Robôs Móveis Autônomos

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1 USP - ICMC - SSC Pós-Grad. CCMC SSC 5888 (RMA) - 1o. Semestre 2015 > 1o. Trimestre < 1 Março 2015 Disciplina de SSC-5888 Prof. Fernando S. Osório - Grupo de Robótica Móvel LRM Laboratório de Robótica Móvel do ICMC-USP INCT-SEC: Instituto Nacional de C&T em Sistemas Embarcados Críticos CROB-SC: Centro de Robótica da USP de São Carlos fosorio [at] { icmc. usp. br, gmail. com } Web: Wiki: Aula 01 Aula 01: Introdução Disciplina RMA Agenda: 1. Apresentação GRM 2. Objetivos da Disciplina 3. Programa e Conteúdos 3. Material de Apoio 4. Bibliografia 5. Avaliação - Trabalho Prático - Relatório / Artigo 2 Março : Introdução 1

2 1. Grupo GRM GRM Grupo de Robótica Móvel: LRM, LSEC, LASI LABORATÓRIO DE ROBÓTICA MÓVEL (ICMC) LRM Prof. Dr. Denis Fernando Wolf Prof. Dr. Fernando Santos Osório Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. (Lab. LASI / EESC) Profa Dra. Kalinka Castelo Branco (Lab. LSEC / ICMC) Site Web: LAB. DE SISTEMAS EMBARCADOS CRÍTICOS (ICMC) LSEC - Profa Dra. Kalinka Castelo Branco Site Web: LAB. DE SISTEMAS INTELIGENTES (EESC) LASI - Prof. Dr. Marco Terra Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. 3 Março 2015 Site Web: 1. Grupo GRM & Robótica USP-SC GRM Grupo de Robótica Móvel: Parceiros LABORATÓRIO DE ROBÓTICA MÓVEL LRM LAB. DE SISTEMAS EMBARCADOS CRÍTICOS LSEC LAB. DE SISTEMAS INTELIGENTES EESC/ SSC ICMC / SSC ICMC / SSC LAB. DE COMPUTAÇÃO RECONFIGURÁVEL LCR ICMC / SSC Profs. Alexandre Delbem, Cláudio Toledo, Eduardo Marques, Eduardo Simões Jorge Luiz e Silva, Onofre Trindade Jr, Vanderlei Bonato LAB. DE APRENDIZAGEM ROBÓTICA / BIOCOM LAR Profa. Dra. Roseli Romero ICMC / SCC 4 Março 2013 CROB-USP/SC Centro de Robótica da USP de São Carlos Coordenador / Diretor: Prof. Dr. Marco Terra EESC / Eng. Eletr. / LASI Vice-Diretora: Profa. Dra. Roseli Romero ICMC / SCC / LAR Membros / Conselho Administrativo: Denis Wolf, Fernando Osório, Kalinka Castelo Branco ICMC / SSC / LRM Valdir Grassi Jr. EESC / Eng. Eletr. / LASI Glauco Caurin, Marcelo Becker EESC / Eng.Mecânica / Mecatrônica Adriano Siqueira, Daniel Varela Magalhães - EESC / Eng.Mecânica / Mecatrônica 2

3 1. Disciplina do Grupo GRM WHO S WHO - LRM e GRM LABORATÓRIO DE ROBÓTICA MÓVEL LRM Prof. Dr. Denis Fernando Wolf (Coord. LRM) Prof. Dr. Fernando Santos Osório Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. (Lab. LASI / EESC) Profa Dra. Kalinka Castelo Branco (Lab.LSEC / ICMC) Site Web: LAB. DE SISTEMAS EMBARCADOS CRÍTICOS (ICMC) LSEC - Profa Dra. Kalinka Castelo Branco Site Web: LAB. DE LABORATÓRIO DE SISTEMAS INTELIGENTES (EESC) LASI - Prof. Dr. Marco Terra Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. 5 Março 2013 Site Web: 1. Disciplina do Grupo SEER WHO S WHO - LRM e GRM LABORATÓRIO DE ROBÓTICA MÓVEL LRM Prof. Dr. Denis Fernando Wolf (Coord. LRM) Prof. Dr. Fernando Santos Osório Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. (Lab. LASI / EESC) Profa Dra. Kalinka Castelo Branco (Lab.LSEC / ICMC) Site Web: LAB. DE SISTEMAS EMBARCADOS CRÍTICOS (ICMC) LSEC - Profa Dra. Kalinka Castelo Branco Site Web: LAB. DE LABORATÓRIO DE SISTEMAS INTELIGENTES (EESC) LASI - Prof. Dr. Marco Terra Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. 6 Março 2013 Site Web: 3

