DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE PARA SISTEMA DE CONTROLE EM TEMPO REAL DE ROBÔ MÓVEL

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1 4o. SBAI Simpósio Brsileiro de Automção Inteligente, São Pulo, SP, 8-1 de Setembro de 1999 DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE PARA SISTEMA DE CONTROLE EM TEMPO REAL DE ROBÔ MÓVEL Vldir Grssi Jr., Jun Okmoto Jr. Deprtmento de Engenhri Mecânic Escol Politécnic d Universidde de São Pulo Av. Prof. Mello Mores, 2231 São Pulo, SP e-mil: jokmoto@usp.br Abstrct: Mobile robots hve ttrcted resercher's interest s n importnt men for obtining informtion bout hostile environments to mn, such s rdioctive plnts, plnets with inpproprite tmosphere for humns nd deep mines. The precise control of the robot's movement is essentil for the success of such missions. In this re, the Lbortory of Automtion nd Systems (Mechtronics) of the Deprtment of Mechnicl Engineering of the Escol Politécnic of the University of São Pulo is crrying on ctivities relted to the development of mobile robots nd their position control. This pper presents work of modeling of the robot control system nd implementtion of rel time control softwre for mobile bse for trnsporting sensors inside the lbortory. The developed softwre intercts with the user through progrmming lnguge for the robot nd controls the positioning of DC motor in digitl control loop. The results re presented for the simultion of the control system nd the experimentl dt show the qulity of the creted model nd the obtined precision of positioning. 1 INTRODUÇÃO Robôs móveis tem trído tenção de pesquisdores por serem um meio de obtenção de informções sobre mbientes onde o homem tem dificulddes de cesso, tis como em plnts rdiotivs, plnets sem tmosfer dequd o ser humno e mins profunds. O controle preciso de seu deslocmento é essencil pr o sucesso de sus missões. Dentro deste contexto, o Lbortório de Automção e Sistems (Mectrônic) do Deprtmento de Engenhri Mecânic d Escol Politécnic d Universidde de São Pulo vem desenvolvendo tividdes relcionds com o desenvolvimento de robôs móveis e seu controle de posição. Este rtigo present um trblho de modelgem e implementção do softwre de controle em tempo rel de um Bse Móvel pr trnsporte de sensores no lbortório. O softwre desenvolvido cuid d interção do robô com o usuário trvés de um lingugem de progrmção do robô e do controle em mlh fechd digitl do sistem de trnslção com motor CC. São presentdos resultdos de simulção do sistem de controle e dos ddos levntdos experimentlmente, mostrndo qulidde do modelo crido e precisão de posicionmento obtid. 2 DESCRIÇÃO DA BASE MÓVEL A Bse Móvel foi projetd pr se deslocr no plno bidimensionl, sendo que possui um formto cilíndrico, e é dotd de três rods motors que esterçm o mesmo tempo. Dest form possui cpcidde de fzer curvs em cnto vivo. O cionmento ds rods é feito por dois motores, um motor de psso que reliz o esterçmento ds rods, e um motor CC responsável pel trnslção d bse móvel no plno. Entre cd motor e s rods existe um sistem de redução composto de polis de correi dentd e engrengens. O hrdwre eletrônico pr o controle d Bse Móvel é constituído por um computdor bsedo no microcontroldor 832 com um interfce dedicd pr joystick e comunicção vi cnl seril RS-232c. Este computdor possui interfces PWM com os motores de psso e CC e um interfce com o encoder do motor CC pr operção do motor CC em um mlh de relimentção digitl fechd. Todo este hrdwre eletrônico foi projetdo de mneir ser compcto pr que sej colocdo n Bse Móvel e com crcterístics