TDP da Equipe de Futebol de Robôs Red Dragons UFSCar Categoria IEEE Very Small Size

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1 TDP da Equipe de Futebol de Robôs Red Dragons UFSCar Categoria IEEE Very Small Size Natália S. Andrade 1, Fernando S. Fernandes 1, Gleyson Oliveira 1,Vinícius I. P. Cunha 1, Saulo B. Chaves 1, Willer G. M. Paternostro 1, Beatrice S. de Almeida 1, Isabela C. Martins, Hellen O. Diógenes, Guilherme Luiz da Cunha 1, Alessandra de M. Souza, Bruno T. Magalhães 1, Yuri A. Russignoli, Felipe A. Santos 1 reddragons.ufscar@gmail.com Abstract Neste Team Description Paper - TDP é descrito o sistema de futebol de robôs que será utilizado pela equipe Red Dragons UFSCar em seu segundo ano de competição na categoria IEEE Very Small Size. O artigo apresenta uma descrição do trabalho realizado por quatro áreas do grupo: Mecânica, Eletrônica, Visão Computacional, e Controle e Estratégia. I. INTRODUÇÃO Uma competição de futebol de robôs consiste em uma arena, dois times com três robôs, um técnico, um computador responsável por gerar as estratégias para cada jogador e uma câmera CCD situada acima do campo que é responsável por obter as imagens que será utilizadas pelo técnico para gerar novas estratégias para o time. Estas estratégias será executadas pelo robô através de um controlador. Tecnicamente, o futebol de robô é um jogo competitivo que produz elevadas demandas em todos as áreas de tecnologia robótica como mecânica, controle, sensores, comunicação e inteligência, []. Desse modo, necessita de uma equipe com conhecimentos multidisciplinares. Pensando nisso, a equipe de Futebol de Robôs da Universidade Federal de São Carlos, os Red Dragons UFSCar é formada por alunos dos cursos de Engenharia Elétrica, Engenharia Mecânica, Engenharia Física, Engenharia da Computação, Engenharia de Produção e Física. A equipe também conta com o apoio do Grupo de Robótica e da Pró-Reitoria de Extensão da UFSCar desde 014, ano no qual participou da sua primeira competição na categoria IEEE Very Small Size na XII Competição Brasileira de Robótica. A equipe Red Dragons UFSCar está dividida em quatro áreas: Mecânica, Eletrônica, Visão Computacional, e Controle Estratégico. Neste TDP será descrito a proposta de desenvolvimento do sistema de futebol em cada uma dessas áreas. Na Mecânica será desenvolvido um time de 3 robôs estruturalmente idênticos. A carcaça e as peças do robôs será prototipadas em uma Impressora 3D Prusa Mendel. O projeto mecânico do robô é descrito na Seção II-B. Na Eletrônica *Este trabalho é financiado pela Pró-Reitoria de Extensão da UFSCar. 1 Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de São Carlos - UFSCar, Rodovia Washington Luis, Km 35 - Cx. Postal CEP São Carlos, SP. Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos - UFSCar, Rodovia Washington Luis, Km 35 - Cx. Postal CEP São Carlos, SP. será desenvolvido o hardware do robô. Este sistema será composto pelo kit desenvolvimento Alevino, unidade de medida inercial, comunicação via rádio e USB, ponte H, motores de corrente contínua com redução e encoders. Maiores detalhes desses elementos são mostrados na Seção III. Já a Visão Computacional ficarão responsável pelo algoritmo de localização dos robos e da bola será desenvolvido em Open CV no Linux. Detalhes da implementação do sistema de localização podem ser vistos na Seção IV. E por último, a área de Controle Estratégico, ficará responsável pelo controle cinemático do robô, do planejamento de trajetória a partir das informações disponibilizadas pela visão computacional com desvio de obstáculo e pela tomada de decisão de mudança de estratégia. II. PROJETO MECÂNICO O projeto mecânico é uma parte muito importante do time, uma vez que estrutura a parte física dos robôs da competção. Na primeira competição do time Red Dragons, os chassis, as rodas, as engrenagens e os motores foram baseados nas estruturas