DESENVOLVIMENTO DE UM TIME DE FUTEBOL DE ROBÔS NA CATEGORIA VERY SMALL SIZE

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1 DESENVOLVIMENTO DE UM TIME DE FUTEBOL DE ROBÔS NA CATEGORIA VERY SMALL SIZE Marcelo Oliveira Silva Murillo Rehder Batista Paula Castro Paranaiba Lucas Eduardo Topp Roseli Aparecida Francelin Romero Rafael Guedes Lang Odair Arrastia Bis Rosa Shamir Katsudi Afuso Filipe Calasans Portugal de Oliveira Ivan Nunes da Silva Avenida Trabalhador São-carlense, 400 Departamento de Ciências de Computação - ICMC - USP São Carlos, São Paulo, Brasil Avenida Trabalhador São-carlense, 400 Departamento de Engenharia Elétrica - EESC - USP São Carlos, São Paulo, Brasil ABSTRACT In this work, it was developed the Warthog Robotics IEEE Very Small Size team. This system incorporates a vision module based on color, microelectronics, micromechanics and strategy based on oriented potential fields and fuzzy logic. KEYWORDS: Robot Soccer, Computer Vision, Fuzzy Logic. RESUMO Neste trabalho, foi desenvolvido o sistema integrado do time de futebol de robôs da equipe Warthog Robotics de 2010, categoria IEEE Very Small Size. Este sistema integra um módulo de visão baseado em cores, microeletrônica, micromecânica e estratégia baseada em campos potenciais orientados e lógica fuzzy. PALAVRAS-CHAVE: Futebol de Robôs, Visão Computacional, Lógica Fuzzy. 1 INTRODUÇÃO Uma plataforma de desenvolvimento de tecnologias de robótica que oferece um ambiente dinâmico, metas complexas, e robótica cooperativa é o futebol de robôs. Nele, duas equipes de robôs competem entre si para, como no futebol tradicional, marcar mais gols que a equipe adversária. Para desenvolver um time de robôs móveis autônomos capazes de disputar partidas de futebol robótico, é necessário uma abordagem multidisciplinar, combinando o conhecimento de diversas áreas, como mecâ- Revista Controle & Automação/Vol.X no.x/jan e Fev

2 nica, eletrônica, controle, visão computacional, sistemas multi-agentes, decisão estratégica e outras. Neste trabalho, apresentamos a maneira na qual foi construída a equipe Warthog Robotics (oriunda da fusão das equipes USPDroids e GEAR) de 2011 da categoria Very Small Size, onde equipes de três robôs em formato de um cubo 7.5 x 7.5 x 7.5 participam. Este time é uma continuação do trabalho desenvolvido para a equipe USPDroids do ano passado(da Silva et al., 2010), mantendo a estrutura mecânica e eletrônica, realizando ajustes no módulo de visão, e alterando a estratégia. O time do ano anterior obteve o segundo lugar na LARC O time da equipe Warthog Robotics é composto por quatro módulos: Visão: responsável pela localização dos robôs aliados e adversários; de cores RGB, foi desenvolvido um calibrador que ajusta o classificador de cores à iluminação do ambiente a partir do espaço de cores HSV. O classificador de cores utilizado é baseado no algoritmo K-Means, particionando o espaço de cores HSV. A grande vantagem na utilização deste algoritmo é o nosso prévio conhecimento dos centroides iniciais (Figura 1), que são obtidos a partir de uma amostragem das cores usadas na identificação dos elementos motores no jogo. Através do algoritmo são obtidos também raios para os canais do espaço de cores HSV. No fim do procedimento obtemos clusters de cores que são limitados por distâncias (raios) ao centroide e é criado um lookup table no espaço de cores RGB convertido a partir dos clusters do espaço de cores HSV. Figura 1: Centróide e Raios Estratégia: responsável pelas tomadas de decisão e pela definição de trajetórias para os robôs; Eletrônica: responsável por transformar as mensagens recebidas via rádio em acionamento controlado dos motores; Mecânica: responsável pela parte física do robô (rodas, engrenagens, carenagem). Este artigo é organizado como segue. Na Seção 1 é dada umaabordagemgeraldosistema. Nas Seções2até 5são descritos os módulos de Visão, Estratégia, Eletrônica e Mecânica, respectivamente. Na Seção 6 são apresentadas conclusões sobre o estado atual do sistema. 2 VISÃO No módulo da visão são detectados, através de crescimento de regiões(gonzales and Woods, 2002), os rótulos que estão na parte de cima dos robôs que estão presentes no campo e a bola. A posição da bola é considerada o centro da região detectada e a posição do robô é calculada considerando o centro de dois rótulos detectados, o rótulo do time (azul ou amarelo) e um rótulo adicional (verde, rosa, roxo ou azul claro). A pose dos robôs é obtida através dos rótulos e do ângulo formado pelo centro deles. O processo se inicia na captura das imagens do campo, que é feita por uma câmera fixada acima deste a uma taxa de 30 frames por segundos. A identificação dos robôs e da bola é feita por cores, por isso é essencial que o sistema tenha percepção destas. Como computacionalmente a variação de luminosidade influencia a referência dos valores dos canais do espaço A partir dos clusters obtidos, uma matriz tridimensional é criada, a lookup table; nesta matriz os índices indicam os valores dos canais RGB que fazem referência aos valores do HSV que foram utilizados no momento da classificação, e o valor da matriz indica a que classe de cor esta combinação pertence. Conforme mostrado na Figura 2 a criação desta matriz é feita off-line. 3 ELETRÔNICA A eletrônica embarcada do robô IEEE Very Small do Warthog Robotics realiza basicamente três tarefas: recepção dos comandos enviados pelo computador remoto, acionamento elétrico dos motores e controle de velocidade das rodas através de encoderes. Cujo diagrama esquemático dos principais componentes necessários para placa eletrônica do robô estão representados na Figura 3. O rádio utilizado para recepção dos comandos enviados pelo computador remoto é um módulo Xbee (Zigbee 2 Revista Controle & Automação/Vol.X no.x/jan e Fev 2010