4 1. Disciplina do Grupo SEER WHO S WHO - LRM e LCR LABORATÓRIO DE ROBÓTICA MÓVEL LRM Prof. Dr. Denis Fernando Wolf Prof. Dr. Fernando Santos Osório Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. (Lab. LASI / EESC) Profa Dra. Kalinka Castelo Branco (Lab. LSEC / ICMC) Site Web: LAB. DE SISTEMAS EMBARCADOS CRÍTICOS (ICMC) LSEC - Profa Dra. Kalinka Castelo Branco Site Web: LAB. DE LABORATÓRIO DE SISTEMAS INTELIGENTES (EESC) LASI - Prof. Dr. Marco Terra Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. 7 Março 2013 Site Web: 1. Disciplina do Grupo SEER WHO S WHO - LRM e LCR LABORATÓRIO DE ROBÓTICA MÓVEL LRM Prof. Dr. Denis Fernando Wolf Prof. Dr. Fernando Santos Osório Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. (Lab. LASI / EESC) Profa Dra. Kalinka Castelo Branco (Lab. LSEC / ICMC) Site Web: LAB. DE SISTEMAS EMBARCADOS CRÍTICOS (ICMC) LSEC - Profa Dra. Kalinka Castelo Branco Site Web: LAB. DE LABORATÓRIO DE SISTEMAS INTELIGENTES (EESC) LASI - Prof. Dr. Marco Terra Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. 8 Março 2013 Site Web: 4

5 1. Disciplina do Grupo SEER WHO S WHO - LRM e LCR LABORATÓRIO DE ROBÓTICA MÓVEL LRM Prof. Dr. Denis Fernando Wolf Prof. Dr. Fernando Santos Osório Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. (Lab. LASI / EESC) Profa Dra. Kalinka Castelo Branco (Coord. Lab. LSEC) Site Web: LAB. DE SISTEMAS EMBARCADOS CRÍTICOS (ICMC) LSEC - Profa Dra. Kalinka Castelo Branco Site Web: LAB. DE LABORATÓRIO DE SISTEMAS INTELIGENTES (EESC) LASI - Prof. Dr. Marco Terra Prof. Dr. Valdir Grassi Jr. 9 Março 2013 Site Web: 1. Objetivos da Disciplina SSC Objetivos Esta disciplina aborda temas relacionados com as pesquisas atuais na área de robótica móvel. Serão apresentadas arquiteturas robustas de controle em robótica, bem como tópicos mais avançados abordando: -Técnicas inteligentes para controle robusto; - Auto-localização; - Planejamento de trajetórias e estratégias de ação; - Navegação autônoma de sistemas móveis em ambientes com obstáculos estáticos e dinâmicos; - Execução de tarefas complexas. 10 Maio 2014 Os alunos irão desenvolver aplicações práticas de controle de robôs móveis através do uso de simuladores e de robôs reais, fazendo uso de sensores avançados (ex.: Laser, Sistemas de Visão, GPS). 5

6 2. Programa e Conteúdos SSC Conteúdos 11 Maio Robôs móveis autônomos: Percepção-Decisão-Ação / Sensores e atuadores avançados; - Uso de sensores do tipo Laser (LIDAR); - Sistemas baseados em câmeras (visão computacional para robótica); - Sistemas de localização baseados em GPS; - Arquiteturas e sistemas de controle robusto para robôs móveis: Planejamento e navegação com controle da localização, evitando colisões com obstáculos estáticos (conhecidos ou desconhecidos) e com obstáculos móveis; - Navegação baseada em landmarks (marcas visuais); - Projeto, implementação, teste e validação de sistemas de controle em robôs simulados e robôs reais; - Projeto de sistemas robóticos embarcados: integração hardware e software; - Veículos móveis autônomos; 2. Programa e Conteúdos SSC Programa da Disciplina: a Aula 01 - Apresentação da Disciplina RMA. Introdução RMA - Robôs Móveis Autônomos. Simulação: V-REP Simulador Virtual 3D Realista [Educational Free] Player-Stage VM VirtualBox Disponível Aula 02 - Arquiteturas de Controle. Mapas(Construção e Uso). Planejamento/Localização/Navegação Aula 03 - Percepção e Visão Computacional 2D e 3D. Aula 04 - TRABALHO DE ALUNOS: Andamento ("check-point") Aula 05 Machine Learning na Robótica: RNA, AG, outros. Aula 06 Pesquisas: Localização, Sensores, Multirobôs, Autômatos Aula Final - TRABALHO DE ALUNOS: Apresentação do Trabalho Final Trabalhos: Apresentação trabalho final de 12/05 ou 19/05 12 Março 2015 Cronograma com Datas e Detalhes Disponíveis em: 6

