no robô. O sistema de transmissão RF executa as seguintes funções: - recebe os comandos enviados pela porta serial do computador e converte os níveis de tensão (RS232) para níveis apropriados para o transmissor de RF. Utiliza-se, para isso, um circuito conversor RS232/TTL; - um circuito transmissor RF recebe os dados vindos do conversor e envia-os para os robôs por meio de uma antena. Foi utilizado um módulo da Telecontrolli de 433,92 MHz. O módulo permite a transferência serial do dado em velocidades da ordem de 2Kb/s. O circuito eletrônico do robô apresenta os seguintes componentes: - sistema de recepção RF com módulo da Telecontrolli. Este módulo recebe o sinal serial pela antena e envia essas informações de forma serial para um microcontrolador; - um microcontrolador da Microchip recebe o sinal serial e manipula os dados recebidos para identificar cada pacote de dados recebido; 95

4 - após a identificação, o microcontrolador é programado para enviar sinais de controle para um módulo de potência (circuito integrado L298N) a fim de definir a direção de acionamento e ajustar a velocidade de cada motor; - o módulo de potência consiste basicamente de uma ponte H que permite não só o comando simultâneo de dois motores por meio de sinais PWM (permite, portanto, controlar a velocidade do motor) mas também a amplificação do sinal enviado pelo microcontrolador. Na programação do microcontrolador foi utilizado o módulo programável da UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Ele permite trabalhar com um protocolo de comunicação serial, faz a recepção dos dados seriais e transmite para um registrador interno. Para transmitir todas as informações necessárias para locomover os robôs, foram definidos pacotes de 8 bits. Todos os robôs recebem o mesmo dado. Criam-se máscaras para que cada robô compreenda suas instruções e ignore as que não são destinadas a ele. A taxa de transferência utilizada entre o computador e os jogadores foi de 2400bps, taxa relativamente reduzida, limitada pelas características dos componentes, mas suficiente para a aplicação. O circuito eletrônico completo inclui o módulo de recepção RF, antena de 50 Ω, microcontrolador, circuito integrado L298N (Dual Full Bridge Driver), etc. Foram utilizadas baterias de 9 V. Um regulador de tensão foi utilizado nos circuitos dos robôs e do transmissor para ajustar a tensão em 5V para a alimentação dos componentes eletrônicos. 4. Sistema de Visão Computacional Uma das tarefas mais complexas do futebol de robôs é desempenhada pelo sistema de visão computacional. Este módulo é responsável pela aquisição da imagem e classificação das cores de cada ponto da imagem para identificação dos robôs e bola, sendo isto efetuado em tempo real e mesmo sob condições de variação na iluminação. A câmera localizada sobre o campo, capta as imagens constantemente e as transfere para o computador através da placa de aquisição de imagens instaladas. Foram utilizamos duas placas de aquisição de imagens: Imagics e Pinnacle. Ambas possuem uma taxa de transmissão de até 30 frames por segundo, porém com qualidade de vídeo diferente: a Imagics disponibiliza imagens com no mínimo 604x480 pixels enquanto a Pinnacle apresenta imagens com no máximo 320x240 pixels. O programa de captação e processamento de imagem foi inteiramente desenvolvido por estudantes utilizando padrão HSI (Hue, Saturation and Intensity), ou seja, Matiz, Saturação e Intensidade. No padrão HSI a cor é determinada pelo ângulo da Matiz que varia de 0º a 360º. Como o sistema é muito sujeito a interferências devido à variação da luminosidade externa é necessário realizar uma calibração no sistema para conseguir identificar com precisão os componentes (robôs e bola). A calibração é feita antes do início do jogo, ou seja, sem operações com o robô, por meio de uma janela desenvolvida em Delphi (figura 4.1). Nessa janela, as cores e os limiares de cada componente da cor podem ser escolhidos de forma a efetuar a classificação dos componentes e a localização no plano XY da imagem. 96

