PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM ROBÔ DE SERVIÇO INCORPORANDO AS VANTAGENS DE PROTOTIPAÇÃO RÁPIDA.

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1 PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM ROBÔ DE SERVIÇO INCORPORANDO AS VANTAGENS DE PROTOTIPAÇÃO RÁPIDA. André Gustavo S. Conceição 1, Luciano F. Chaves 2, Luís Fernando A. Pereira 3 Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul PUCRS Av. Ipiranga 6681 CEP: Porto Alegre RS ascolari@ee.pucrs.br 1, lfchaves@ee.pucrs.br 2, pereira@ee.pucrs.br 3 Resumo. Neste trabalho será apresentado um veículo de navegação autônoma totalmente desenvolvido no Grupo de Automação e Controle de Sistemas (GACS) da PUC-RS e a sua contribuição acadêmica no fato de utilizar novas tecnologias e também promover um ensino teóricoprático dos alunos de Automação e Controle de Sistemas. As principais características do veículo são: versatilidade, portabilidade e baixo custo, pois é usada uma estrutura de interfaceamento somente utilizando a porta paralela existente em computadores do tipo Personal Computer (PC). Aliado a isto utilizamos um ambiente de larga utilização e fácil prototipação como Matlab/Simulink e o Max+ plus II para projeto e desenvolvimento do veículo autônomo, abrangendo diversos conceitos ministrados no Curso de Engenharia, possibilitando ao aluno um aprendizado teórico-prático. Palavras-chave: Robô, Porta paralela, Navegação autônoma, Aprendizado, Novas tecnologias. NTM - 486

2 1. INTRODUÇÃO Veículos de navegação autônoma ocupam atualmente um espaço destacado em ambientes automatizados, principalmente em ambientes industriais, por exemplo, substituindo operadores humanos em diversas situações de perigo ou na substituição de esteiras normalmente utilizadas em processos automatizados, conferindo-lhes maior flexibilidade, uma vez que o fluxo do processo pode ser facilmente alterado através da reprogramação das unidades autônomas que compõem a célula de manufatura, sem que haja a necessidade de interromper o processo produtivo. Entretanto, para que tais robôs possam desempenhar adequadamente as tarefas para as quais foram projetados é indispensável que eles possam interagir com o ambiente ao seu redor, sendo este conhecido ou não. Isto implica em adquirir e manipular dados provenientes de diversos transdutores acoplados ao robô, e também gerar sinais de controle que façam com que os atuadores forneçam ou absorvam a quantidade de energia necessária ao funcionamento desejado. Embora esta tecnologia esteja bem difundida na indústria, em ambientes universitários não é comum a existência de robôs deste tipo, sendo assim, este trabalho com a intenção de promover uma maior integração entre alunos e a realidade das indústrias apresenta uma alternativa versátil e econômica para elaboração de um robô autônomo experimental, concebido de forma a viabilizar o projeto e validação em tempo real de estratégias de orientação, guiagem, controle e otimização de trajetórias. A idéia central consiste no fato do hardware da plataforma apresentar uma arquitetura relativamente simples, de baixo custo, facilmente expansível e de fácil entendimento aos alunos para atingir os objetivos de integração Universidade-Indústria. Dentro deste contexto estamos utilizando softwares largamente utilizados no campo da Engenharia, como o Matlab/Simulink para controle e orientação do veículo e o Max+plusII para projeto, simulação e gravação dos dispositivos lógicos programáveis (FPGA - Field Program Gate Array). 2. DESCRIÇÃO DA PLATAFORMA A descrição mecânica da Plataforma Inteligente para Testes de Estratégias de Controle e Otimização (PITECO), assim denominada pelo GACS, conforme ilustrada na Fig. 1, possui duas rodas iguais, alinhadas sob o mesmo eixo, em uma extremidade da plataforma, e uma roda única localizada no outro extremo da plataforma. Figura 1 - Protótipo da plataforma móvel. Quando as duas rodas alinhadas, acopladas a motores DC independentes, operam em modo diferencial e estabelecem a direção que a plataforma deve seguir, a roda solitária tem sua posição controlada com base na diferença de velocidade das duas rodas. Neste caso o objetivo é fazer com que a roda solitária sirva apenas de apoio sem nunca se opor à tarefa de direcionamento, efetuada pelos dois motores alinhados. Outra situação possível para navegação da plataforma é fazer com que os dois motores, na primeira situação considerados dianteiros, operem sempre com a mesma velocidade, sendo a direção da plataforma imposta pela roda solitária, neste caso localizada a frente da plataforma. É importante observar a flexibilidade do projeto mecânico, uma vez que se trata de uma plataforma de testes experimentais. A descrição eletrônica da plataforma segue a mesma filosofia empregada no projeto mecânico, conjugando versatilidade, portabilidade, custo e tempo de projeto conferidas a um computador portátil do tipo Laptop. A Unidade Central de Processamento - UCP, responsável por todas as tarefas de controle, guiagem e navegação é baseadas em um computador deste tipo. Devido à complexidade das tarefas geralmente executadas por robôs autônomos, necessariamente uma grande quantidade de informações precisa ser adquirida do ambiente no qual o robô está inserido. Por esse motivo é preciso utilizar-se vários sensores com características diferentes, Asami et al.[1], Scharft et al.[2]. Dentro deste contexto, a plataforma móvel em desenvolvimento na PUCRS utiliza sensores ultra-sônicos e encoders para gerar as informações necessárias às operações de guiagem, controle, navegação e localização. Os encoders acoplados aos eixos de cada motor possibilitam a medição das velocidades e deslocamentos angulares de cada uma das rodas de maneira independente. Por sua vez, os sensores ultra-sônicos, dispostos de maneira adequada, possibilitam a detecção de obstáculos localizados próximos à plataforma, bem como as informações necessárias à determinação da posição da plataforma em relação ao ambiente. Todos os sinais gerados pelos transdutores necessariamente precisam ser adquiridos pela UCP (Unidade Central NTM - 487