7 3. Material de Apoio Material de Apoio Material on-line: WebPage do Professor - Wiki ICMC Informações Complementares e Atualizadas: > Consulte o material disponível na HomePage e na Wiki ICMC 13 Março 2015 Veja a seção "Material de Aulas" Veja também a seção "Material Complementar" Disponíveis no Site do ICMC e na Wiki ICMC Dica: login usp e senha guest para conteúdo protegido. 3. Material de Apoio Material de Apoio 14 Maio

8 3. Material de Apoio WIKI do ICMC 15 Maio Material de Apoio Material de Apoio LRM, LSEC, Grupo GRM, CROB SBC - JAI 2005, JAI 2009 INCT-SEC - Instituto Nac. de C&T Sistemas Embarcados Críticos SITE LRM & WIKI LRM Disciplinas Relacionadas 16 Maio

9 4. Bibliografia Bibliografia Bibliografia Básica: - Dudek, Gregory & Michael Jenkin. Computacional Principles of Mobile Robotics. Cambridge Press, Mataric, Maja J. The Robotics Primer. MIT Press, Bekey, George A. Autonomous Robots: From Biological Inspiration to Implementation and Control. The MIT Press: Cambrigde, London. 563p (2005). 17 Maio 2012 Bibliografia Complementar: - Arkin, Ronald C. Behavior-based robotics. Cambridge, Mass. : MIT Press, c Thrun, Sebastian; Wolfram Burgard; Dieter Fox. Probabilistic robotics. Cambridge, Mass. : MIT Press, c Bräunl, Thomas. Embedded robotics : mobile robot design and applications with embedded systems. Berlin; New York : Springer, c Jones, Joseph L.; Bruce A. Seiger; Anita M. Flynn. Mobile robots : inspiration to implementation. Natick, Mass. : A.K. Peters, c Siegwart, Roland & Illah R. Nourbakhsh. Introduction to autonomous mobile robots. Cambridge, Mass. : MIT Press, Bibliografia Bibliografia Bibliografia... - Brooks, Rodney. Cambrian Intelligence:The Early History of the new AI. Bradford Book. MIT Press, Pio, J. L. de Souza e Campos, M. F. M. (2003). Navegação Robótica. XXII Congresso da SBC. Anais JAI 03. Campinas, SP. - Medeiros, Adelardo A.D. (1998). A Survey of Control Architectures for Autonomous Mobile Robots. JBCS - Journal of the Brazilian Computer Society, Special issue on Robotics. v.4, n.3. - Latombe, J. (1991). Robot Motion Planning. Kluwer Academic Publisher, Boston, MA. 18 Maio Referências de I.A. (A.I. and Machine Learning): - Mitchell, T. M. Machine learning. New York: McGraw-Hill - Computer Science, p. - Haykin, Simon. Neural Networks: A Comprehensive Foundation. Prentice-Hall. 2nd Ed p. (Tradução: Neural Network: Princípios e Prática. Bookman, 2001). - Rezende, Solange Oliveira. Sistemas Inteligentes: Fundamentos e Aplicações. Manole Editora p. - Mitchell, Melanie. An introduction to genetic algorithms. MIT Press, p. + Referências: - SBC JAI 2005, SBC JAI 2009, Web: Artigos, Teses... PUBLICAÇÕES LRM: 9

10 4. Bibliografia Bibliografia EDITORA LTC - GEN Autores: Roseli Romero (ICMC-USP) Fernando Osório (ICMC-USP) Denis Wolf (ICMC-USP) Edson Prestes Jr. (UFRGS) 19 Março Bibliografia Referências Links... LRM - INCT-SEC PROJETO CaRINA - YouTube: Canal lrmicmc CURSO JAI CURSO JAI [ usp / guest ] PUBLICAÇÕES LRM: INCT SEC => Activity Report 20 Março 2015 Simuladores e Ferramentas de Desenvolvimento: V-REP 3D Virtual Simulator Player-Stage / Gazebo / ROS MORSE Microsoft Robotic Studio 10

