Uma Arquitetura Distribuída de Hardware e Software para Controle de um Robô Móvel Autônomo

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Leonor Alcântara Castilho
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1 Uma Arquitetura Distribuída de Hardware e Software para Controle de um Robô Móvel Autônomo rbritto@dca.ufrn.br Orientador: Adelardo A. D. Medeiros adelardo@dca.ufrn.br - Universidade Federal do Rio Grande do Norte - DCA - Departamento de Engenharia de Computação e Automação LAR - Laboratório de Robótica 27 de Outubro de 2008

ufrn.br - Universidade Federal do Rio Grande do Norte - DCA - Departamento de

2 Sumário 1 Introdução 2 Arquitetura Proposta Blackboards Robot 3 Organização de Controle Proposta 4 Resultados Experimentais 5 Conclusões e Trabalhos Futuros 6 Publicações

3 Arquitetura de Controle Como coordenar os recursos de hardware e software de um robô de forma a permití-lo interagir com o mundo que o cerca?

4 Arquitetura de Controle Solução Uma Arquitetura de Controle.

5 Arquitetura de Controle Características: Habilitar um robô móvel autônomo a operar em seu ambiente utilizando-se de seus recursos físicos e computacionais. Assegurar o cumprimento das tarefas do robô de maneira estável e robusta. Deve ser flexível e modular. Possuir um bom desempenho em tempo-real.

6 Arquitetura de Controle

7 Motivação A inexistência de uma arquitetura de controle para o robô Kapeck, LAR-DCA- torna dificulta o uso deste robô como plataforma para desenvolvimento de pesquisas no âmbito da robótica. O desenvolvimento de uma arquitetura de hardware e software para controle do robô Kapeck, de modo a tornar este robô um ambiente propício para desenvolvimento de pesquisas em robótica constitui-se na maior motivação deste trabalho.

O desenvolvimento de uma arquitetura de hardware e software para controle do robô Kapeck, de modo a

8 Objetivos Definição de uma Arquitetura de Hardware e Software de baixo custo para controle do robô Kapeck. Desenvolvimento de uma base de software que permita a utilização do Kapeck como plataforma para pesquisas futuras. Implementação de uma organização de controle para demonstração da arquitetura aqui proposta.

Desenvolvimento de uma base de software que permita a utilização do Kapeck

9 Robô Kapeck Robô multi-tarefa não-holonômico com acionamento diferencial. Dois manipuladores com 5 graus de liberdade. Cabeça estéreo com duas câmeras. Colar com 8 sonares. 19 motores CC.

10 Robô Kapeck Restrições: Muitos Sensores e Atuadores. Muitos processos concorrentes Baixos períodos de amostragem. Solução Paralelismo Real.

11 Arquitetura de Hardware IEEE b Monitor Athlon 64 2GHz 1GB RAM HD IDE 40 GB Linux Fedora 5 kapeck1 PentiumIII 1GHz 256 MB RAM HD IDE 20 GB Linux Fedora 5 Ethernet Placa USB CAN Cameras SC 60 kapeck2 PentiumIII 1GHz 128 MB RAM HD IDE 20 GB Linux Fedora 5 Frame Grabber PCI Características: Processamento distribuído: Microprocessadores Microcontroladores Barramento CAN. Rede Ethernet. Barramento CAN 1A 7A Placa Placa Placa Microcontrolada... Microcontrolada Microcontrolada Motor Motor e e Encoder Encoder Sonar 1... Sonar 8

Ethernet Placa USB CAN Cameras SC 60 kapeck2 PentiumIII 1GHz 128 MB RAM HD IDE 20 GB Linux Fedora 5 Frame Grabber PCI

12 Arquitetura de Software blackboard: bboard. bboardatt. bboardre. bboardserver. robot. periodic.

13 Blackboards bboard Módulo Inicializador do Sistema bboard Características: Criam e destroem áreas de memória compartilhada. Gerenciam seu acesso em exclusão mútua via semáforos. bboardatt Módulo de Software

14 Blackboards bboardatt, bboardre, bboardserver Características: Modulo X bboardatt PC 1 bboardserver bboardre socket tcp socket tcp PC 2 Modulo Y bboardatt bboardre bboardserver bboardatt: acopla à blackboards já criados. Fornece as primitivas de leitura e escrita. bboardre: semelhante àbboardatt, porém é utilizada para se acoplar a blackboard remoto, via bboardserver.

bboardatt: acopla à blackboards já criados. Fornece as primitivas de leitura e escrita.

15 Robot Robot Modulo 1 Modulo Modulo Modulo busarbiter Rede de Sensores Atuadores Características: Barramento CAN lógico. Fornece modularidade e reusabilidade à arquitetura. Composição: robot. busarbiter.

16 Robot Periodic Periodic Linux standard não é um SO de tempo real. Processos não temporalmente previsíveis. Fornece primitivas que melhoram a previsibilidade temporal na execução dos processos que o utilizam. Sincroniza so processos com a grade de execução do Linux. Faz com que os processos durmam apenas o tempo necessário, de forma a respeitarem seus deadlines.