de bixo consumo pr operção por bteris. O softwre de controle deste sistem é executdo em tempo rel dentro do computdor embrcdo no robô e cuid do controle de posição em mlh fechd pr trnslções e em mlh bert pr o sistem de direção. Além disso execut simultnemente comunicção com um terminl externo trvés do cnl seril e recebe ddos do joystick. Pr que se tenh o controle dequdo do movimento de um robô móvel, especificmente d Bse Móvel, é necessário possuir um conjunto de comndos que permitm um usuário fzer com que o robô se movimente d mneir desejd. Tmbém é necessário que se poss construir progrms que descrevm um determind trjetóri que o robô deve seguir

2 4o. SBAI Simpósio Brsileiro de Automção Inteligente, São Pulo, SP, 8-1 de Setembro de 1999 pr posterior repetição do progrm. Pr tnto é necessário ter um lingugem de progrmção pr o robô. Sendo ssim, foi desenvolvid um lingugem de progrmção pr um robô móvel, sendo que est lingugem foi compost por comndos de lto nível que pr serem executdos em um estrutur de softwre de tempo rel. Figur 1. Foto d Bse Móvel desenvolvid neste projeto 3 SOFTWARE DE CONTROLE DE MOVIMENTO O softwre de controle de movimento implementdo possui um estrutur de tempo rel n qul é possível execução prlel de comndos. O softwre permite trblhr em três modos de operção: norml, progrmção, e mnutenção. No primeiro modo, os comndos estão disponíveis pr tução diret no robô, já no modo de progrmção, o usuário pode editr um progrm usndo os comndos dentro de um lingugem de progrmção desenvolvid pr o robô. O modo de mnutenção possui comndos simples que tum diretmente com o hrdwre eletrônico do robô, e é possível verificr o conteúdo de prâmetros que normlmente não interessm pr um usuário comum. Um crcterístic importnte do softwre é que ele permite o movimento do robô trvés de joystick, e tmbém qundo est opção está hbilitd, é possível construção de um tbel de posições do robô pelo pressionmento dos botões do joystick. Feit est tbel, é possível fzer com que o robô reproduz um trjetóri que psse pelos pontos dquiridos. É possível slvr e crregr progrms e tbels prtir de rquivos. Os comndos definidos podem ser divididos nos seguintes tipos de comndos: definição de prâmetros, pr definição de velociddes máxims, sistems de coordends, etc.; comndos de movimento; comndos de exibição de prâmetros; comndos de mnutenção, são comndos simples que tum diretmente no hrdwre do robô; comndos de crg e descrg de rquivos de progrms e tbels de pontos; comndos de edição de progrm; comndos de controle de progrm (p. ex: GOTO). A estrutur d lingugem de progrmção é precid com d lingugem bsic, sendo que cd linh possui um número seguido do nome do comndo e dos seus prâmetros. O progrm segue o fluxo que vi d linh de número menor pr linh de número mior. Est sequênci de execução pode ser desvid por comndos de controle de progrm. O progrm depois de editdo no modo de progrmção, pode ser executdo no modo norml, e tmbém pode ser slvo em rquivo trvés d interfce RS-232c do robô. Tmbém é possível crregr um progrm de um rquivo trvés dest interfce seril. Com lingugem de progrmção e o conjunto de comndos definidos, é possível editr um progrm que descreve bem qulquer trjetóri formd por seguimentos de ret. 5 ESTRUTURA DE CONTROLE EM TEMPO REAL A estrutur do softwre de controle de movimento é um estrutur de tempo rel que se bsei em um loop principl onde são trtdos os comndos tivdos pelo usuário, e um rotin de interrupção em que são executdos os lgoritmos de controle do robô, leitur de encoder e de joystick (Fig. 2). Execução de Comndos Contínuos