11 5. Avaliação Avaliação Trabalho Prático Relatório / Artigo descrevendo o Trabalho Prático Exemplos de Trabalho: - Comboio de Robôs - Navegação baseada em Imagens - Navegação baseada em way-point c/fusão de GPS e Laser - Navegação indoor baseada em mapas topológicos 21 Março 2015 Ferramentas: - Uso do simulador VREP, Player-Stage, ROS, Gazebo, MORSE - Uso dos Robôs: Pioneer, Erratic, SRV1/Taz, CaRINA A robótica inteligente no ICMC O que é... INCT-SEC Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Sistemas Embarcados Críticos NAP CRob-SC/USP Núcleo de Apoio a Pesquisa Centro de Robótica da USP São Carlos 22 Março 2012 LRM Laboratório de Robótica Móvel do ICMC / USP INCT-SEC Projeto CaRINA/LRM * GT1 INCT-SEC (Robôs Táticos - Indoor) Projeto Parceiros * GT2 INCT-SEC (Veículos Autônomos) Proj. Arara/Tiriba/AGX * GT3 INCT-SEC (VANTs) Projeto SENA/EESC * GT5 INCT-SEC (Veículos Aquáticos) 11

12 A robótica inteligente no ICMC O que é... INCT-SEC Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Sistemas Embarcados Críticos Ver Refs: (Canal Youtube: lrmicmc) Site Oficial INCT-SEC VIDEOS LRM: youtube.com/lrmicmc 23 Março 2012 A robótica inteligente no ICMC O que é... INCT-SEC Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Sistemas Embarcados Críticos NAP CRob-SC/USP Núcleo de Apoio a Pesquisa Centro de Robótica da USP São Carlos Ver Refs: Março 2012 CRob-SC/USP EESC / ICMC Marco Terra Denis Wolf Roseli Romero Fernando Osório Conselho Valdir Grassi Jr. Kalinka Castelo Branco Administrativo Glauco Caurin Daniel Varela Magalhães Marcelo Becker Adriano Siqueira 12

13 A robótica inteligente no ICMC O que é... LRM Laboratório de Robótica Móvel do ICMC / USP Robôs de Segurança - LRM - INCT-SEC GT1 Projeto CaRINA - LRM INCT-SEC GT Março 2012 A robótica inteligente no ICMC O que é... LRM Laboratório de Robótica Móvel do ICMC / USP Projetos CaRINA, S-Truck, SEC-BOT, NAV-AG 26 Março

14 Scientific American - January 2007 A Robot in Every Home The leader of the PC revolution predicts that the next hot field will be robotics By Bill Gates Imagine being present at the birth of a new industry. It is an industry based on groundbreaking new technologies, wherein a handful of well-established corporations sell highly specialized devices for business use and a fast-growing number of start-up companies produce innovative toys, gadgets for hobbyists and other interesting niche products. But it is also a highly fragmented industry with few common standards or platforms. Projects are complex, progress is slow, and practical applications are relatively rare. In fact, for all the excitement and promise, no one can say with any certainty when--or even if--this industry will achieve critical mass. If it does, though, it may well change the world. 27 Fev Of course, the paragraph above could be a description of the computer industry during the mid-1970s, around the time that Paul Allen and I launched Microsoft. Robótica 28 14

15 Da ficção científica à realidade Da ficção científica à realidade

16 Robôs: Da ficção científica à realidade... By 31 Exemplos de Aplicações... Produtos Comerciais 32 Fev

17 Robôs Móveis Empresas & Empregos Jan Robótica Empresas & Empregos 7.5 Million home robots! ol_stuff_ppt.html

18 DARPA Challenge Darpa Grand Challenge Prêmio: US$ 1 Milhão - Sem Vencedores First Grand Challenge, held on March 13, 2004, when only 13 teams were able to field machines for the 142-mile course and none cleared the first mountain crossing (see A New Race of Robots, by W. Wayt Gibbs; SCIENTIFIC AMERICAN, March 2004) Darpa Grand Challenge Prêmio: US$ 2 Milhões - Vencedor: Stanley / Stanford Five out of 23 competing robots successfully navigated a 132-mile course through the Mojave Desert in October 2005 as part of the DARPA Grand Challenge race. To qualify for the $2-million prize, the driverless vehicles had to finish in less than 10 hours. Four turned in elapsed times under 7.5 hours. 35 Março Darpa Urban Challenge Prêmio: US$ 2 milhões Vencedor: Boss / CMU The Urban Challenge, announced in April 2006, called for autonomous vehicles to drive 97 km through an urban environment, interacting with other moving vehicles and obeying the California Driver Handbook. Interest in the event was immense, with 89 teams from around the world registering interest in competing. Competition took place on November 3, Robôs Móveis Autônomos DARPA Grand Challenge 36 Março

