Introdução à Robótica Móvel. Introdução à Robótica Móvel

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1 Introdução à Robótica Móvel Prof. Fernando Passold Maio 2004 Versão 1.1 Introdução à Robótica Móvel Ementa: 1. Introdução: Diferença robô manipulador x Robô Móvel; Características do robô móvel; Tipos de Robô; Aplicações de robôs móveis; Tipos de Robôs terrestres Tipos de tração para robôs móveis terrestres; Tipos de Sensores; Fontes de Erro 2. Integração Sensorial Definição Formas de Integração Sensorial Enfoques para Integração Sensorial Outros métodos Projeto dos Sensores utilizados Especificação Lógica de Sensores Modelagem dos Sensores 3. Modelagem do Entorno Definição Uso de landmarks Decomposição geométrica do entorno Fusão geométrica ou "map building" Formas de modelagem do entorno 4. Arquiteturas de Robôs Móveis Reativas Por planejamento Baseado em Comportamento Decomposição Funcional do Sistema de Controle Ativides do Controle por Comportamento Arquiteturas híbridas Exemplos de Arquiteturas de Controle Bibliografia Bibliografia Recomendada Quick Time Codec MPEG4: MPEG2 Video Decoder: 1

2 1. Introdução Diferença: Robô manipulador Robô Móvel: Robô móvel Robô manipulador - Movimentos conhecidos; - espaços em meios conhecidos; - ambiente de trabalho limitado. - Facilmente perde a orientação (por problemas de derrapagens, patinação, etc); - horizonte de trabalho: ± 30 metros. - Problema de incertezas! Introdução Robô móvel: Características - Mobilidade; - Autonomia; - Certa inteligência. 2

3 1. Introdução Tipos de robôs: Robôs móveis marinhos: - exploração submarina; - inspeção [e manutenção] de oleodutos, cabos de telefonia, cabos elétricos - mais comuns em plataformas petrolíferas. Robôs móveis aéreos: - inspeção de linhas de transmissão de energia (helicópteros pequenos, CMU); - problema avançado de controle: multivariável, não-linear e robusto. - problemas de peso autonomia sensorial (define o limite da teleoperação) Robôs de interiores: - veículos com tração diferencial; - veículos tipo triciclo: auto-guiados (restrições cinemáticas: entornos dificeis manobras complicadas 1. Introdução Tipos de robôs: Robôs móveis marinhos: - exploração submarina; - inspeção [e manutenção] de oleodutos, cabos de telefonia, cabos elétricos - mais comuns em plataformas petrolíferas. Robô tuna (MIT) Robô Pike nadando. Robô Pike virando. 3

4 1. Introdução Tipos de robôs: Robôs aéreos: inspeção de linhas de transmissão de energia (helicópteros pequenos, CMU); problema avançado de controle: multivariável, não-linear e robusto. problemas de peso autonomia sensorial (define o limite da teleoperação) 1. Introdução Tipos de robôs: Robôs terrestres aplicações em agricultura: Agricultural Robotics Information Page: Uso de GPS e marcadores por RF. 4

5 1. Introdução Tipos de robôs: Robôs terrestres The Nomad Super Scout II Especificações: PC industrial, sensores por toque e por ultrasom e módulo de visão opcional. Adicionalmente, usa o DSP TMS320C14 para controle dos motores com taxa de amostragem de 2 KHz. Diâmetro: 41 cm. Altura: 35 cm. Peso: 25 kg. (com baterias). Movimento: velocidade: 1.0 m/sec, aceleração: 2m/s 2 Capacidade de carga: 5 kg. Sistema de baterias: 432 watt-hora (recarregáveis). Sistema motriz: 2 rodas motrizes diferenciais no centro geométrico Resolução dos Encoders: translação: 756 contagens/cm, rotação: 230 pulsos/graus Processador: Pentium 233 MHz + Motorola MHz Hard Drive: 2 GB Memoria: 64 MB Portass: Serial (de controle): 38.4 Kbaud Porta serial (modo texto): 9600 Baud, Joystick analógico compatível com PC. 1. Introdução Aplicações: Robôs miniatura. Robô minerador. Robô anti-minas. 5

