CONTROLE REATIVO DE ROBÔ MÓVEL AUTÔNOMO: RELATO DE EXPERIMENTOS COM O ROBOTINO

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1 CONTROLE REATIVO DE ROBÔ MÓVEL AUTÔNOMO: RELATO DE EXPERIMENTOS COM O ROBOTINO Ana Flavia de Andrade da Silva 1,2, Rhaiza Rodrigues Seimoha 1, Silvio do Lago Pereira 3 1 Aluna do Curso de Análise e Desenvolvimento de Sistemas FATEC-SP, 2 IBM Research Brasil 3 Prof. Dr. do Departamento de Tecnologia da Informação FATEC-SP ana.silva22@fatec.sp.gov.br, rhaiza.seimoha@gmail.com, slago@pq.cnpq.br Resumo A robótica móvel está se tornando cada vez mais importante no cenário mundial. Atualmente, as aplicações dessa tecnologia vão desde a exploração espacial até a realização de tarefas domésticas. Porém, muitas pesquisas ainda são necessárias para que o uso de robôs móveis se equipare àquele dos robôs fixos, amplamente usados na indústria. Nesse contexto, esse trabalho tem como objetivo investigar o uso de sensores do Robotino, um robô móvel autônomo produzido pela Festo, para desenvolver sistemas de controle reativo. Para tanto, além de uma descrição geral do hardware e do software usado na programação do Robotino, este trabalho também apresenta uma descrição detalhada dos sensores a ele acoplados e relata resultados de experimentos realizados com eles. 1. Introdução Robôs móveis autônomos [1] são máquinas capazes de se locomover em seus ambientes, sem a interferência direta do ser humano. Apesar do grande potencial desses robôs, eles ainda não são amplamente usados na indústria, como ocorre com os robôs fixos. Um motivo para isso é a alta complexidade dos sistemas de controle de robôs móveis [2]. Porém, as pesquisas em robótica móvel apontam um futuro bem diferente [3], uma vez que os robôs móveis são bem mais versáteis que os robôs fixos. Há duas abordagens básicas para o controle de robôs móveis: deliberativa e reativa. Como ilustrado na Figura 1, enquanto a abordagem deliberativa usa planejamento [4] para decidir o melhor comportamento para o robô, a reativa simplesmente cria uma associação direta entre os dados recebidos dos sensores e as ações a serem executadas pelo robô [5]. Ademais, como o planejamento requer conhecimento prévio sobre o ambiente do robô, a abordagem reativa é mais apropriada quando o robô precisa explorar um ambiente completamente desconhecido [6]. executor plano robô planejador Figura 1 Controle deliberativo versus reativo. Este trabalho visa relatar resultados de experimentos de controle reativo do Robotino [7], com base em dados de sensores analógicos e digitais a ele acoplados. O Robotino é um robô móvel autônomo, desenvolvido pela Festo para fins didáticos. atuação ambiente percepção (a) controle deliberativo robô executor atuação ambiente percepção (b) controle reativo O restante desse artigo está organizado do seguinte modo: a Seção 2 apresenta uma visão geral do hardware do Robotino; a Seção 3 descreve a ferramenta Robotino View, usada para a programação do robô; a Seção 4 descreve os experimentos realizados e discute os resultados obtidos; e a Seção 5 apresenta as conclusões finais. 2. O Hardware do Robotino O hardware do Robotino [7], cuja vista frontal é exibida na Figura 2, é composto de: Um chassi que acomoda bateria, motores, unidade de controle e sensores. O deslocamento é feito por três rodas onidirecionais, acopladas aos motores. A unidade de controle tem processador de 32 bits, com velocidade de 300 MHz, sistema operacional Linux Ubuntu 9.04, microcontrolador AVR Atmega para controle de movimentos e sensores, duas portas USB 2.0, cartão de memória flash de 4 GB e ponto de acesso wireless, com taxa de transmissão de até 54 Mbps, com alcance de aproximadamente 100m. Placa com oito entradas para componentes analógicos, oito entradas para componentes digitais, oito saídas digitais e dois relês. Figura 2 Robotino. Além da capacidade de deslocamento, uma das principais características dos robôs móveis autônomos é sua capacidade de adquirir informações sobre seu ambiente, a partir de dados recebidos de sensores, e tomar decisões que permitam sua navegação segura, por exemplo, evitando colisões com obstáculos. A seguir, uma breve descrição dos sensores presentes no Robotino é apresentada Sensores Analógicos Um sensor analógico gera um sinal que pode ter qualquer valor dentro de um intervalo contínuo. Há dois tipos de sensores analógicos acoplados ao Robotino: sensor infravermelho e sensor indutivo.