19 DARPA Grand Challenge 37 Março 2011 DARPA Grand Challenge 38 Março

20 Robôs Móveis Autônomos DARPA Grand Challenge Ganhadores Stanley / Stanford University Sebastian Thrun, Mike Montemerlo, Hendrik Dahlkamp, David Stavens, Andrei Aron, James Diebel, Philip Fong, John Gale, Morgan Halpenny, Gabriel Hoffmann, Kenny Lau, Celia Oakley, Mark Palatucci, Vaughan Pratt, and Pascal Stang Stanford Artificial Intelligence Laboratory- Stanford University - Stanford, California Sven Strohband, Cedric Dupont, Lars-Erik Jendrossek, Christian Koelen, Charles Markey, Carlo Rummel, Joe van Niekerk, Eric Jensen, and Philippe Alessandrini Volkswagen of America, Inc. - Electronics Research Laboratory - Palo Alto, California Gary Bradski, Bob Davies, Scott Ettinger, Adrian Kaehler, and Ara Nefian Intel Research Mission College Boulevard Santa Clara, California Pamela Mahoney Mohr Davidow Ventures Menlo Park, California Março 2011 DARPA Urban Challenge Boss, the autonomous Chevy Tahoe that won the 2007 DARPA Urban Challenge Tartan Racing CMU Carnegie Mellon University Pittsburgh, Pennsylvania 40 Março

21 Humanoides DRC Darpa Robotics Challenge DRC Darpa Robotics Challenge Humanoides DRC Darpa Robotics Challenge DRC Darpa Robotics Challenge Tarefa 1 Dirigir um veiculo Tarefa 2 Atravessar um terreno a pé Tarefa 3 Remover entulhos que bloqueiam uma porta Tarefa 4 Abrir uma porta e entrar em um prédio Tarefa 5 Subir uma escada industrial/escada comum Tarefa 6 Usar uma ferramenta para quebrar uma parede Tarefa 7 Localizar e fechar uma válvula Tarefa 8 Conectar um cabo/mangueira 42 21

22 Humanoides DRC Darpa Robotics Challenge DRC Darpa Robotics Challenge Pontuação: 1. Primeiro critério: Será o cumprimento da tarefa 2. Segundo critério: Será o tempo para completar a tarefa 3. Terceiro critério: Será o volume de dados (bits uplinked + bits downlinked) 43 Humanoides DRC Darpa Robotics Challenge DRC Darpa Robotics Challenge Pontuação: 1. Primeiro critério: Será o cumprimento da tarefa 2. Segundo critério: Será o tempo para completar a tarefa 3. Terceiro critério: Será o volume de dados (bits uplinked + bits downlinked) 44 22

23 Humanoides DRC Darpa Robotics Challenge DRC Darpa Robotics Challenge Petman e Atlas (Boston Dynamics) => ADQUIRIDA PELA GOOGLE Atlas - The Agile Anthropomorphic Robot 45 Humanoides DRC Darpa Robotics Challenge DRC Darpa Robotics Challenge Humanoides 46 23

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25 Exemplos de Aplicações... Científicas 49 Fev Exemplos de Aplicações... Milton Heinen 2006 (Orientador: F. Osório) SEVA 3D 50 Fev

26 Exemplos de Aplicações... Marcos Prado, 2013 (Orientador: Denis Wolf) 51 Fev Milton Heinen 2007 (Orientador: F. Osório) LEGGEN Honda Asimo 52 Fev

27 - Sensores 53 Fev Fonte: SBC / JAI 2009 Referências Complementares... Exemplos de Aplicações desenvolvidas no LRM no ICMC Sensores Velodyne HDL-32E 54 Fev

28 Atuadores (Motor) 55 Fev Fonte: SBC / JAI 2009 Fluxo de desenvolvimento de software Simulação Testes em robôs de pequeno porte Testes em robôs de grande porte 56 28

29 Simulação Validação inicial dos algoritmos desenvolvidos utilizando simuladores de robôs e sensores. Vantagens: - Possibilidade irrestrita de experimentos - Economia de tempo de desenvolvimento - Evita danos aos robôs e sensores 57 Testes em robôs de pequeno porte Validação do sistema em ambientes reais de escala reduzida. Vantagens: - Ambientes e informações reais para validação dos sistemas desenvolvidos - Facilita a logística dos experimentos - Diminui a chance de danos aos robôs e sensores 58 29