6 1. Introdução Tipos de robôs: Robôs terrestres: Uso doméstico (entretenimento): Sony AIBO Robot: Entre os vários sensores do AIBO estão: Sensores de distância por infravermelho; Sensores de aceleração; Chaves de toque (cabeça, face, pernas, patas e cauda); Sensores de vibração; Sensores de temperatura. Algumas das habilidades do AIBO: 1) Captura digital de imagens seguindo comandos por voz; 2) Capacidade de navegar pelo entorno usando rede LAN; 3) Salva imagens JPEG em memórias Stick. 4) Comunicação entre outros AIBOS e via PC. Interage e responde a outros AIBOs, portanto, pronto para operar em campeonatos RoboCup série robôs AIBO (a Sony está montando seu próprio time). Ele expressa ainda uma ampla gama de emoções (felicidade, tristeza, medo, indiferença, surpresa e raiva) e instintos (quer brincar, brincar de pegar, tem fome, tem sono). Pode ser utilizado como plataforma para testar diferentes algoritmos de comportamento baseados em projetos de robôs móveis. Vêm acompanhado de rede LAN wireless (sem fio, via rádio). Outras características (AIBO ERS-220A) : - Capacidade para reconhecer 75 comandos de voz; - Reconhece seu nome e o nome do dono. Introdução 1.2 Tipos de robôs: Robôs terrestres: mais comuns; Roda livre 1) Com tração diferencial; 2) Com estrutura de triciclo; 3) Disposição syncro-drive: todas as rodas giram e todas com propulsão. Roda + motor 2 Pára-choques Centro geométrico Pára-choques Roda + motor 1 Roda Encoder Roda livre 6

7 Introdução 1.2 Tipos de robôs: Robôs terrestres: mais comuns; 1) Com tração diferencial; 2) Com estrutura de triciclo; 3) Disposição syncro-drive: todas as rodas giram e todas com propulsão. y c θ 1 y x θ 2 Roda giratória com propulsor θ 1 e θ 2 pontos de controle distintos. Mais comum: θ 1 no caso de roda com propulsor acoplado. θ 2 têm relação com ângulo de orientação do robô (em relação ao centro de massa do mesmo). x c Rodas passivas Introdução y 0 y c 1.2 Tipos de robôs: Robôs terrestres: y R mais comuns; 1) Com tração diferencial; 2) Com estrutura de triciclo; 3) Disposição syncro-drive: todas as rodas giram e todas com propulsão. θ ϕ x R x c x 0 7

8 1. Introdução 1.3 Tipos de tração para robôs móveis terrestres por esteira com patas: na agricultura; exploração espacial; aplicações limitadas: dinâmica complexa para velocidades de deslocamento altas, desafio para a área de controle clássico. 1. Introdução 1.3 Tipos de tração para robôs móveis terrestres robôs tipo trepadores: aplicações como: limpar vidros em aranhacéus, pintura de barcos, manutenção de pontes, manutenção de turbinas elétricas, etc... Usam: - ventosas (Obs 1 ); -eletroímas; - garras (típico em construção civil, inspeção de estruturas metálicas); Obs 2 : movimenta 1 garra por vez para economizar bateria (aumentar sua autonomia). Uso de processamento de imagem, geralmente feito off-board para aumentar autonomia do robô. Obs 1 : Sistema muito lento. O maior problema não é o controle dos movimentos (seqüência de movimentação) MAS garantir aderência. 8

9 Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Internos: de movimentação do robô. Externos: para localização do robô (medidas de distâncias). Propioceptivos Exteroceptivos Codificadores Angulares (encoders) Encoder + Sensor de proximidade Câmera (sensor CCD) + medidor laser Posição do Elemento terminal Posição de Um objeto Mapa 3D Tipos de Sensores Introdução 1.4 Tipos de Sensores: 1) Internos sensores de movimento do próprio robô; permite saber como avança o robô e, como está sendo realizado o avanço. 2) Medida de distâncias para localizar o robô; Para construir um modelo do mundo exterior. 3) Localização relativa à marcas localização de landscapes ; confirma localização do robô. Principal problema INCERTEZA quanto a localização do robô. Levar em conta erros dos próprios sensores, derrapagem das rodas, etc... Note que estes erros são acumulativos! 9

10 Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de movimento do robô: 1) Odômetros: nas rodas encoders relativos: I A B Valores típicos: 2540 raias num disco de 5 cm de Note: a observação da diferença de defasamento (pontos 1, 2, 3 e 4) entre os pulsos de saída A e B pode ser utilizado para determinar a direção da rotação. A ranhura mais externa do disco gera um pulso a cada rotação do mesmo. Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de movimento do robô: 1) Odômetros: nas rodas encoders relativos: I A B Valores típicos: 2540 raias num disco de 5 cm de Exemplo de uso: Robô gadget: 10

