RESUMO DO MINICURSO. Introdução ao Desenvolvimento de Software Embarcado para Sistemas Robóticos Usando Arduino

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1 RESUMO DO MINICURSO Introdução ao Desenvolvimento de Software Embarcado para Sistemas Robóticos Usando Arduino Pedro S. do Nascimento Neto, Diego P. Rocha, Ranulfo P. Bezerra Neto André M. Sanatna 1. Microcontroladores Os microcontroladores são fortemente empregados na resolução de problemas de automação, controle de produtos e periféricos como sistemas de controle de motores automotivos, controles remotos, máquinas de escritório e residenciais, brinquedos, sistemas de supervisão, etc. Eles permitiram a evolução de equipamentos que há anos não evoluíam como os motores a combustão, que agora com o novo controle eletrônico podem funcionar com sistemas bi-combustível e poluindo menos, e as máquinas fotográficas, que migraram de processos químico/mecânico a circuitos com microcontroladores, sensores digitais e memória. Porém comumente a programação em microcontrolador pode se tornar uma tarefa difícil e a manunteção de programas construídos para estes pior ainda, visto que em sua grande maioria estas placas devem ser programadas em linguagem assembly ou então não possuem IDES que facilitam sua construção. Nesse contexto entram placas como o arduíno que visam facilitar e abstrair os detalhes de programação em microcontroladores e ainda contam com uma enorme facilidade de extensibilidade. 2. Arduino Arduino é uma plataforma de desenvolvimento open-source para computação física baseada em microcontrolador. Existe uma série de outras plataformas microcontroladoras que podem ser usadas para computação física: Basic Stamp da Parallax, BX-24 da Netmedia, Handyboard do MIT, Phidgets, dentre outras. Essas ferramentas abstraem os detalhes complexos de programação de microcontroladores e os encapsulam em pacotes para facilitar a utilização. Os Arduínos também simplificam o processo de trabalhar com microcontroladore, e oferecem algumas vantagens para professores, estudantes e amadores interessados nesses sistemas: Preço: Placas Arduino são relativamente baratas se comparadas com outras placas microcontroladoras. Multi-plataforma: O software Arduino funciona em Windows, Macintosh OSX e Linux. A maioria dos softwares controladores das placas funciona somente em Windows. Ambiente de desenvolvimento simples: O ambiente de programação do Arduino é de é de fácil uso para iniciantes, e flexível o suficiente para usuários avançados. Para professores, é convenientemente baseado no ambiente de programação Processing, assim estudantes que aprenderam a programar nesse ambiente já estarão familiarizados com a aparência e usabilidade deste ambiente. Software expansível e open-source: O software Arduino é publicado como uma ferramenta open-source, disponível para extensões por programadores experientes. A linguagem pode ser expandida através de bibliotecas C++ e pessoas querendo entender os detalhes técnicos podem pular da programação em Arduino para a programação em AVR C na qual