30 Testes em robôs de pequeno porte 59 : na prática... LRM Lab. de Robótica Móvel do ICMC/USP INCT-SEC Instituto Nacional de Sistemas Embarcados Críticos CRob-SC/USP Centro de Robótica de São Carlos 60 30

31 : na prática... CaRINA II Carro Robótico Inteligente para Navegação Autônoma Veículo Autônomo LRM/ICMC-USP 61 : na prática Fev

32 : na prática... LRM Lab. de Robótica Móvel do ICMC/USP INCT-SEC Instituto Nacional de Sistemas Embarcados Críticos CRob-SC/USP Centro de Robótica de São Carlos 63 Fev Veículos Autônomos Exemplos de Aplicações desenvolvidas no LRM no ICMC Veículos Autônomos CARINA II ( Videos: 64 Fev

33 Robôs de Segurança Robots and Sensors Kinect Diogo Correa Daniel Sales 65 Robôs Educativos : Aplicações LRM ICMC Pesquisas: Robôs com fins educativos - Arduino ARDUINO Sensor de luz Gregório: Robô com patas Desenvolvidos por Alunos da Pré-IC Baseado no Arduino Programado usando uma linguagem C-Like do Arduino Sensores + Motores 66 Março 2013 F.Osório

34 Software SBIA 2010 # 67 Introdução RMA Conceitos Básicos... Introdução aos Sistemas Robóticos SENSORES ATUADORES CONTROLE INTELIGENTE Ciclo: - Percepção [ Planejamento / Decisão ] - Ação Tarefas: 68 Mario Localização (Pose) - Mapas (criar, usar) - Planejar Rotas - Desviar de Obstáculos 34

35 Percepção Decisão - Ação Laço: Percepção Decisão - Ação Autonomia Percepção: Humana / Robô Decisão: Humana / Robô Ação: Humana / Robô Percepção Decisão Ação Sensores Processamento Motores Autômato - - R Tele-Operado H H R Semi-Autônomo H/R H/R R Autônomo R R R H: Humano R: Robótico 69 Março 2013 Introdução RMA Conceitos Básicos... Introdução aos Sistemas Robóticos SENSORES ATUADORES CONTROLE INTELIGENTE Ciclo: - Percepção [ Planejamento / Decisão ] - Ação Tarefas: 70 Mario Localização (Pose) - Mapas (criar, usar) - Planejar Rotas - Desviar de Obstáculos 35

36 Arquiteturas de Controle ARQUITETURAS HÍBRIDAS 71 [J. Okamoto Jr & V. Grassi Jr., 2012] Abril 2010 Arquiteturas de Controle Arquitetura de Controle: Reativo Percebe => Age Deliberativo Planeja/Decide => Age Agentes Autônomos dotados de SENSORES e ATUADORES Reativo: Sensorial Motor Planejamento Deliberativo 72 Abril

37 Arquitetura de Controle CONTROLE: Arquiteturas Reativas Ambas possuem problemas e limitações! CONTROLE: Arquiteturas Deliberativas Solução? Buscar aproveitar o que de melhor tem cada uma das duas abordagens... SISTEMAS HÍBRIDOS! 73 Março 2010 Arquiteturas de Controle Híbridas Controle Hierárquico Vertical Hierarquia de Comportamentos: - Evitar/Desviar de obstáculos - Seguir em uma determinada direção - Seguir uma determinada rota 74 Abril

38 Arquiteturas de Controle Híbridas Controle Hierárquico Brooks - Arquitetura Subsumption 75 Abril 2010 Figures From: Brooks, R. A. MIT A.I. Memo 864 Sept Arquiteturas de Controle Híbridas Controle Hierárquico Arquiteturas Hierárquicas Verticais Brooks-Subsumption Arquitetura Hierárquicas Horizontais SMPA Sense Model - Plan - Act 76 Abril

39 Arquiteturas de Controle Híbridas Controle Híbrido Robusto COHBRA / SimRob3D 77 Abril 2010 Arquiteturas de Controle Híbridas Arquiteturas Híbridas Controle Híbrido: Arquitetura com Estados Internos (Autômato) 78 Abril

40 Pesquisa no LRM... Exemplos de Equipamento usados no LRM no ICMC Sensores Velodyne HDL-32E 79 Fev Referências Complementares... Exemplos de Aplicações desenvolvidas no LRM no ICMC Veículos Autônomos CARINA II ( SRV1 & Gregório 80 Fev