11 Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de movimento do robô: 1) Odômetros: nas rodas encoders relativos: Exemplos práticos: I A B Fonte: Para saber como funciona um mouse: Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de movimento do robô: 1) Odômetros: nas rodas encoders relativos: I A B Posição inicial Trajetória estimada pelo robô Elipsóides de erros por incerteza Problemas: elipsóides de erro crescentes: 11

12 Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de movimento do robô: 1) Odômetros: nas rodas encoders absolutos ópticos: Exemplo: Array de foto-detectores Led Canhão expansor Lentes colimadoras Lentes cilíndricas Disco de Múltiplas raias ( código Gray) Disco de Gray de 8 bits: 2 8 = 256 raias 360 o /256 = 1,4 o /raia. Note: apenas 1 bit varia entre raias do disco! Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de movimento do robô: 1) Odômetros: nas rodas encoders. 2) Inclinômetros. 3) Bússulas magnéticas desvios grandes, sofre influência de campos magnéticos. Caros. Não muito utilizados. Circuitos magnéticos, sensores por efeito hall. 4) Giroscópio mecânico mede variações de posicionamento (problemas com desvios horários: erro aumenta com tempo). roda mancal Pivô externo Pivô interno 5) Giroscópios ópticos uso de laser s contrapostos, mede-se o número de bandas causadas no fenômeno físico conhecido por franjas de interferência. 12

13 Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de localização do robô: 1) Sonares: por ultrasom, infravermelho ou RF. Princípio: d = v t Onde: d = distância percorrida pela onda; v = velocidade de propagação da onda (v Som =0,3m/ms, v Luz =0,3m/ns) t = tempo gasto. v Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de localização do robô: 1.a) Sonares: por ultrasom. Princípio: d = v t Onde: d = distância percorrida pela onda; v = velocidade de propagação da onda (v Som =0,3m/ms, v Luz =0,3m/ns) t = tempo gasto. Ultrasom: onda sonora na faixa de 40KHz à 250KHz v 30 o 15 o Baratos: tão utilizados quanto os encoders. Detalhe: o ganho do sinal que retorna aumenta à medida que aumenta o tempo (porque a medida que aumenta a distância, o sinal de retorno fica + fraco). Ultrasom: Alcance máximo típico: 10 cm à 10 m. de 20 à 150 medições/segundo. resolução: 0.08 cm à 1,0 cm ( freq., resolução, $$$ ) 13

14 Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de localização do robô: 1.a) Sonares: por ultrasom. Ultrasom: onda sonora na faixa de 40KHz à 250KHz 30 o 15 o Princípio: d = v t Baratos: tão utilizados quanto os encoders. Detalhe: o ganho do sinal que retorna aumenta à medida que aumenta o tempo (porque a medida que aumenta a distância, o sinal de retorno fica + fraco). Ultrasom: Alcance máximo típico: 10 cm à 10 m. de 20 à 150 medições/segundo. resolução: 0.08 cm à 1,0 cm ( freq., resolução, $$$ ) Uso de 24 sensores = 360 o /15 o Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de localização do robô: 1) Sonares. 2) Lasers: exige eletrônica de melhor precisão; Feixe pontual (por isto são necessários muitos feixes uso de espelhos); Permitem medir kilômetros; + caros. Permitem modelagem em 3D. λ Exemplo de localização por laser: Limite Mede-se a defasagem entre onda emitida e refletida. 14

15 Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de localização do robô: 1) Sonares: por ultrasom, infravermelho ou RF. 2) Lasers. 3) De Inércia: medem acelerações angulares (sensor muito caro, deve ser de alta precisão) Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de localização do robô: 1) Sonares: por ultrasom, infravermelho ou RF. 2) Lasers. 3) De Inércia. 4) Por triangulação. Triangulação por RF: Usam-se emissores de rádiofreqüência: Mede-se diferenças de potenciais: baixa precisão Veículo C A Transmissor mestre B Transmissor escravo 15