2 aquele é baseado. Você pode adicionar seus códigos em AVR-C diretamente em seus programas para Arduino se você quiser. Hardware expansível e open-source: o Arduino é baseado nos micocontroladores ATMEGA 8 E ATMEGA 168 da Atmel s. Os projetos para os módulos são publicados sobre a licença Creative Commons, assim experientes projetistas de circuitos podem fazer sua própria versão do módulo, estendendo e melhorando o mesmo. Até mesmo usuários sem grande experiência podem construir a versão simulada do módulo para entender como funciona e economizar dinheiro. Programação em C: A linguagem Arduino é meramente uma construção de funções C/C++ que podem ser chamadas em seu código. Seu esboço sofre pequenas alterações (por exemplo, geração automática de funções do protótipo) na então é passada diretamente para o compilador C/C++ (avr-g++). Todas as construções padrões em C e C++ suportadas pelo avr-g++ devem funcionar no Arduino. A maioria das placas Arduino são fabricadas pela SmartProjects na Itália. O ArduinoPro,Pro Mini e o LilyPad são fabricados pela norte americana SparkFun Electronics. O Arduino Nano é fabricado também americana Gravitech. 3. Robótica A navegação é um dos principais problemas em robótica móvel, sendo um tema extensamente abordado em trabalhos científicos nesta área. A navegação autônoma de um robô móvel, pode ser descrita como o processo utilizado pelo mesmo para mover-se em seu ambiente de trabalho - geralmente povoado de obstáculos - de uma posição e orientação iniciais para uma posição e orientação finais. Neste processo, o robô deve percorrer um caminho realizável pelo mesmo, obedecendo as suas restrições cinemáticas e dinâmicas e, quando necessário, desviando de obstáculos. Durante esse percurso, o robô deve ser capaz de identificar constantemente sua posição e orientação dentro do ambiente. Um dos modelos de arquitetura mais utilizados para navegação autônoma é mostrado na figura 1. Nessa arquitetura, o processo de navegação é dividido em cinco níveis hierárquicos: modelagem do ambiente, localização, geração de caminho, geração de trajetória e execução. Em cada um desses níveis, as seguintes tarefas são realizadas: Figura 1: Arquitetura de um sistema de navegação.

3 Modelagem do ambiente: neste nível, o robô utiliza sensores para coletar informações e criar um modelo contendo as principais características estruturais, incluindo possíveis obstáculos, do ambiente em que ele deseja se locomover; Localização: é determinada a posição e orientação do robô no espaço, com base no modelo obtido no nível de modelagem do ambiente. Muitas vezes os níveis de modelagem do ambiente e localização são executados simultaneamente, em uma abordagem conhecida como SLAM (Simultaneous Localization And Mapping - Localização e Mapeamento Simultâneos); Geração de caminho: o robô calcula uma curva geométrica que o leve da sua localização atual até a sua localização final, sem colidir com nenhum obstáculo. Para isso, várias técnicas podem ser utilizadas como mapa de rotas, decomposição em células e campo de potencial. Geração de trajetória: o caminho calculado no nível anterior é adaptado levando-se em conta as restrições temporais impostas ao robô, tornando-se uma trajetória. Com isso, são calculadas velocidades que devem ser submetidas ao robô em cada instante de tempo para que o mesmo possa percorrer o caminho no intervalo de tempo especificado; Execução de trajetória: neste último nível, os atuadores do robô são controlados de forma que a trajetória percorrida por ele seja a mais próxima possível da calculada no nível anterior. Desvios em relação à trajetória planejada devem ser detectados e corrigidos em tempo real. Para detectar estes desvios, é necessário monitorar constantemente a localização atual do robô. Nota-se, através deste exemplo, que a localização é uma etapa de fundamental importância no processo de navegação do robô, interferindo de forma significativa no desempenho do mesmo. Durante toda a execução da trajetória é necessário que seja conhecida constantemente a localização do robô, para que se possa realizar um controle da trajetória percorrida Localização de Robôs - Odometria Mecânica A odometria é um dos métodos mais amplamente utilizados para estimar a posição de um robô. Sabe-se bem que a odometria proporciona uma boa precisão em curto prazo, é barata de implantar, e permite taxas de amostragem muito altas. A idéia fundamental da odometria é a integração de informação incremental do movimento ao longo do tempo, o qual envolve uma inevitável acumulação de erros. A acumulação de erros de orientação causa grandes erros na estimação da posição, os quais vão aumentando proporcionalmente com a distância percorrida pelo robô. O método de odometria consiste na determinação da posição e orientação do robô através da integração dos deslocamentos incrementais de suas rodas, medidos a partir de um referencial fixo. Para exemplificar esse método, considere um robô se deslocando no seu ambiente seguindo uma determinada trajetória, como mostrado na figura 2. No instante t0 o robô se encontra na posição inicial P0 e inicia o deslocamento. No instante t1 o robô se encontra na posição P1, que pode ser calculada como a soma entre a posição anterior do robô P0 e o deslocamento realizado pelo mesmo (D1) entre os instantes t0 e t1. No instante seguinte t3, a posição atual do robô (P3) é novamente calculada com base na sua posição anterior e no deslocamento efetuado desde o instante anterior (D2). Dessa forma, a posição atual do robô pode ser calculada com base no acúmulo dos deslocamentos efetuados pelo robô, com relação a sua posição inicial.