5 Figura 4.1 Arquitetura do Sistema de Visão Computacional 5. Módulo da Estratégia A estratégia de jogo tem um papel fundamental no futebol de robôs. A estratégia é o raciocínio artificial do robô desenvolvido através de algoritmos de controle e inteligência artificial. Uma das principais dificuldades para as equipes de futebol de robôs é conseguir fazer com que os robôs apresentem na prática os resultados que seriam previstos ou desejados com a programação. Devido a um grande número de interferências que influenciam no processo, o comportamento dos robôs acaba sendo comprometido. Diante disto a utilização de softwares simuladores é uma alternativa interessante porque permite avaliar a eficiência dos algoritmos de controle sem a presença de interferências, tais como: distorções na imagem captada pela câmera, interferência da luminosidade externa, falhas no sistema de transmissão por radiofreqüência, etc. Uma alternativa interessante é a utilização do software Simurosot, disponível no site (figura 5.1). Figura 5.1 Menu Inicial do Simulador da Fira A inteligência do sistema futebol de robôs programada em Delphi funciona em forma de looping conforme ilustrado na Figura 5.1. O algoritmo tem a função de decidir as ações dos robôs a partir da posição analisada pelo Módulo da Visão e enviar os respectivos parâmetros para o Módulo do Hardware. Este módulo codifica os bits enviando-os serialmente por meio de radiofreqüência de forma a definir as tensões nos motores para que seja atingido o objetivo. Portando a estratégia define as decisões do time sem auxílio ou qualquer intervenção humana. 97

6 Figura 5.1 Arquitetura do Sistema de Visão Computacional 6. Inovações Previstas em 2006 Várias melhorias estão sendo propostas e devem ser introduzidas em 2006 que incluem: utilização de novos módulos de rádio frequência; melhoria no protocolo de transmissão por meio de rádio freqüência; desenvolver um controle PID no programa de estratégia; utilização de encoder nas rodas dos robôs e algoritmo de controle nos microcontroladores para garantir melhor precisão na movimentação; desenvolver sistema de calibragem semi-automática da visão computacional; desenvolvimento de novo sistema de captura utilizando hardware comercial de baixo custo; 7. Considerações Finais Várias inovações podem ser avaliadas e introduzidas para se obter melhora no desempenho do sistema. O projeto deve apresentar uma evolução constante, permitindo cada vez mais a avaliação de novas tecnologias e o desenvolvimento de novos algoritmos de controle. De qualquer forma o mais importante é que o projeto do futebol de robôs seja um incentivo ao aprendizado dos alunos e ao desenvolvimento da robótica e da inteligência artificial nas instituições de ensino, impulsionando outras pesquisas científicas e permitindo o desenvolvimento de novas tecnologias relacionadas ao assunto. References Assis, W. O., Gomes, M. M., Coelho, A. D., Labate, C. G., Calasso, D. F., Guimarães, F. A., Conde Filho, J. C. G., Pirolo, R. (2005) Desenvolvimento de Robôs Autônomos para Participação em Competição de Futebol, In: VII SBAI / II IEEE LARS, São Luís, MA, Setembro. Coelho, A. D., Gomes, M.M. e Assis, W. O. (2004) Desenvolvimento de Robôs Autônomos e Implementação do Futebol de Robôs, In: SBC2004 XXIV Congresso da Sociedade Brasileira de Computação, Salvador, BA, Agosto. Gomes, M. M., Assis, W. O., Coelho, A. D., Labate, C. G., Calasso, D. F., Conde Filho, J. C. G., Genova, W. J. (2005) Uma Nova Equipe de Futebol de Robôs, In: VII SBAI / II IEEE LARS, São Luís, MA, Setembro. Gonzales, R. C., e Woods, R. E. (2000) Processamento de Imagens Digitais, Ed. Edgard Blücher Ltda., São Paulo, SP. 98