Hbilitdos Progrm Principl Inicilizção do Sistem Reconhecedor de Comndos Hbilitção de Comndos Contínuos Execução de Comndos Imeditos Tempo Rel Início Leitur de Encoder e Joystick Controle de Velocidde e Posição Cálculo de Velocidde Atul, e de Posição Atul Contdores de Interrupção O progrm possui cpcidde de trblhr com coordends crtesins e polres, bem como pontos bsolutos ou reltivos. Os comndos de movimento utilizm um controle de posição do motor DC em mlh fechd, usndo um controldor digitl, e um encoder como sensor. O sistem de direção é ciondo por um motor de psso em mlh bert. O softwre foi desenvolvido em Lingugem C e ssembler de 851, pr totl execução dentro do hrdwre eletrônico embrcdo no robô. A interfce com o usuário é feit trvés de um softwre de comunicção seril. 4 LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO Pr permitir progrmção d trjetóri do robô foi crid um lingugem simples de progrmção do robô. Est lingugem é compost por um série de comndos e por um estrutur dequd pr descrição de trjetóris. Robô Móvel Figur 2 - Estrutur do sistem de tempo rel No progrm principl, pós inicilizção do sistem, o progrm entr em um loop no qul ocorre o reconhecimento de crcteres e de comndos. Cso um comndo válido sej digitdo pelo usuário, o progrm reliz execução do comndo tecldo, este por su vez pode ser do tipo comndo contínuo (exemplo: Mostr continumente posição do robô), ou de execução imedit (exemplo: mostr posição tul do robô). Cso o comndo ser executdo sej do tipo contínuo, ocorre pens hbilitção do comndo, que por su vez é executdo de tempos em tempos n áre do progrm que se destin execução de comndos contínuos hbilitdos. Estes comndos contínuos não podem fzer com que o fluxo do progrm pre enqunto ele está sendo executdo, pois pode ocorrer que mis Fim

3 4o. SBAI Simpósio Brsileiro de Automção Inteligente, São Pulo, SP, 8-1 de Setembro de 1999 de um comndo contínuo estej ciondo. Por isso existe necessidde de executá-los somente um vez, cso hbilitdos, tods s vezes que o percorrer o loop principl se chegr posição de su execução. Por exemplo : Ao invéz de fzer um loop que mostrsse continumente posição do robô, o que se fz é mostrr posição tul do robô tod vez que o progrm pssr pel áre de execução de comndo contínuo se este comndo estiver hbilitdo. Pr reconhecimento dos comndos, utilizou-se seguinte metodologi: conforme o pressionmento dos crcteres, ocorre formção de um linh de comndo, e qundo est linh é completd, pelo pressionmento de d tecl de "crrige return (CR)" então o comndo é reconhecido segundo sintxe estbelecid, ou sej, nome do comndo, que pode ser plvrs composts, precedido dos prâmetros numéricos. No modo de edição de progrms coloc-se o vlor d linh do progrm ntes do nome do comndo. Qundo o percorrer o loop, não é observdo nenhum pressionmento de tecl, execução do progrm pss pelo bloco de reconhecimento de comndos sem executá-lo, e neste cso o progrm segue diretmente pr execução de comndos contínuos hbilitdos, já que não há comndo imedito pr ser executdo, pois não houve o pressionmento d tecl "crrige return" que iniciliz o reconhecimento do comndo. Depois d execução dos comndos contínuos hbilitdos, o progrm volt pr o reconhecedor de comndos, fechndo ssim o loop. Em prlelo o progrm principl, ocorre execução d rotin de tempo rel. Est rotin têm início cd período fixo de tempo. Assim têm-se o controle preciso do tempo em que el está sendo executd. Est rotin fz leitur dos sensores como encoder e joystick, execut o controle de posição e velocidde qundo hbilitdos, efetu o cálculo de posição tul e velocidde tul, e tmbém increment os contdores de interrupção. Estes contdores possuem finlidde de fzer com que o progrm principl tenh um noção de qunto tempo se pssou. Atrvés deles pode-se ter um controle de tempo grosseiro no progrm principl. As vriáveis de posição, velocidde, joystick e encoder ficm disponíveis pr uso no progrm principl. 