Desenvolvimento de um Protótipo e de Metodologias de Controlo de uma Cadeira de Rodas Inteligente

Transcrição

1 Desenvolvimento de um Protótipo e de Metodologias de Controlo de uma Cadeira de Rodas Inteligente Discente: Marcelo Roberto Petry Orientador: Professor Doutor Luís Paulo Reis Co-orientador: Mestre Rodrigo Antônio Marques Braga 1

2 M2 NIAD&R Distributed Artificial Intelligence and Robotics Group Sumário Objecivos Arquitectura de Hardware Arquitectura de Software Controlo Testes Conclusões Trabalhos Futuros 2

3 Slide 2 M2 Marcelo;

4 M1 NIAD&R Distributed Artificial Intelligence and Robotics Group Objectivos Estudo e construção de um protótipo de Cadeira de Rodas Inteligente (CRI): Desenvolvimento de um sistema de hardware flexível; Projecto de um software que sirva como plataforma com três modos de operação: real, simulado e realidade aumentada; Implementação de metodologias de controlo de baixo nível; 3

5 Slide 3 M1 Marcelo;

6 Arquitectura de Hardware Os elementos que compõem o hardware da CR, podem ser divididos em três grupos: 4

7 Arquitectura de Hardware Características da cadeira de rodas eléctrica utilizado no protótipo: Modelo Powertec [Sunrise]; Tracção diferencial traseira; Duas rodas tolas frontais; Duas baterias de 12V; Joystick analógico tradicional; Módulo de potência; 5

8 Arquitectura de Hardware Placas de interface conectadas sonares e aos encoders; aos Comunicação serial entre placas de interface e o computador portátil; Ligação USB e Bluetooth entre os inputs e o computador portátil; Sinal de controlo modulado por PWM 6

9 Arquitectura de Hardware Evolução do hardware do Protótipo desenvolvido no projecto: 7

10 Arquitectura de Software Conceito da Plataforma: 8

11 Arquitectura de Software NIAD&R Distributed Artificial Intelligence and Robotics Group Controlo Joystick Visão Teclado Virtual Sonar Expressões faciais Movimentos com a cabeça Voz Hodometria 9

12 Orientação Apresenta restrições não-holonômicas Cálculo da Velocidade das rodas: (1) v velocidade linear da roda D diâmetro da roda I período de amostragem N número de pulsos do encoder C e resolução do encoder 10

13 Orientação Modelo cinemático: (2) (3) (4) V D velocidade linear da roda direita V E velocidade linear da roda esquerda r distância entre o centro de rotação instantâneo e ponto médio do eixo da rodas b distância entre as rodas V velocidade linear do robô W velocidade angular do robô 11

14 Orientação Modelo cinemático: (5) (6) V velocidade linear dado robô w velocidade angular Theta ângulo de orientação em relação ao referencial fixo 12

15 Controlo Foram implementados 4 algoritmos: Controlo por seguimento de rectas Controlo por seguimento de pontos Controlo por seguimento de ângulo Controlo por seguimento de paredes 13

16 Controlo por seguimento de recta Sendo a trajectória objectivo R definida por dois pontos A e B de forma que : (7) (8) (9) (10) k 1 e k 2 ganhos de ajuste P Projecção de C sobre R e y distância de C à recta e p distância entre P e B v n velocidade nominal 14

17 Controlo por seguimento de ponto A trajectória R é recalculada a cada ciclo, sendo definida pelo ponto C a pelo ponto objectivo B. erro e y =0 (11) (12) (13) 15

18 Controlo por seguimento de ângulo Por se tratar de um movimento puramente ângular a velocidade linear V do móvel é nula. (14) (15) (16) 16

19 Controlo por seguimento de paredes Não utiliza a posição x,y do robô no cálculo do controlo (17) (18) (19) (20) d R distância de referência Sonar F medida de distância do sonar dianteiro Sonar B medida de distância do sonar traseiro e F diferença entre o valor de referência e o medida e d - diferença entre a medida dianteira e traseira 17

20 Teste dos sonares Avaliadas medidas a 6 objectos de formas e materiais distintos Posicionamento sobre marcações resultantes da combinação de distancia [15 cm, 30 cm, 45cm e 60 cm] e ângulos [0º,15º,30º, 45º e 60º]. 18

21 Teste dos sonares Interpolação dos resultados a partir de uma curva de ajuste: O limite angular de detecção dos objectos entre 45º e 60º. Melhora da precisão para distâncias superiores a 30 cm. 19

22 Teste dos sonares Ângulo de detecção considerado: 50º. Formação de zona de segurança a 31.3 cm do sensor. Distância mínima de 40cm para fins de controlo. 20

23 Teste de Hodometria Rotação de 360º Amostras colectadas nos sentidos horário e anti-horário Deslocamento em linha recta [5m, 10m e 15m] Observa-se a dispersão dos erros 21

24 Teste de Hodometria Deslocamento através de uma trajectória rectangular de aproximandamente 4.00 m x 4.25 m 22

25 Teste de Controlo Deslocamento em linha recta [5m, 10m] Critério de paragem: ± 2cm 23

26 Teste da Controlo Rotação de 360º Critério de paragem: ± 1º 24

27 Conclusões Neste trabalho foi apresentado um estudo sobre cadeiras de rodas inteligentes, fundamentação teórica e implementação de um protótipo. Foi desenvolvida uma arquitectura de hardware que abrange a utilização de sensores de ultra-som, encoders, câmara digital de vídeo, placas electrónicas de interface e um computador portátil. Foi desenvolvida uma plataforma contendo aplicativos interpretadores de comandos do utilizador, aquisição dos dados dos sensores e controlo do protótipo de uma CRI. Foram discutidos e implementadas algumas forma de controlo por realimentação parcial de estados, e formas de controlo directo através das medidas dos sensores. 25

28 Trabalhos futuros Avaliar a implementação de controladores do tipo PID. Desenvolvimento de um sistema de navegação assistida através de mapas locais do ambiente. Implementação de métodos de correcção dos erros sistemáticos de hodometria. Implementação de métodos autónomos de correcção de hodometria, além de métodos estatísticos da dispersão da posição da cadeira. Finalizar o trabalho de comunicação do aplicativo principal com o simulador. 26

29 Demonstração de funcionamento 27

30 Dúvidas Página web: Apresentação : Dissertação :