41 Robótica Móvel Simuladores de Robôs Móveis Player/Stage/Gazebo/MORSE/ROS Sistemas Robóticos Móveis Inteligentes Localização Mapeamento Planejamento SLAM Seguimento de Trajetória Navegação Desvio de Obstáculos SBIA 2010 # 81 Robótica Móvel SIMULAÇÃO Em Robótica Móvel SBIA 2010 # 82 41

42 Robótica Móvel - Simuladores Por que usar simuladores? Economia de recursos financeiros Economia de tempo Evitar danos aos robôs e sensores Evitar acidentes Aperfeiçoamento de hardware e software SBIA 2010 # 83 Simuladores de Robôs Móveis Carmen Desenvolvido na CMU Simula e controla robôs móveis Gratuito e código aberto SO: Linux Aria/Saphira Desenvolvido pela MobileRobots Simula e controla robôs Pioneer Exige licença SO: Linux e Windows SBIA 2010 # 84 42

43 Simuladores de Robôs Móveis Microsoft Robotics Studio Desenvolvido pela Microsoft Simula e controla robôs móveis Simulação física (3D) 3 tipos de licença SO: Windows Webots Desenvolvido pela Cyberbotics Simula e controla robôs móveis Simulação física (3D) Exige licença SO: Linux, Windows e Mac. SBIA 2010 # 85 Player/Stage/Gazebo Player Sistema para controle de robôs móveis Suporta diversos tipos de robôs e sensores Stage Simulador de robôs móveis e sensores Ambientes bidimensionais Compatível com Player Gazebo Simulador de alta fidelidade Ambientes em 3 dimensões Compatível com Player SBIA 2010 # 86 43

44 ROS/Gazebo ROS Sistema para controle de robôs móveis Suporta diversos tipos de robôs e sensores Orientado a serviços (publish/subscribe) Visualização (Logs, dados em tempo real) Pacotes: Implementações em Robótica Gazebo Simulador de alta fidelidade (integração c/ros) Ambientes em 3 dimensões (3D) Simulação Física (Cinemática) Amplamente usado (DARPA Robotics Challenge) SBIA 2010 # 87 MORSE MORSE Sistema para controle de robôs móveis: Terrestres, Aquáticos, Aéreos, Humanóides Suporta diversos tipos de robôs e sensores Usa o Blender (OpenGL-based Game Engine) para visualização/simulação 3D Usa scripts em Python Permite integração com o ROS SBIA 2010 #

45 Robô Móvel Modelo Básico 89 Robô Móvel Modelo Básico Sensores internos: observam o estado do robô (odometria, GPS, giroscópios). Câmera GPS Sensores externos: observam o estado do ambiente (câmeras, sonares, lasers). Laser Atuadores: alteram o estado do robô e do ambiente (rodas, pernas, garras). Sonares Odômetro (encoder) 90 45

46 Fluxo de desenvolvimento de software Simulação Testes em robôs de pequeno porte Testes em robôs de grande porte 91 Simulação Validação inicial dos algoritmos desenvolvidos utilizando simuladores de robôs e sensores. Vantagens: - Possibilidade irrestrita de experimentos - Economia de tempo de desenvolvimento - Evita danos aos robôs e sensores 92 46

47 Testes em robôs de pequeno porte Validação do sistema em ambientes reais de escala reduzida. Vantagens: - Ambientes e informações reais para validação dos sistemas desenvolvidos - Facilita a logística dos experimentos - Diminui a chance de danos aos robôs e sensores 93 Testes em robôs de pequeno porte 94 47

48 Testes em robôs de grande porte Validação do sistema em ambientes e situações reais. Características: - Ambientes e informações reais para validação dos sistemas desenvolvidos - Logística complexa - Possibilidade de danos aos robôs e sensores Robótica Móvel SOFTWARES para Robótica Móvel SBIA 2010 # 96 48

49 Software SBIA 2010 # 97 ROS/Gazebo ROS Sistema para controle de robôs móveis Suporta diversos tipos de robôs e sensores Orientado a serviços (publish/subscribe) Visualização (Logs, dados em tempo real) Pacotes: Implementações em Robótica Gazebo Simulador de alta fidelidade (integração c/ros) Ambientes em 3 dimensões (3D) Simulação Física (Cinemática) Amplamente usado (DARPA Robotics Challenge) SBIA 2010 # 98 49