6 PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE DE POSIÇÃO O movimento de trnslção d Bse Móvel é efetudo por um motor DC. Dest form, é necessário que hj um controle em mlh fechd d posição do robô. Este sistem de controle de posição é utilizdo por todos os comndos de movimento que relizm um trnslção do robô. Pr obter o sistem de controle de posição, primeirmente modelou-se Bse Móvel com o motor DC. Desprezndo inérci ds polis e engrengens do sistem de redução, chegou-se ns seguintes expressões que descrevem o sistem robô mis motor DC [1]: V R i L di = e dt (1) V = tensão d rmdur do motor DC R = resistênci d rmdur i = corrente n rmdur L = indutânci d rmdur e = forç contr-eletromotriz que pode ser express como : e = K ω (2) e K e = constnte elétric do motor ω = rotção do motor (rd/s) Te = K t i (3) T e = torque elétrico no motor DC K t = constnte de torque dω Te TL = ( J M J EQ ) dt T L = torque de crg J M = Inérci do motor (kg.m 2 ) J EQ = Inérci equivlente do robô móvel, e é dd pel seguinte expressão : J EQ = M R (5) i T i T = relção de trnsmissão totl do motor à rod (i > 1) M = mss do robô (kg) R = rio d rod do robô (m) A prtir ds expressões cim, pode-se montr o modelo do sistem, e projetr o controldor com o uxílio do progrm Mtlb. Bseou-se no projeto de um controldor de posição encontrdo n referênci 2, e chegou-se seguinte expressão pr o controldor : ( 1 α T s) G c ( s) = K (6) ( 1 T s) O vlor de K foi clculdo especificndo-se o erro em regime, e os vlores de T e α form estimdos, usndo ferrments como "root locus" do Mtlb [2]. Form feits tmbém, simulções do modelo (Fig.3), e então discretizou-se o controldor pr se obter su equção de diferençs. A expressão do controldor discretizd trvés do método de trnsformção biliner é dd em (7), e equção de diferençs dest expressão encontr-se em (8). G ( z) = c 1 ( T 2 α T ) ( T 2 α T ) z K 1 ( T 2 T ) ( T 2 T ) z (7) ( T 2 T) y[ k t] = y[ k t t] ( T 2 T) ( T 2 α T) (8) K u[ k t] ( T 2 T) ( T 2 α T) K u[ k t t] ( T 2 T) T = período de mostrgem (s) y [kt] = síd do controldor no período de mostrgem tul (4)

4 4o. SBAI Simpósio Brsileiro de Automção Inteligente, São Pulo, SP, 8-1 de Setembro de 1999 Figur 3 - Sistem utilizdo pr simulção do controldor plnt y [kt-t] = síd do controldor no período de mostrgem nterior u [kt] = entrd do controldor no período de mostrgem tul, ou erro tul (referênci - síd rel d plnt) u [kt-t] = entrd do controldor no período de mostrgem nterior A prtir dest equção foi possível implementção do controle de posição n Bse Móvel., obtendo-se um ótimo resultdo como pode-se observr seguir. 7 RESULTADOS Pr levntr s curvs de respost obtids no robô, cpturouse os pontos relizndo leiturs do encoder n rotin de interrupção de tempo rel cd intervlo fixo de tempo e estes vlores form sendo rmzendos n memóri do próprio robô, e em seguid cbdo o movimento, trnsportou-se os pontos pr rquivo texto trvés d interfce seril. Form relizdos testes com períodos de mostrgem de 5 ms e de 7,5 ms, comprndo os resultdos obtidos com o resultdo de simulção. As resposts pr período de mostrgem de 7,5 ms e movimento de 1 metro com velocidde de 32 mm/s se encontrm nos gráficos seguintes, sendo que linh pontilhd mostr o resultdo de simulção, e