16 Introdução 1.4 Tipos de Sensores: Sensores de localização do robô: 1) Sonares: por ultrasom, infravermelho ou RF. 2) Lasers. 3) De Inércia. 4) Por triangulação. Usando GPS: necessita de no mínimo 4 satélites; Detalhes: sua altitude e precisão pode ser controlada. Na época da guerra do Goldo Pérsico, a precisão baixou muito (por questões militares, EUA). erro na faixa de 16 à 100 metros (modo alone ); Precisão aumenta com o uso de GPD Diferenciais (1 fixo + 1 móvel): de 3m 1cm. Ex.: Os portos marítimos na Alemanha possuem um GPS fixo; os naviso só necessitam de outro GPS (móvel). erro baixa (filtros de Kalman) à medida que se realize mais medições (mas isto demanda + tempo de processamento). 1.5 Fontes de Erro: Dificuldades com a determinação da própria localização do robô: Caminho desejado y 0 y R y c Roda livre x c Erros de odometria (sem compensação) θ ϕ x R x 0 16

17 1.5 Fontes de Erro: Dificuldades com a determinação da própria localização do robô: Caminho desejado y 0 y R y c Roda livre x c Erros de odometria CORRIGIDOS θ ϕ x R x 0 2. Integração Sensorial Definição: Consiste na utilização da informação proveniente de vários sensores para atualizar um modelo do entorno do robô com vistas a realização de alguma tarefa. Planejamento de Tarefas Integração Sensorial Subprodutos: Modelo do entorno - calibração de sensores; - redução de erros; - proteção contra falhas; Integração multi-sensorial: uso de informação de vários sensores para construir um modelo apropriado do mundo para um determinado fim. Integração Sensorial Gerenciamento de informação sensoriamento ativo 17

18 2. Integração Sensorial Formas de Integração Sensorial: Integração Competitiva: dois ou mais sensores geram informação do mesmo tipo sobre as mesmas características de um objeto. Integração Complementar: os sensores geram informações de diferentes características (ou de diferentes objetos); se obtêm informação por partes que se complementam. Integração Cooperativa: a informação desejada não pode ser obtida usando-se apenas um sensor (informação híbrida); típico quando se utiliza informação de um sensor para direcionar outro. 2. Integração Sensorial Formas de Integração Sensorial Exemplo: 18

19 2. Integração Sensorial Enfoques para integração sensorial Estático: Dinâmico: informação captada num único instante de tempo (uma amostra). evolução da informação no tempo (série de amostras). Fonte: (figura ao lado do item People Tracking ) 2. Integração Sensorial Enfoques para integração sensorial Estático: Dinâmico: Simultâneo: Seqüencial: informação captada num único instante de tempo (uma amostra). evolução da informação no tempo (série de amostras). todos os sensores ao mesmo tempo. uso de sensores de forma seqüencial (normalmente exige conhecimento prévio do meio). 19

20 2. Integração Sensorial Enfoques para integração sensorial Estático: Dinâmico: Simultâneo: Seqüencial: informação captada num único instante de tempo (uma amostra). evolução da informação no tempo (série de amostras). todos os sensores ao mesmo tempo. uso de sensores de forma seqüencial (normalmente exige conhecimento prévio do meio). Exemplo: Um sensor de ultrasom localiza um objeto no ambiente e a seguir um scaner à laser mapeia somente o objeto para processar os dados adquiridos do objeto. 2. Integração Sensorial Enfoques para integração sensorial Estático: Dinâmico: Simultâneo: Seqüencial: informação captada num único instante de tempo (uma amostra). evolução da informação no tempo (série de amostras). todos os sensores ao mesmo tempo. uso de sensores de forma seqüencial (normalmente exige conhecimento prévio do meio). Método combinado: Ex.: buscar a curvatura de um canto de objeto usando visão e sensor de proximidade. 20

21 2. Integração Sensorial Enfoques para integração sensorial Estático: Dinâmico: Simultâneo: Seqüencial: informação captada num único instante de tempo (uma amostra). evolução da informação no tempo (série de amostras). todos os sensores ao mesmo tempo. uso de sensores de forma seqüencial (normalmente exige conhecimento prévio do meio). de Baixo Nível: combinação de informação nas primeiras etapas de seu tratamento. Informação quantitativa. Algoritmos dependem do sistema. 2. Integração Sensorial Enfoques para integração sensorial Estático: Dinâmico: informação captada num único instante de tempo (uma amostra). evolução da informação no tempo (série de amostras). Simultâneo: todos os sensores ao mesmo tempo. Exemplo: extrair Seqüencial: uso de sensores de forma seqüencial informação simbólica (normalmente exige conhecimento prévio do meio). dos dados captados pelos sensores. Isto de Baixo Nível: combinação de informação nas primeiras etapas de permite seu tratamento. chegar a Informação quantitativa. deduções do tipo: Algoritmos dependem do sistema. 1) foram detectadas umas de Alto Nível: a fusão se realiza a nível do conhecimento. poucas cadeiras numa Métodos mais gerais. sala; Informação tratada de maneira simbólica. 2) a sala é grande não é uma sala de aula. 21