2 Um sensor infravermelho, composto por um emissor e um receptor, tem a função de medir a distância entre o robô e um objeto qualquer no seu ambiente [8]. O emissor envia um raio infravermelho, cuja reflexão é captada pelo receptor e convertida num valor de tensão inversamente proporcional à distância entre o robô e o objeto. O Robotino possui nove sensores infravermelhos, distribuídos ao redor de seu chassi em ângulos 40, ordenados em sentido anti-horário, a partir da posição frontal do chassi, com precisão de 4 a 30 cm. Um sensor indutivo, composto por uma bobina, um oscilador, um sincronizador e uma saída, tem a função de detectar objetos ferromagnéticos no ambiente [9]. O oscilador produz uma corrente alternada que, ao ser aplicada à bobina, gera um campo eletromagnético. Quando um objeto ferromagnético entra nesse campo, correntes elétricas induzidas em sua superfície causam uma interferência nesse campo. O sincronizador monitora o campo eletromagnético e, ao detectar uma variação em sua amplitude, produz uma saída. O Robotino possui um sensor indutivo, acoplado ao chassi com sua face voltada para o piso, que produz saída entre 5 V e 6 V apenas quando o robô está sobre uma superfície ferromagnética. Figura 3 Janela do Robotino View Sensores Digitais Sensores digitais geram sinais binários. Há dois tipos de sensores digitais acoplados ao Robotino: sensor ótico e câmera. Um sensor ótico, composto por emissor e receptor de luz, tem a função de detectar objetos no ambiente [10]. Existem vários tipos de sensores óticos (e.g., reflexivo e difuso). O Robotino possui dois sensores ópticos difusos, fixados na parte frontal do chassi, que direcionam feixes de luz para o piso por meio de fibras óticas. Esses sensores produzem saída 1, quando um contraste de cor é detectado no piso; e 0, em caso contrário. Uma câmera pode ser considerada um sensor devido à sua capacidade de projetar imagens em um anteparo. Nas câmeras digitais, o anteparo é um dispositivo eletrônico que converte raios luminosos que incidem sobre si em valores binários que são armazenados em forma de bytes. A câmera acoplada ao Robotino, posicionada na parte frontal, um pouco acima da unidade de controle, é um sensor de imagem colorida, que captura imagens em formato bitmap (entre outros). Figura 4 Janela do Robotino Sim Estrutura dos Programas O controle do Robotino é feito por um programa principal, que define a ordem de execução de subprogramas, ou passos, que pode ser sequencial ou paralela (Figura 5). 3. A Ferramenta Robotino View O Robotino View [11] é um ambiente integrado de desenvolvimento para o Robotino, que possibilita: A criação de programas compostos de blocos representando funções parametrizadas (Figura 3); A execução e teste dos programas em um ambiente simulado pelo Robotino Sim (Figura 4); A transmissão de código executável, por meio de rede sem fio, diretamente ao robô real. Nesse trabalho, juntamente com Robotino View, que é gratuito, foi usada a versão de demonstração do Robotino Sim. Essa versão, apesar de limitada, ofereceu todos os recursos necessários para a realização desse trabalho. Figura 5 Estrutura de um programa no Robotino View. Os subprogramas são formados pela composição de blocos de funções básicas, em que a saída de um bloco é conectada à entrada de outros blocos (Figura 3).