3 de Processamento) embarcada na plataforma. Estas informações são fundamentais para que os algoritmos de estimação de coordenadas e controle possam determinar os sinais adequados para os atuadores. O gerenciamento, das informações provenientes dos sensores e destinadas aos atuadores, pode ser executado utilizando-se dispositivos dedicados à entrada e/ou saída de dados, ou através das portas-padrão normalmente utilizadas para comunicação com periféricos. Assim sendo, a entrada e saída de dados na UCP da plataforma apresentada na Figura 1 é realizada somente através da porta paralela. Esta alternativa de interfaceamento possibilita uma total compatibilidade entre todos os computadores tipo PC (Personal Computer), fabricados a partir de março de 1994, data da aprovação da norma IEEE 1284 em caráter final, IEEE STANDARDS et al. [3]. Esta norma estabelece os padrões de comunicação de dados através da porta paralela, possibilitando a transferência de dados a uma taxa de até 1Mbyte por segundo. Na fig. 2 abaixo esta o Diagrama do Fluxo de Dados do Veículo Autônomo, onde estão dispostos os módulos do Interfaceamento(AIPP), do PWM, dos Encoders e do Sonar. Figura 2 - Diagrama do Fluxo de Dados do Veículo Autônomo. 3. INTERFACEAMENTO UCP DISPOSITIVOS EXTERNOS A porta paralela dos computadores tipo PC apresenta três barramentos distintos: dados(d0...d7), status(s3...s7) e controle(c0...c7), Messer et al.[4], conforme pode ser observado na Figura 3. Figura 3 Conector da porta paralela. NTM - 488