3 Figura 2: Módulos da Visão Figura 3: Diagrama esquemático dos principais componentes da Eletrônica 4 ESTRATÉGIA IEEE ) que realiza uma conexão serial(uart- Universal asynchoronous receiver/transmitter) com o microcontrolador. Para o acionamento elétrico dos motores foi utilizado um driver com dupla ponte H encapsulada em um circuito integrado Multiwatt15(L298), que recebe sinais de PWM para controle de velocidade e sinais digitais para inversão de sentido dos motores. Um controlador PID digital foi implementado para que o robô desenvolva velocidades bem especificas durante o jogo, portando, para medir as velocidades instantâneas que os motores executam e comparar com uma velocidade ideal requerida pela estratégia, utilizamos um motor de 6V da Faulhaber(2224U006S) (DC- Micromotors, 2004) com encoder digital embutido para que se converta a velocidade rotacional do motor em um sinal digital enviado ao MCU. Todo o processamento digital embarcado(leitura do rádio, controle PID, PWM do motores, leitura dos encoderes) é realizado por um único microcontrolador (PIC18F4431) com uma freqüência de clock de 40Mhz, programado em linguagem C através do software(mplab) do próprio fabricante (Microchip). A maior parte dos componentes utilizados na montagem da placa eletrônica são do tipo SMD, assim foi possível reduzir drasticamente as dimensões da placa eletrônica, tornando possível a utilização de baterias maiores promovendo um maior tempo útil de uso do robô. Sendo que a alimentação de todo o circuito elétrico/eletrônico embarcado é realizado através de duas células de baterias do tipo Li-ion, que são baterias que oferecem boa relação peso/rendimento e menor risco de explosão em relação as baterias LiPo. A estratégia é responsável por atribuir comportamentos aos robôs que representem diferentes ações e realizar o planejamento da rota que deverá ser percorrida pelo jogador. Foram estabelecidos quatro comportamentos para os robôs: defender, interceptar, passar e chutar. O comportamento defender é realizado somente pelo goleiro, e apenas consiste em permanecer na frente do próprio gol, a fim de protegê-lo. O ato de interceptar, por sua vez, evita que a bola se direcione ao gol. O comportamento de passar envolve empurrar a bola para a área adversária, preferencialmente em direção ao colega de equipe que não seja o goleiro. Finalmente, o comportamento chutar procura levar a bola à meta adversária. Ao contrário do que foi feito em trabalhos anteriores (da Silva et al., 2010), não são utilizados comportamentos pré-definidos para cada robô. A atribuição de comportamentos em tempo real é feita por um sistema fuzzy (King and Mamdani, 1977): a partir de uma base de regras fuzzy e da condição do jogo, define-se um comportamento para os jogadores, excetuando-se um que sempre exercerá o papel de goleiro. A partir do comportamento selecionado, o planejador de caminhos determina um vetor que indica a intensidade, direção e sentido na qual o robô deve ir. No planejamento de caminhos foi utilizada a técnica de Campos Potenciais Orientados (Prestes, 2003). Esta técnica utiliza soluções de problemas de valor de contorno de equações diferenciais parciais elípticas (Equação 1) para a criação dos Campos Potenciais, dada uma condição de contorno. Foi utilizada a condição de contorno de Drichlet (Smith, 1992), onde pontos-meta têm potencial 0 e pontos-obstaculo tem potencial 1. Isso é possível devido à definição de um vetor de influência para o Campo Potencial, como pode ser visto na Figura 4. A utilização de tais equações também soluciona outro problema de técnicas de Campos Potenciais convencionais, a existência de mínimos locais, por não gerar sua solução através da soma de vetores. Revista Controle & Automação/Vol.X no.x/jan e Fev