3 3.2. Blocos de Funções Básicas Os diversos blocos de funções básicas do Robotino View podem efetuar operações aritméticas, relacionais e lógicas, além de geração de constantes e interface com atuadores e sensores, entre outras. Os blocos para operações aritméticas, relacionais e lógicas são apresentados na Figura 6. Cada um desses blocos tem duas entradas, representando operandos, e uma saída, representando o resultado da operação. A interface com o sensor infravermelho é feita com o auxílio de blocos como aquele exibido na Figura 11. Na verdade, há nove blocos desse tipo, numerados de 1 a 9, cada um deles representando um dos sensores infravermelhos acoplados ao chassi do robô. Figura 11 Primeiro sensor infravermelho. A interface com os demais sensores, analógicos e digitais, é feita com o auxílio de blocos como aqueles na Figura 12. Há oito blocos representando entradas para sensores analógicos e oito para sensores digitais. Figura 6 Operações aritmética, relacional e lógica. O bloco gerador de constantes é exibido na Figura 7. Esse bloco, que não tem entrada, gera como saída uma constante a ser usada como entrada de outro bloco. Figura 7 Gerador de constantes. O principal bloco para interface com os atuadores do Robotino, denominado omnidrive, é exibido na Figura 8. Este bloco permite o controle sincronizado dos motores responsáveis pelo deslocamento do robô. Nesse bloco, a entrada vx indica a velocidade para frente, a entrada vy indica a velocidade para o lado e a entrada omega indica a velocidade de rotação do robô em torno de seu próprio eixo. As saídas desse bloco devem ser conectadas às entradas dos blocos representando cada um dos três motores do robô. A Figura 9 mostra o bloco para o motor 1. Figura 8 Bloco omnidrive. Figura 9 Bloco controlador do primeiro motor. Diversos tipos de blocos são necessários para o processamento das imagens capturadas pela câmera do robô. Porém, o principal bloco, responsável pela captura da imagem, é apresentado na Figura 10. Esse bloco, que não possui entrada, gera uma imagem binária como saída. Figura 10 Bloco para captura de imagem digital. Figura 12 Sensores analógico e digital. Além desses blocos, há diversos outros disponíveis no Robotino View. Porém, esses foram os principais blocos usados no desenvolvimento dos programas executados nos experimentos realizados nesse trabalho. 4. Resultados Experimentais Os experimentos realizados foram divididos em dois grupos: o primeiro deles com foco em sensores analógicos e o segundo com foco em sensores digitais. Todos os programas usados nos experimentos foram desenvolvidos com o Robotino View e executados no robô real Experimentos com Sensores Analógicos O primeiro experimento teve como objetivo fazer o Robotino contornar um objeto existente em seu ambiente, usando apenas sensores infravermelhos. No programa de controle desenvolvido, foram usados apenas os três sensores frontais (i.e., sensores 1, 2 e 9). Usando a saída desses sensores, foi possível controlar o movimento do robô, de modo que ele mantivesse sua parte frontal sempre voltada para o objeto, ao mesmo tempo em que o contornava. O sinal do sensor 1 possibilitou manter o robô a uma distância mínima segura do objeto e os sinais dos sensores 2 e 9 possibilitaram girar o robô em torno do seu próprio eixo, para mantê-lo voltado para o objeto, bem como executar movimentos laterais, necessários para contornar o objeto. O ambiente usado nesse experimento, ou cenário, é apresentado na Figura 13. Esse experimento mostrou que os sensores infravermelhos do Robotino possuem uma precisão maior que aquela especificada em seu manual. Embora o manual indique uma faixa de 4 cm a 30 cm, foi possível detectar objetos mais próximos ou mais distantes que isso.

4 Esse experimento mostrou que o ajuste do sensor ótico é dificultado pela falta de indicadores de precisão e pela interferência de ruídos como, por exemplo, a luminosidade do ambiente e o reflexo do piso. Figura 13 Experimento com sensor infravermelho. O segundo experimento teve como objetivo fazer o Robotino seguir um trajeto, definido por uma faixa metálica colada ao chão, usando apenas o sensor indutivo. No programa de controle desenvolvido, o robô deve se deslocar para frente, ao mesmo tempo em que monitora o sinal do sensor indutivo. Quando este sinal indica a ausência da faixa metálica, o robô interrompe o deslocamento para frente e começa a girar em torno de seu próprio eixo, à direita e à esquerda, até encontrar de novo a faixa, quando então seu deslocamento para frente é retomado. O cenário para esse experimento é apresentado na Figura 14. Esse experimento mostrou que a precisão do sensor indutivo é tão baixa que até mesmo pequenas ondulações no piso podem causar a perda do sinal do sensor. Além disso, o sensor não é capaz de detectar qualquer material metálico, como era inicialmente esperado. Figura 15 Experimento com sensor ótico. O quarto experimento teve como objetivo fazer o Robotino seguir um trajeto definido por uma faixa metálica colada ao chão e, ao visualizar um semáforo, se comportar de maneira apropriada (i.e., parar no sinal vermelho e seguir no sinal verde). Embora esse experimento tenha usado o sensor indutivo, seu foco foi no uso da câmera. No programa de controle desenvolvido, primeiramente a imagem da câmera acoplada ao robô foi captada e devidamente tratada por meio de filtros; em seguida, a imagem resultante foi analisada e transformada num único valor binário, usado para decidir quando o robô deveria parar e aguardar o sinal verde ou, então, prosseguir seu trajeto. O cenário usado nesse experimento, similar àquele exibido na Figura 14, foi adaptado com o dispositivo apresentado na Figura 16. Esse experimento mostrou que a câmera acoplada ao Robotino tem resolução baixa e não é capaz de detectar cores em superfícies luminosas. De fato, as superfícies luminosas são captadas pela câmera como se fossem brancas. A solução foi reconhecer a lâmpada apagada e, a partir disso, deduzir aquela que estava acesa. O posicionamento da câmera, por ser manual, também dificulta o reconhecimento do semáforo, quando este não é colocado exatamente no campo de visão da câmera. Figura 14 Experimento com sensor indutivo Experimentos com Sensores Digitais O terceiro experimento teve como objetivo fazer o Robotino seguir um trajeto, definido por uma faixa colorida colada ao chão, usando apenas os sensores óticos. Para esse experimento, foi desenvolvido um programa de controle similar àquele do segundo experimento; porém, o cenário foi modificado como indicado na Figura 15. Figura 16 Experimento com a câmera digital.