4 O barramento de dados é composto por oito bits que tanto podem ser utilizados para leitura, como para escrita. O barramento de controle é composto por cinco bits que somente podem ser utilizados para escrita, enquanto que o barramento de status é composto por quatro bits que somente podem ser lidos. Dentro deste contexto propõe-se a utilização de uma arquitetura de interfaceamento conforme apresentado na Figura 4. Figura 4 Diagrama de blocos da Arquitetura de Interfaceamento para Porta Paralela (AIPP). Esta arquitetura multiplexa o barramento de dados de maneira a gerar três barramentos independentes de oito bits cada. Esta expansão de barramento é realizada através de um dispositivo lógico programável (FPGA). A utilização deste tipo de dispositivo acrescenta uma incrível versatilidade à interface, uma vez que a arquitetura básica apresentada na Figura 4 pode ser facilmente alterada de acordo com a necessidade. A comunicação entre a UCP e os dispositivos externos, através da arquitetura de interfaceamento apresentada nesta seção, é realizada através de operações sucessivas e ordenadas de escrita nos barramentos de dados e de controle da porta paralela. Inicialmente as linhas de status não estão sendo utilizadas, mas podem servir como um barramento auxiliar para leitura, caso seja necessário ler mais de oito bits ao mesmo tempo. Para que seja possível compor-se adequadamente o conteúdo dos barramentos, é necessário escrever-se uma palavra de oito bits no barramento de dados da porta paralela e em seguida especificar, através do barramento de controle da porta paralela, se esta palavra refere-se a dados, endereços ou controles. Esta arquitetura, porém, não permite que a operação de leitura possa ser realizada sem que haja um estado intermediário entre a leitura propriamente dita de um dispositivo e a entrada dos dados na UCP. Este fato decorre da necessidade de que durante a operação de leitura a porta paralela precisa mudar sua configuração de escrita para leitura. Desta forma, a operação de leitura de um dispositivo faz com que o dado proveniente do sensor seja armazenado no Registrador de Dados de Entrada (RDE). Uma vez concluída esta operação, a porta paralela precisa configurar seu barramento de dados para leitura e então habilitar a saída do RDE de maneira a possibilitar a leitura dos dados provenientes do dispositivo pela UCP. A habilitação da saída do RDE é realizada através do barramento de controle da porta paralela. Esta seqüência de passos garante que as operações de escrita e leitura possam ser realizadas sem conflitos nos barramentos. 4. PWMs e ENCODERS Conforme descrito na Seção 2, a plataforma móvel em desenvolvimento na PUCRS, PITECO, possui um motor DC acoplado a cada uma das rodas, e um encoder acoplado a cada um destes motores. Desta forma, existe a necessidade de gerar-se sinais de comando independentes para cada acionamento. Estes sinais de controle estão sendo gerados por um módulo de PWM (Pulse Width Modulation) implementado no dispositivo lógico programável (FPGA) conforme diagrama da Fig. 5 abaixo. NTM - 489

5 Figura 5 - Diagrama de blocos com os três PWMs implementados na FPGA O módulo de PWM implementado possui uma entrada de nove bits, oferecendo conseqüentemente a geração de sinais de PWM com freqüência em torno de 20kHz e até 511 níveis de modulação, e uma saída com três sinais independentes de PWM que possibilitam o controle dos três motores DC da plataforma. Além disto, expansões podem ser facilmente efetuadas programando novamente o módulo de PWM implementado na FPGA, possibilitando a mudança de freqüência, níveis de modulação e quantidade de motores controlados. O PWM é controlado e programado pela porta paralela, sendo assim usamos o registrador de controle para enviar as palavras de controle para o PWM e o registrador de dados para enviar o valor de programação para o PWM. Como o registrador de dados da paralela possui oito bits, esta sendo usado duas palavras de oito bits para programar os nove bits do PWM. A contagem dos pulsos dos Encoders estão sendo feitos em um módulo implementado na FPGA conforme diagrama da Fig. 6 abaixo. Figura 6 - Diagrama de blocos com os três leitores dos Encoders implementados na FPGA O módulo de Encoders visa controlar a plataforma em malha fechada, ou seja, os algoritmos controlados pelo Matlab/Simulink já podem a partir dos dados que recebem dos encoders enviar os sinais modulantes para os PWMs que NTM - 490