4 Figura 2 - Deslocamento De Um Robô Utilizando Odometria. Para medir o deslocamento do robô é necessária a utilização de um sensor que possa medir a rotação das suas rodas. Em aplicações envolvendo robôs móveis, um tipo de sensor de odometria bastante utilizado é o codificador ou encoder ótico. Esse tipo de sensor funciona com base na transmissão e recepção de luz através de um disco perfurado, que gira acoplado ao eixo que movimenta a roda do robô. Os encoders óticos podem ser divididos em dois grupos: encoders relativos ou incrementais e encoders absolutos. No caso de encoders incrementais, utilizados neste trabalho, pode-se determinar a velocidade angular da roda com base na frequência do trem de pulsos gerados no receptor de luz do encoder. As medidas de odometria serão feitas a partir de dois encoders incrementais acoplados a cada um dos motores, os quais permitem medir as rotações da roda correspondente. A partir das informações medidas dos encoders e conhecendo alguns parâmetros cinemáticos do robô, é possível deduzir as equações que irão determinar a sua posição e orientação em um dado instante, incrementalmente a partir de uma localização inicial conhecida. Simulação Será utilizado um simulador de circuitos eletrônicos, o qual permite a construção e teste prévio dos circuitos a serem utilizados sem custo de hardware. Para tal tarefa foi escolhido o Proteus. O Proteus é um pacote de softwares desenvolvido pela empresa Labcenter Eletronics, que permite a simulação de circuitos eletrônicos e microcontroladores. A ferramenta é composta de dois softwares principais, ISIS e ARES. 1. ISIS: Ferramenta semelhante a ferramenta Eagle, especializada em design e simulação de circuitos, incluindo CIs programáveis como PIC (Microchip) e Atmega (Atmel). 2. ARES Ferramenta para criar layout de PCBs (Printed Circuit Boards), posiciona e cria as trilhas automaticamente baseado nos design criados no ISIS. Este foi escolhido pois além de oferecer interface amigável, contem o VSM (Virtual System Modelling) permite simular software embarcado para micro-controladores populares ao lado de seu projeto de hardware, incluindo o atmega328p, que é utilizado no arduino UNO. Conta também com diversos instrumentos virtuais, como o voltímetro AC/DC, amperímetro AC/DC, sondas analógicas e digitais, geradores de sinais, osciloscópio que auxiliam na construção e depuração de possíveis erros no circuito.

5 Bibliografia ANTON H.; RORRES C.; Álgebra Linear com Aplicações, 8ª Ed. Bookman, Arduino. Disponível em Último Acesso: Outubro de SANTANA, A. M. (2007). Localização e Planejamento de Caminhos para um robô Humanóide e um Robô Escravo com Rodas, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. CAPUANO, F.; IDOETA, I.; Elementos de Eletrônica Digital, 40ª Ed. Érica, HALLIDAY, D. et al.; Fundamentos de Física, volume 3, 4ª Ed. LTC, MARQUES, A.; CRUZ E.; CHOUERI, S.; Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores - Estude e Use, 9ª Ed. Érica, MCROBERTS, M.; Arduino Básico, 1ª Ed., SCHILDT, Herbert. C - Completo E Total, 3ª Ed. Pearson Education, STROUSTRUP, Bjarne. A Linguagem de Programação C++, 3ª Ed. Bookman 2000.

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