5 5. Conclusões Este artigo investigou o uso de sensores analógicos e digitais para a criação de programas de controle reativo do robô móvel autônomo produzido pela Festo, conhecido como Robotino, usando o ambiente de desenvolvimento integrado Robotino View. Foram desenvolvidos dois programas para investigar o uso de sensores analógicos (i.e., sensor infravermelho e sensor indutivo) e dois programas para investigar o uso de sensores digitais (i.e., sensor ótico e câmera). O uso da ferramenta Robotino View se mostrou bastante intuitivo e facilitou bastante a criação e teste dos programas, em um ambiente simulado, antes que esses fossem finalmente executados no robô real. No entanto, foram notadas pequenas discrepâncias entre os resultados dos testes feitos no ambiente simulado e aqueles feitos no ambiente real. Como esperado, os resultados obtidos no ambiente simulado foram mais precisos. Os experimentos feitos com os programas de controle reativo baseados em dados de sensores analógicos mostraram que o sensor infravermelho tem grande precisão (sendo inclusive maior que aquela indicada no manual do Robotino) e que, por outro lado, o sensor indutivo tem um alcance muito baixo, devendo estar a menos de 2 cm de distância da fita metálica para detectar sua presença. Os experimentos feitos com os programas de controle reativo baseados em dados de sensores digitais mostraram que o sensor ótico tem baixa precisão, sofrendo grande influência de ruídos como luminosidade do ambiente e reflexão do piso. Esses experimentos também mostraram que a câmera tem baixa precisão e que não é capaz de captar cores de objetos luminosos, uma vez que tais objetos são sempre captados com cor branca, independentemente da cor da luz emitida por eles. Apesar da baixa precisão da maioria dos sensores investigados nos experimentos realizados, foi possível desenvolver programas de controle reativo efetivos. De fato, em todos os casos, sempre foi possível ajustar a lógica dos programas de modo que o controle desejado pudesse ser observado. Como continuidade desse trabalho, poderiam ser investigados outros tipos de sensores como, por exemplo, sensor de contato e sonar. Outra extensão interessante desse trabalho seria investigar o uso combinado de vários tipos de sensores, dentro da abordagem de controle deliberativo, para execução de tarefas mais complexas que exijam algum tipo de raciocínio como, por exemplo, planejamento de rotas e alcance de metas específicas. Referências Bibliográficas [1] R. Siegwart; I. R. Nourbakhsh; D. Scaramuzza. Introduction to autonomous mobile robots, 2 nd Ed., MIT Press, [2] G. Bekey, Autonomous robots, MIT Press, [3] D. Floreano et al. Design, control, and applications of autonomous mobile robots, Swiss Federal Institute of Technology, [4] S. L. Pereira; L. N. Barros. A planner agent that tries its best in presence of nondeterminism, Journal of Applied Logic, v. 10, p , [5] R. Brooks. A robust layered control system for a mobile robot, MIT Press, [6] R. C. Arkin. Reactive robotic systems, Georgia Institute of Technology, [7] R. C. Weber; M. Bellenberg. Robotino manual, Festo Didactic GmbH & Co. KG, Germany, [8] F. V. Lopes; E. T. Moreira. Eletrônica básica, 2ª ed., Programa de Educação Tutorial, [9] H. L. Lima. Sensores indutivos, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, [10] F. Pereira. O mundo dos sensores, Saber Eletrônica, acessado em 1 jul [11] R. Weber; M. Bellenberg. Robotino View 2, Festo Didactic GmbH & Co. KG, Germany, Agradecimentos Ao CNPq pela bolsa de Produtividade em Pesquisa, Processo nº /2012-5, concedida ao orientador desse trabalho. À Profª M.Sc. Maria da Graça Marcatto, responsável pelo Laboratório de Automação e Controle de Processos da Faculdade de Tecnologia de São Paulo, onde os experimentos relatados nesse trabalho foram realizados.