de outros times, uma vez que o time não possuía nenhuma experiência em competições de futebol de robôs, e outras equipes já haviam definido alguns conceitos que pareciam funcionar na prática. Por estes motivos, a estrutura do ano de 014 sofreu muita influência de outros times, dando ao RD uma base com a qual trabalhar. Para a temporada de 015, o time já possui experiência para projetar as próprias modificações na estrutura, baseado em observações feitas nas competições e também em aspectos construtivos e de produção. Muitos fatores foram simplificados, tornando a construção facilitada e a manutenção mais simples. Além disso, com a diminuição da quantidade de componentes mecânicos na estrutura, os robôs agora têm mais espaço para os componentes eletrônicos. A. Ferramentas Como na temporada de 014, o projeto da mecânica dos robôs é realizado no software Inventor, da Autodesk. Este é atualmente utilizado por ser uma ferramenta de facilidade de aprendizado razoável, com precisão o suficiente para suprir as necessidades de design que o time necessita. Porém, se planeja que as versões finais da estrutura mecânica para a competição seja feita pelo software SolidWorks, graças a

2 Fig. 1. Chassi Modelo 014. Fig.. Chassi Modelo 015. Fig. 3. Sistema de mobilidade 014. Fig. 4. Sistema de mobilidade 015. Fig. 5. Vista isométrica superior do robô Modelo 015. Fig. 6. Vista isométrica inferior do robô Modelo 015. um curso oferecido por uma empresa parceira do time. A mudança de software foi considerada por conta da maior gama de ferramentas e opções existentes no SolidWorks, e também por conta do desenvolvimento pessoal dos membros do time Red Dragons. Assim como na temporada de 014, os robôs para a competição serão impressos em uma impressora 3D. Porém, para a temporada deste ano, as estruturas serão feitas em um modelo diferente de impressora. No ano passado foi utilizada a impressora Prusa Mendel I3. Apesar de atender às nossas principais necessidades, este modelo de impressora apresenta dificuldades de produção, uma vez que seu funcionamento depende do controle de temperatura, que não é muito eficiente. O modelo utilizado para a temporada 015 será da marca Stratasys, da série Objet. Este modelo permitirá uma impressão precisa e com menos etapas de fabricação, uma vez que possui a possibilidade de impressão de mais de um material na mesma peça, além de a opção de impressão de partes móveis já montadas. B. Estrutura dos Robôs para 015 Como já mencionado, algumas partes da estrutura foram simplificadas, em relação aos modelos de 014. A começar da base, temos a retirada do eixo metálico central, no qual as rodas giravam em falso. As engrenagens nas rodas também foram retiradas, assim como as engrenagens dos eixos dos motores. Ao invés disso, os motores foram alinhados na direção do eixo central, mantendo as rodas ligadas diretamente nos eixos. Foi uma mudança estratégica, pensando na redução da complexidade e na diminuição do número de componentes, que facilitaria a produção. A Figura 1 mostra a estrutura do chassi de 014, e a figura, o chassi de 015, para fins de comparação. As Figuras 3 e 4 comparam os sistemas funcionais da mobilidade do robô dos anos 014 e 015. A carroceria dos robôs foi projetada para se adaptar à nova disponibilidade das rodas. As janelas para as rodas permanecem, porém não existe mais a necessidade das janelas para as engrenagens. A reentrância para o encaixe da bola permanece. III. ELETRÔNICA No sistema utilizado haverá um sistema de visão comunicando-se com um computador, esse computador receberá dados via radiofrequência adquirido da UMI (Unidade de Medida Inercial), ele calculará a trajetória e enviará a informação via radiofrequência para o microcontrolador embarcado no robô. O microcontrolador por sua vez, regulará a tensão aplicada aos motores de tração segundo as informações recebidas do computador. Os sinais do sistema de visão e da UMI serão usadas para fechar a malha de controle do sistema. O esquemático da eletrônica do robô diferencial da equipe RedDragons está apresentado na Figura 7 abaixo:

3 Fig. 7. Esquemático da eletrônica. Fig. 9. Unidade de medida inercial da empresa Circuitar. A. Microcontrolador O microcontrolador utilizado, inicialmente, será o ATmega38, embarcado em uma estrutura chamada de Alevino, as dimensões e a pinagem dele são compatíveis com o Arduino Nano(ver Figura 8). A vantagem na utilização desse chip é a possibilidade de utilização da Arduino IDE, com todas suas facilidades, como suas bibliotecas, que agilizam o processo de programação do sistema. Para a temporada de 015, será realizado um estudo para averiguar a possibilidade da troca do microcontrolador, para o fim de obter um melhor e mais rápido processamento de dados. A UMI será utilizada juntamente com o sistema de visão computacional para a estimativa de posição do robô. Será feita a fusão dos dados dos sensores da UMI através de um filtro complementa. C. Rádio Fig. 8. B. Unidade de Medida Inercial Microcontrolador Alevino. Em cada robô será implantada uma UMI composta por 9 sensores inerciais: 3 giroscópios, 3 acelerômetros e 3 magnetômetros (ver Figura 9). A grande vantagem na utilização da UMI está no fato de que os sensores inercias que a compôe possuem uma rápida atualização de suas mediçôes, possibilitando uma resposta mais rápidas dos robôs. O sistema de rádio utilizado será o MRF4J40 é um transmissor e receptor para comunicação sem fio na faixa de,4ghz, usando o protocolo , que é a base de padrões como ZigBee e 6LoWPAN (ver Figura 10). O módulo possui uma taxa de transferência de 50Kbps. O é o mesmo protocolo utilizado por outros transceptores wireless bastante populares, como o XBee, e oferece funcionalidades básicas de gerenciamento de rede, endereçamento dos módulos e controle de acesso ao meio com gerenciamento de colisões e retransmissão de pacotes. A vantagem na utilização desse nanoshield é a compatibilidade de pinos com o Alevino, utilizado para controlar o sistema. A realização da comunicação na temporada 015 será realizada através de uma palavra de dados geral para os robôs, onde cada indivíduo será responsável pelo levantamento da seu próprio comando, descartando assim, os comandos destinados à outros robôs. Tal mudança de metodologia fará com que a comunicação se realize de forma mais rápida do computador para com os robôs.

4 Fig. 10. D. Driver Sistema de comunicação via rádio da empresa Circuitar. O driver de potência utilizado será uma ponte H A3909 da Allegro embarcada em um nanoshield no formato de Arduino nano para facilitar a utilização com o resto do sistema. O A3909 é um driver de motor duplo de ponte completa, projetada para aplicações de potência média, as saídas são classificados para operação através de um intervalo de alimentação de 4 a 18 V, e capaz de trabalhar com até 1 A por fase. Sua escolha se deu devido ao tamanho reduzido do CI e simplicidade na utilização em conjunto com o resto do sistema. E. Serial Será utilizado um nanoshield usb (ver Figura 11) junto ao alevino para realizar a programação dos robôs. Para comunicar o adaptador usb com os outros módulos, é utilizado um cabo flat. O mesmo será utilizado para a realização de transferência de dados em forma serial entre o computador e a antena de rádio. Através da temporada 014 foi possível concluir que a comunicação entre o computador e os robôs não estava satisfatória, ou seja, é necessário diminuir o tempo de envio de dados para os robôs, sendo aderida uma meta de 10 ms entre o envio da palavra de comando até sua execução. IV. VISÃO COMPUTACIONAL Algoritmo desenvolvido em C++ utilizando o software Eclipse e as biblioteca OpenCV no ambiente Linux, que tem como o objetivo o monitoramento da posição da bola e dos jogadores no campo, processando a posição desses