50 MORSE MORSE Sistema para controle de robôs móveis: Terrestres, Aquáticos, Aéreos, Humanóides Suporta diversos tipos de robôs e sensores Usa o Blender (OpenGL-based Game Engine) para visualização/simulação 3D Usa scripts em Python Permite integração com o ROS SBIA 2010 # 99 História do Player Projeto iniciado em 2000 na University of Southern California. Hoje em dia, seu core básico continua sendo desenvolvido pelos autores originais, apesar de diversos pesquisadores de diferentes instituições contribuem para o projeto. Atualmente, o Player é utilizado por diversas empresas e universidades em 5 continentes downloads por mês. SBIA 2010 #

51 Características do Player Software livre Modelo Cliente/Servidor Desenvolvido para sistemas Linux/Unix Comunicação baseada em sockets Clientes em: C, C++, Java, Python etc Interface de alto nível para acesso ao hardware Suporta grande quatidade de plataformas robóticas e sensores comerciais SBIA 2010 # 101 Programa de controle Camera Laser Sonar Odometria Motores PCI USB Serial Serial Canbus Programa do usuário Aquisição de dados dos sensores Comandos para os motores Planejamento Deslocamento desejado SBIA 2010 #

52 Player Camera PCI Player Programa do usuário Laser Sonar Odometria Motores USB Serial Serial Canbus Aquisição de dados dos sensores Comandos para o motor Planejamento Deslocamento desejado SBIA 2010 # 103 Abstração de hardware Hardware Do Robô Servidor Player Biblioteca Cliente do Player Simulador Stage Simulador Gazebo Servidor Player Servidor Player C/C++ C# Java Tcl Python Ruby Lisp Octave Programa do usuário SBIA 2010 #

53 Modelo Cliente/Servidor Clientes podem se conectar a múltiplos servidores Servidores aceitam conexão de múltiplos clientes Diferentes programas/processos/threads podem processar dados de diferentes sensores do mesmo servidor. Operação remota SBIA 2010 # 105 Gazebo - Simulação 3D SBIA 2010 #

54 Gazebo v0.8 SBIA 2010 # 107 Simulação de Robôs Móveis Simulador 3D Gazebo

55 Simulação de Robôs Móveis Simulador 3D Gazebo 109 Simulação de Robôs Móveis Simulador 3D Gazebo

56 CaRINA Percepção Player/Stage 56

57 Gazebo Gazebo 57

58 Robótica Autônoma Aplicações : Aplicações LRM ICMC Pesquisas: Simulação de Veículos (IC) / Visão Computacional (IC) Rafael Klaser / Gazebo 115 Março 2011 Player/Stage Empty Corridor Robot Laser Scan Obstacles: represented in black SBIA 2010 #

59 Laboratório de Robótica Móvel ICMC/USP Equipe do LRM Robôs Terrestres Professores: Denis Wolf, Fernando Osório Colaboradores : Valdir Grassi Jr. e Kalinka Castelo Branco Alunos: Doutorandos: Gustavo Pessin, Leandro Fernandes, Maurício Dias, Danilo Habermann, Diogo.Correa, Daniel Sales, Rafael Berri, Valéria Carvalho Jefferson Souza, Patrick Shinzato, Alberto Hata, Francisco Alencar, Caio Mendes, Andrés Hernandez, Carlos Massera F o Mestrandos: Rafael Klaser, Vitor Utino, Leonardo Christino, Luis Rosero DiegoSciotti, Marcos Gomes, André Toshio, Tiago Santos Iniciação Científica, Iniciação Tecnológica, Pré-Iniciação Científica, TCCs Programas de Bolsas USP (Tutoria, PRG, PREx) [20 alunos] fosorio@icmc.usp.br Laboratório de Robótica Móvel ICMC/USP YouTube LRM:

60 LRM Laboratório de Robótica Móvel Prof. Denis Wolf 119 Março 2010 Profa. Kalinka Castelo Branco Prof. Valdir Grassi Jr. INFORMAÇÕES SOBRE A DISCIPLINA USP - Universidade de São Paulo - São Carlos, SP ICMC - Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação SSC Depto. de Sistemas de Computação GRM - Grupo de Pesquisa em Robótica Móvel LRM Lab. de Robótica Móvel: Prof. Fernando Santos OSÓRIO Web institucional: Página pessoal: fosorio [at] icmc. usp. br ou fosorio [at] gmail. com 120 Março 2015 Disciplina de (PG-CCMC) Web Disciplinas: Programa, Material de Aulas, Critérios de Avaliação, Material de Apoio, Trabalhos Práticos Wiki: 60