22 2. Integração Sensorial Outros métodos: 1) Método da média ponderada Uso de médias e análises estatísticas. 2) Método baseado em decisão é selecionado o sensor + confiável. Uso de uma medida de confiança para selecionar um valor entre várias medições. 3) Método direcionado uso valores gerados por um sensor para direcionar a aquisição e tratamento + preciso (do entorno) mediante outro sensor. O refinamento da informação é progressivo. 2. Integração Sensorial Projeto dos Sensores usados: Fatores envolvidos: Complexidade dos dispositivos Erros de observações (medidas) Disparidade de observação Múltiplos pontos de observação número de elementos; contribuição de cada um; incerteza de cada um. Ex 1 : Escolher um sensor CCD de 500 ou 1000 dpi!? Ex 2 : Trabalhar com um encoder que gera 500 ou 1000 pulsos por volta? 22

23 2. Integração Sensorial Projeto dos Sensores usados: Fatores envolvidos: Complexidade dos dispositivos Erros de observações (medidas) Disparidade de observação Múltiplos pontos de observação ruído (interferências do meio); erros de posicionamento, alinhamento e calibração dos sensores. Ex.: meio com fonte de calor sensores de IR do robô. 2. Integração Sensorial Projeto dos Sensores usados: Fatores envolvidos: Complexidade dos dispositivos Erros de observações (medidas) Disparidade de observação Múltiplos pontos de observação Tipos de informação; Transformação de um tipo de informação em outro (para poder comparar ou complementar info.) Ex.: medição de pressões através de medidas de deslocamento. 23

24 2. Integração Sensorial Projeto dos Sensores usados: Fatores envolvidos: Complexidade dos dispositivos Erros de observações (medidas) Disparidade de observação Múltiplos pontos de observação Elementos de medição distribuídos; Transferência de informação de um sistema a outro (transformação de coordenadas). Ex 1 : cinto de sensores de ultra-som (cobrindo os 360o). Ex 2 : sistemas multi-câmeras 2 estéreo visão (noção de profundidade, modelagem 3D). 2. Integração Sensorial Stereoscopy: a b A B A B 24

25 2. Integração Sensorial Especificação lógica de sensores: Cada sensor se modela mediante: Nome lógico; Vetor de saída; Sub-redes; Selecionador; Intérprete de comandos. Nome lógico do sensor Programa 1... Entradas Sensor lógicas Seletor... Vetor de saída de dados Programa n Comandos de controle Controle interpretador de comandos Comandos para os sensores lógicos 2. Integração Sensorial Modelagem dos Sensores: Cada sensor se modela levando-se em conta: Modelo de observação: capacidade de obter informação; Modelo de estado: posição e estado interno de cada sensor. Modelo de dependência: capacidade de interagir e intercambiar informação; 25

26 2. Integração Sensorial Modelagem dos Sensores: Modelo de observação: capacidade de obter informação Relacionado com a precisão/capacidade do sensor: Curva gaussiana 50% d Melhor faixa de medição Faixa de medição 2. Integração Sensorial Modelagem dos Sensores: Modelo de observação: capacidade de obter informação Relacionado com a precisão/capacidade do sensor: Curva gaussiana d Melhor faixa de medição 50% Faixa de medição Mudança de precisão do sensor conforme faixa de valor sendo medida: Faixa útil 5 10 Medida do sensor 26

27 2. Integração Sensorial Modelagem dos Sensores: Modelo de observação: capacidade de obter informação Relacionado com a precisão/capacidade do sensor: Exemplo: num sensor CCD colorido: qual a probabilidade de um pixel ser realmente azul? 2. Integração Sensorial Modelagem dos Sensores: Modelo de observação: capacidade de obter informação. Modelo de estado: probabilidade do sensor obter a medida z i dado o estado atual do robô. Exemplo: o sensor de ultrasom devolve um valor que está claramente fora da sua faixa de atuação. Este valor deve ser descartado. Faixa de alcance do sensor 27