elementos em tempo real para que a tomada de decisão e o controle dos robôs seja possível, [3]. O programa lê as matrizes da imagem adquirida pela câmera, buscando um conjunto de pixels acima de certa intensidade. Ocorre então o agrupamento desses pixels em clusters (clusterização) que serão rotulados como time aliado, time adversário e bola durante o processo de calibração, [4]. Essa calibração é feita através de interface gráfica (GUI), o operador associa, através de cliques do mouse, os elementos (robôs e bola) aos seus respectivos clusters de cor. Todas as coordenadas das partes móveis são passadas ao controle durante a partida em tempo real, através do tracking dos clusters definidos na calibração. Na interface gráfica também são realizados os ajustes para a detecção das linhas do campo além do contraste e saturação da imagem, como mostra a Figura 1. Além disso, os conhecidos problemas de oclusão e variação de iluminação durante a partida serão contornados com utilização do Filtro de Kalman, que garante certa estabilidade em instantes onde a captação de imagem possa falhar, inferindo a posição dos robôs e da bola em períodos curtos de ruído ou oclusão, [1]. Por fim, o sistema visa garantir o recebimento das coordenadas de posição dos jogadores e da bola para o sistema de controle da forma mais eficiente e precisa possível, de modo a garantir orientação aos robôs. Fig. 1. Interface gráfica do sistema de visão. V. CONTROLE E ESTRATÉGIA Para o controle de um robô de duas rodas foi usado uma aproximação tradicional, definida por parâmetros da posição e velocidade do robô. Os vetores de velocidade e posição dados por U e P, respectivamente. Fig. 11. Adaptador USB. U = [v w] T, (1) P = [x y θ] T. () Através do vetor posição P é possível obter a velocidade na direção x e y, e de acordo com o angulo θ obter a velocidade

5 angular, com a derivada deste vetor em questão. A ideia foi obter este vetor posição derivada através do vetor U, que relaciona a velocidade translacional v definido a partir do centro do robô e velocidade angular ω definido com respeito ao centro do robô, e a matriz J, que refere-se a matriz Jacobiano. ẋ Ṗ = = J(θ).U, (3) ẏ θ J(θ) = cosθ 0 sinθ 0, (4) 0 1 ]. (5) U = [v w] T = [ V L+V R V L V R L A Figura 13 relaciona as velocidades de cada uma da rodas do robô e o angulo no qual ele se encontra. O controlador obtém o erro da posição e de angulação do robô para definir qual ação deve ser tomada. A partir dai, a equação para a velocidade das rodas do robô, pode ser definida tanto para a roda esquerda, quanto para direita como pode ser observado nas equações de V L e V R, respectivamente, relacionado com a velocidade angular ω e a distância entre as duas rodas do robô L. REFERENCES [1] Carlos Henrique Farias dos Santos. Teoria e prática do filtro de kalman. [] Jong-Hwan Kim, Dong-Han Kim, Yong-Jae Kim, and Kiam-Tian Seow. Soccer Robotics, volume 11 of Springer Tracts in Advanced Robotics. Springer, 004. [3] Maurício Marengoni and Denise Stringhini. Tutorial: Introdução à visão computacional usando opencv. 16:15 160, 009. [4] Eder A. Penharbel, Ricardo C. Destro, Flavio Tonidandel, and Reinaldo A.C. Bianchi. Eder a. penharbel, ricardo c. destro, flavio tonidandel, reinaldo a.c. bianchi. ω = K p.θe + K d.θe, (6) V R = v + ( L )ω, (7) V L = v ( L )ω. (8) O ganho proporcional K p e derivativo K d para velocidade angular do robô estão relacionado na equação de ω, seguindo a lei de controle PD, usado para movê-lo. θ e = θ d θ. (9) A velocidade angular do robô está relacionado ao θ e, correspondente ao erro da posição angular, equivalente a diferença da posição angular desejada θ d e da qual estará no exato momento θ. Fig. 13. Vetores posição e velocidade AGRADECIMENTOS A Equipe de Futebol de Robôs Red Dragons UFSCar agradece o apoio financeiro da Pró-Reitoria de Extensão da UFSCar e o apoio do Grupo de Robótica da UFSCar.