6 vão acionar com precisão cada um dos três motores independentes da plataforma através de controles como o PID (proporcional integral diferencial) orientando-a e mapeando o caminho descrita pela mesma em tempo real. 5. NAVEGAÇÃO AUTÔNOMA Para que veículos possam locomover-se autonomamente, é necessário que os mesmos tenham a capacidade de interagir com o ambiente, conhecido ou não, e que possa operar sem a supervisão de um operador. Associado à necessidade de locomoção autônoma está o conhecimento das coordenadas espaciais do veículo, posição e orientação. Estes dados são fundamentais para que o sistema de controle de trajetória possa computar os erros de trajetória e posição, e então gerar sinais de controle de modo a minimizar estes erros. Para determinar estes parâmetros estão sendo utilizadas técnicas para a estimação de posição, as quais podem ser classificadas em dois grupos: técnicas que fornecem informações relativas de orientação e posição e técnicas que fornecem informações absolutas de orientação e posição. Medidas de Posição Relativas: Sistema de Coordenadas Relativas Encoders Ultra-som Medidas de Posição Absoluta: Sistema de Coordenadas do Mapa Sonar Uma das técnicas que está sendo utilizada para a determinação de informações relativas de posição é a técnica denominada dead-reckoning a qual consiste em ler pulsos dos encoders em um certo intervalo de tempo para estimar a posição e orientação do veículo esta técnica esta sendo utilizada no veículo autônomo, porém estas leituras produzem erros cumulativos, provenientes de escorregamento das rodas, imperfeições do piso, etc. que em maiores distâncias devem ser corrigidos. Para isto serão utilizadas junto com a técnica dead-reckoning outras técnicas como a utilização de um sonar para determinar a posição absoluta da plataforma. O sonar (sensor ultra-som giratório) terá a função de fazer um mapeamento de 360 da área em torno do veículo para comparar estes dados com um mapa ( pré - programado ) do local onde ele se encontra e desta forma determinar onde ele está dentro deste mapa, através de medidas de distâncias e cálculos feitos por algoritmos de estimação de posição junto com outras técnicas como a já comentada (dead-reckoning ) estimaremos a posição da plataforma com maior grau de precisão a fim de controlá-la com melhores resultados. Uma ilustração do sonar pode ser visto na Fig. 7. Figura 7 Sonar do Veículo Autônomo O sonar consiste de um sensor ultra-som conectado a um motor de passo, que deve ser totalmente controlado por uma FPGA: o acionamento do motor, a geração dos pulsos de INIT e ECHO para o ultra-som a contagem do tempo entre estes pulsos para ser calculada a distância e o seu armazenamento em memória RAM. NTM - 491

7 Este sonar deverá ser controlado totalmente pela FPGA, fazendo a varredura do ambiente (360 ) e gravando as distâncias entre o obstáculo mais próximo ao sonar em uma memória RAM que foi implementada internamente na FPGA dentro do módulo de Sonar, conforme diagrama da Fig. 8 abaixo: 6. CONCLUSÃO Figura 8 - Diagrama do modulo do Sonar implementado na FPGA Neste trabalho foram apresentadas as características construtivas da plataforma móvel que esta sendo desenvolvida na PUCRS. Aspectos relacionados à flexibilidade, versatilidade, tempo de projeto e portabilidade foram abordados tanto no que diz respeito ao projeto mecânico como ao eletrônico. Cabe ainda ressaltar que a implementação deste tipo de interfaceamento através de dispositivos lógicos programáveis, tipo FPGAs, permite que a estrutura da interface seja facilmente alterada através da reprogramação de tais dispositivos, pois estão organizados em módulos independentes. Tal fato permite a utilização de outros tipos de transdutores, tais como câmaras de vídeo, GPS, entre outros. Todos estes aspectos fazem com que a plataforma móvel apresentada aqui possibilite a utilização de diferentes configurações de interfaceamento, de transdutores, e de operação dos atuadores. Logo, tal plataforma constitui uma importante ferramenta para que alunos de graduação e pós-graduação possam desenvolver e testar algoritmos de navegação, de controle, de guiagem e de estimação de coordenadas. Agradecimentos Agradeço os colegas do Grupo de Automação e Controle de Sistemas (GACS) da PUC-RS pelo incentivo e apoio no desenvolvimento deste trabalho e à minha família por ter me dado condições para meu crescimento profissional. 7. REFERÊNCIAS [1] S. Asami, Robotics in Japan: Present and future. IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol. 1(2), June [2] R. D. Scharft, Mechatronics and robotics for services applications. IEEE Robotics and Automation, Vol. 1(4), December [3] IEEE STANDARDS Institute of Electrical and Electronic Engineers. [4] H. P. Messer, The indispensable PC hardware book. Addison-Wesley, Third edition, NTM - 492