4 F ( p) = ǫ p v (1) Figura 5: Vista da estrutura externa do robô Figura 4: Campo Potencial gerado pela técnica dos Campos Potenciais Orientados Figura 6: Vista da estrutura interna do robô As desvantagens do uso da técnica citada são seu alto custo computacional e a necessidade do uso de tantas grades quantos forem os robôs controlados. Para amenizar tais desvantagens foram utilizadas várias threads, uma para cada robô, melhorando a performance geral do sistema e aproveitando-se da arquitetura multi-core disponível. A estratégia, por fim, converte o caminho planejado em velocidadesparaasrodasdorobôeasenviaparaorádio. 5 MECÂNICA O módulo da mecânica tem por objetivo servir de base para os outros módulos, sendo esta a parte física do modelo robótico. Mantendo a filosofia dos anos anteriores (Ribeiro et al., 2009), o robô continua dividido em módulos, mantendo os limites impostos pelas regras da categoria IEEE Very Small Size. A mecânica é composta por uma estrutura externa (Figura 5), que serve de proteção contra colisões e, uma interna (Figura 6), que suporta os motores, as rodas, as baterias e os componentes eletrônicos. Os robôs foram construídos em ABS e Náilon (Ribeiro et al., 2009) (Ribeiro et al., 2010), utilizando-se de técnicasdeprototipagemrápida. Obaixopesoespecíficoea facilidade de produção de peças com formatos não convencionais foram cruciais para a escolha de tal processo. Peças de gesso, fabricadas por Impressão 3D, foram utilizadas para fazer o sistema de cores do time, possibilitando um melhor ajuste do sistema de visão. Foram utilizados dois motores Faulhaber SR (DC- Micromotors, 2004), acoplados a uma caixa de redução de 2.5:1, e esta acoplada a uma engrenagem interna à própria roda, garantindo uma redução final de 13.4:1, diminuindo a velocidade de rotação dos motores, que podem atingir 8000rpm. Os dados do motor, com e sem redução, estão na Tabela 1. As estruturas possuem paredes entre 1mm e 2mm, testadas para resistir a colisões decorrentes de partidas de futebol de robôs. A roda possui 50mm de diâmetro e 10mm de espessura, sendo 4 destes ocupados pela coroa da redução. A roda foi colocada diretamente sobre o externo do rolamento, e o interno ligado a um eixo fixo, evitando assim problemas de fadiga ou erro de batida no eixo. Tabela 1: Dados dos Motores e da Redução Voltagem[V] 6 Torque[mN. m] 5 RPM 8000 Potência[W] 4.55 Rendimento[%] 82 Redução 13.4:1 Torque Ampliado[mN. m] 67 RPM Reduzida Revista Controle & Automação/Vol.X no.x/jan e Fev 2010

5 6 CONCLUSÕES A equipe Warthog Robotics VSS de 2011 mantém a estrutura da equipe USPDroids de 2010, com alterações na estratégia de jogo, que adota uma tomada de decisão f uzzy para definir o comportamento dos jogadores. Tal abordagem da estratégia será devidamente testada na CBR AGRADECIMENTOS Agradecemos a FAPESP e o CNPq pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS da Silva, M. O., Ribeiro, M. V. F., de Souza Gaspar, L., da Silva, W. C. and Romero, R. A. F. (2010). O sistema do time de futebol de robôs uspdroids vss - versão 2010, Technical report, Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação, São Carlos, SP, Brasil. DC-Micromotors (2004). Faulhaber DC-Micromotors SR. * EN 2224 SR DFF.pdf Gonzales, R. and Woods, R. (2002). Digital Image Processing, Prentice Hall Inc. King, P. J. and Mamdani, E. H. (1977). The application of fuzzy control systems to industrial processes, Automatica 13: Prestes, E. (2003). Navegação Exploratória Baseada em Problemas de Valores de Contorno, PhD thesis, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Ribeiro, M. V. F., da Silva, M. O. and Romero, R. A. F. (2009). Desenvolvimento de uma arquitetura mecânica para o time de futebol de robôs uspdroids - versão 2009, Technical report, ICMC/USP. Ribeiro, M. V. F., da Silva, M. O., Romero, R. A. F., Oliveira, M. F. and da Silva, J. V. L. (2010). Development of functional micro mobile robots using rapid manufacturing techniques with application in soccer robots, Anais do XVIII Congresso Brasileiro de Automática (CBA 10) pp Smith, G. D. (1992). Numerical Solution of partial differential equations: finite difference methods, Oxford Applied Mathematics & Computing Science Series. Revista Controle & Automação/Vol.X no.x/jan e Fev