linh contínu, o resultdo obtido com movimentção rel do robô Velocidde (m/s) Fig. 6 - Gráfico de velocidde observdo (7,5 ms) Estes resultdos mostrm vlidde do modelo crido. Além disso, foi considerdo no modelo de simulção o fto de que os mplificdores de potênci do driver do motor CC sturm em 12 V pico pico o que fz com que o modelo crido proximese ind mis d relidde. Implementou-se tmbém um lgoritmo de celerção, e o movimento do robô com este lgoritmo presentou s curvs de respost mostrds ns Figurs 7, 8 e 9. Posição (m) Posição (m) Fig. 7 - Posição observdo com celerção Fig. 4 - Gráfico de posição observdo (7,5 ms) ( V ) 2 Tensão (V) Fig. 5 - Gráfico de tensão observdo (7,5 ms) -4 Fig. 8 - Tensão observd com celerção

5 4o. SBAI Simpósio Brsileiro de Automção Inteligente, São Pulo, SP, 8-1 de Setembro de 1999 Velocidde (m/s) Fig. 9 - Velocidde observd com celerção As curvs presentrm os resultdos esperdos, suvizndo prtid e prd do robô n posição finl. O lgoritmo de celerção prevê dus possibiliddes de movimento celerdo, um em que o robô celer, tinge metde de seu movimento e desceler, sem ter tingido velocidde máxim do sistem; e outr em que o robô celer, tinge velocidde máxim definid no sistem, permnece com est velocidde constnte e posteriormente desceler. Em mbos os csos é observdo qundo o robô tinge velocidde máxim, e tmbém posição intermediári do movimento. AGRADECIMENTOS Este trblho teve o suporte finnceiro do CNPq pr mnutenção de bols de inicição científic durnte o período no qul este trblho foi relizdo. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA [1] Kenjo, Tkshi, Permnent-mgnet nd Brushless DC Motors, New York, Oxford University Press, 1985 [2] Kuo, Benjmin C., Automtic Control System, 7th ed., New Jersey, Prentice Hll, 1995 [3] Jones, Joseph L.; Flynn Anit M.; Mobile Robots - Inspirtion to Implementtion, Wellesley, A. K. Peters, 1993 [4] Mrk, Ronld; Writing Compilers nd Interpreters n pplied pproch, New York, Wiley, 1991 [5] Tshibn, Luís S.; Fujiwr, Rento; Trblho de Formtur : Projeto Bse Móvel - 2. Fse de Desenvolvimento do Hrdwre Eletrônico, Deprtmento de Eng. Mecânic, EPUSP, No cso em que ocorre um prte do movimento em velocidde constnte, curv de velocidde deve ser simétric em relção posição intermediári do movimento. Pr isso, é grntido que o tempo em que o robô fic em velocidde constnte desde o fim d celerção té posição intermediári ser tingid, é o mesmo tempo que ele lev dest posição té o início d descelerção. N descelerção, referênci de velocidde não fic bixo de um vlor mínimo, pr que se grnt que o robô chegue relmente n posição finl, pois se este vlor mínimo não fosse respeitdo, referênci de velocidde gerd seri insuficiente pr provocr qulquer tução no motor DC. 8 CONCLUSÃO Foi implementdo um estrutur de softwre de tempo rel que permitiu execução dequd dos vários comndos cridos pr este sistem, sendo que miori destes comndos utilizm o lgoritmo de controle de posição implementdo. Construiu-se um modelo do robô móvel bsedo nos prâmetros reis do robô, ou sej, crcterístics tnto elétrics qunto mecânic do robô. Com o modelo crido desenvolveu-se um controldor de posição, e form feits simulções deste controldor com o uxílio do softwre Simulink. Tmbém levntou-se ddos experimentis com períodos de mostrgem diferentes, sendo que se chegou um período de mostrgem dequdo pr o sistem de controle, com um curv de movimento desejd. Verificou-se que os resultdos obtidos n simulção ficrm muito próximos dos obtidos experimentlmente, o que revel que o modelo crido pr o sistem relmente se proximou do sistem rel.