Fornece primitivas que melhoram a previsibilidade temporal na execução dos processos que o

17 Organização de Controle Instanciação de uma Arquitetura de Controle = Organização de controle De modo a demonstrar o uso e viabilidade da arquitetura aqui proposta, uma organização de controle foi implementada. Esta organização utiliza todos os recursos de software e hardware fornecidos pela arquitetura.

arquitetura aqui proposta, uma organização de controle foi implementada.

18 Organização de Controle Monitor User Interface IEEE b Ethernet Blackboard Blackboard bboardserver Blackboard Blackboard Localizer Blackboard Cartographer kapeck1 Blackboard Blackboard actionpl pathpl Blackboard trajexec Blackboard Barramento CAN 1A a 7A Controlador de Velocidade Supervisor de Encoder bboardserver visionsys kapeck2 Blackboard busarbiter poscon Blackboard Sonar Board Controlador de Sonares Legenda Blackboards Módulos de Software Computadores Placas Microcontroladas

Blackboard actionpl pathpl Blackboard trajexec Blackboard Barramento CAN 1A a 7A Controlador de Velocidade Supervisor de

19 Localizer Mapa kapeck1 Posição do Robô Barramento CAN 1A a 7A Supervisor de Encoder Localizer busarbiter Sinal de Ação Legenda Blackboards Módulos de Software Computadores Placas Microcontroladas

20 Cartographer Posição do Robô kapeck1 Cartographer Mapa Barramento CAN Placa dos Sonares Controlador de Sonares Sinal de Ação busarbiter Legenda Blackboards Módulos de Software Computadores

21 actionpl e pathpl kapeck1 actionpl bboardserver Sinal de Ação... pathpl Mapa Sinal de Ação Posição do Robô Polinômio Legenda Blackboards Módulos de Software Computadores

22 trajexec kapeck1 trajexec Posição de Referência Polinômio poscon Legenda Blackboards Modulos de Software Computadores

23 poscon pathexec kapeck1 Posição do Robô Barramento CAN 1A a 7A Controle Velocidade poscon Sinal de Ação busarbiter Supervisor de Encoder Legenda Blackboards Módulos de Software Computadores Placas Microcontroladas

24 visionsys kapeck2 visionsys Visão Câmeras Sinal de Ação Frame Graber Legenda Blackboards Módulos de Software Computadores Hardware Dedicado

25 O Experimento A tarefa do robô no experimento efetuado foi explorar um ambiente conhecido a priori em busca de uma marca. visionsys captura e processa imagens em busca da marca Período de amostragem de poscon é 100 ms, compensado por controle embarcado.

26 Ações Configuradas As ações configuradas no módulo actionpl foram: ircentro - Ir para centro de um ambiente não-percorrido; irambiente - Ir para um outro ambiente ainda não-percorrido; irmarcar - Ir para a posição da marca; pararrobô - Parar o robô.

27 Trajetória Percorrida pelo Robô Corredor T0 T1 T4 Sala 02 T5 T2 Legenda Largura Robô Marca Caminho Executado Caminho Replanejado Caminho Planejado Porta Comprimento Sala 01 T3

28 Grade de Execução dos Módulos de Software em Função do Tempo T0 T1 T2 T3 T4 T5 actionpl ircentro irambiente ircentro irambiente irmarca pararrobô Gera Gera Gera Gera Gera pathpl Caminho Caminho Caminho Caminho Caminho Localizer Cartographer trajexec poscon visionsys Localiza Robô Gera Referência Localiza Robô Localiza Robô Calcula Calcula Calcula Velocidades Velocidades Velocidades Processa Imagens Gera Referência Processa Imagens Gera Referência Processa Imagens Localiza Robô Gera Referência Calcula Velocidades Processa Imagens Localiza Robô Gera Referência Calcula Velocidades Exporta Posição

29 Tempos de Execução do poscon

30 Tempos de Comunicação entre pathpl e bboardserver

31 Tempos de Leituras dos Encoders por poscon

32 Tempos de Acionamento do Motores por poscon

33 Conclusões e Trabalhos Futuros As principais contribuições desse trabalho foram: Ferramentas de software que permitem a programação de módulos de software distribuídos. Uma organização de controle que permite a realização de tarefas autônomas por um robô móvel com rodas.

34 Conclusões e Trabalhos Futuros Como pontos que podem ser melhorados neste trabalho, pode-se citar: A gerência da rede de sensores e atuadores. A implementação dos módulos de software da organização de controle. O método de comunicação entre o módulo actionpl e os outros módulos da organização de controle.

35 Conclusões e Trabalhos Futuros Uma investigação sobre métodos mais elaborados de gerência de redes de sensores e posterior implementação; Re-implementação da implementação dos módulos de software da organização de controle; Modelagem e verificação formal da arquitetura já desenvolvida, provavelmente com redes de petri temporizadas; Realização de análise de desempenho, análise temporal e de tolerância a falhas da arquitetura; Realização de estudos mais profundos para se averiguar como será utilização de hardware reconfigurável ou dedicado na arquitetura.

36 Publicações Britto, Ricardo S., Medeiros, Adelardo A. D., Alsina, Pablo J.(2007), Uma Arquitetura Distribuída de Hardware e Software para Controle de um Robô Móvel Autônomo, em Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente 2007.

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