28 2. Integração Sensorial Modelagem dos Sensores: Modelo de observação: capacidade de obter informação. Modelo de estado: probabilidade do sensor obter a medida z i dado o estado atual do robô. Modelo de dependência: se modela um conjunto de probabilidades condicionais (idéia: confirmar valores medidos) ( b b a) = P( b a) P( b a) P Exemplo: Info. Sensor 1: Info. Sensor 2: b 1 =10 b 2 =11 Qual é a medida correta? 1) Modelo probabilístico: Enfoque + comum: método Bayesiano: Valor real: a P P ( b b a) = P( b a) P( b a) = P( a b b ) ( x y) P = ( x y) P( y) P( x) (Teorema de Bayes) Idéia obter uma curva de probabilidades associadas à valores reais 2 2. Integração Sensorial Modelagem dos Sensores: Modelo de observação: capacidade de obter informação. Modelo de estado: probabilidade do sensor obter a medida z i dado o estado atual do robô. Modelo de dependência: se modela um conjunto de probabilidades condicionais (idéia: confirmar valores medidos) Idéia obter uma curva de probabilidades associadas à valores reais P(b 1 ) P(b 2 ) P conjunto Importância localização de um objeto! (a certeza do objeto estar no ponto sensoriado) b 1 =10 b 2 =11 28

29 2. Integração Sensorial Modelagem dos Sensores: Modelo de observação: capacidade de obter informação. Modelo de estado: probabilidade do sensor obter a medida z i dado o estado atual do robô. Modelo de dependência: se modela um conjunto de probabilidades condicionais (idéia: confirmar valores medidos) y Objeto Importância localização de um objeto! Dica : sabemos à priori o erro que pode estar associado a cada sensor. Probabilidade y x Um cone 3D x certeza do objeto estar neste ponto. 2. Integração Sensorial Modelagem dos Sensores: Modelo final: elipsóides de incertezas: 29

30 2. Integração Sensorial Modelagem dos Sensores: Modelo final: elipsóides de incertezas: A precisão das medidas realizadas depende de diversos fatores: distância até o objeto; Sensor utilizado (IR, ultrasom, microondas, laser, CCD, GPS); Ondulações do terreno; Ruídos gerados no entorno: Ex.: calor sensores IR, pés de cadeiras ultrasom; Reflexões de sinais causadas pela própria configuração geométrica do meio. 3. Modelagem do Entorno A exploração baseada em sensores possibilita ao robô explorar e mapear um entorno desconhecido, usando as informações dos sensores. Um dos componentes críticos a serem mapeados é a própria capacidade do robô se localizar num mapa parcialmente explorado. Isto se transforma em desafio quando o robô sofre ainda de erros de posicionamento, não pode contar com um dispositivo externo de posicionamento nem se pode dar ao luxo de guiar-se por balizas (marcas, landscapes) introduzidas no entorno. Métodos para localização e mapeamento simultâneos que exploram a topologia do espaço livre do robô, permitem localizar o robô num mapa parcialmente construído. Este mapa pode ser usado para gerar os grafos de Voroni (GVG) que é na realidade um mapa topológico que codifica algumas informações métricas a respeito do entorno do robô. Entretanto, atrasos de locomoção podem ser esperados devidos à incertezas provindas dos sensores e processamento pesado exigido. 30

31 3. Modelagem do Entorno Uso de landmarks: A exploração baseada em sensores possibilita ao robô explorar e mapear um entorno desconhecido, usando as informações dos sensores. Um dos componentes críticos a serem mapeados é a própria capacidade do robô se localizar num mapa parcialmente explorado. Isto se transforma em desafio quando o robô sofre ainda de erros de posicionamento, não pode contar com um dispositivo externo de posicionamento nem se pode dar ao luxo de guiar-se por balizas (marcas, landscapes) introduzidas no entorno. Navegação por balizas (landmarks). 3. Modelagem do Entorno Uso de landmarks: A exploração baseada em sensores possibilita ao robô explorar e mapear um entorno desconhecido, usando as informações dos sensores. Um dos componentes críticos a serem mapeados é a própria capacidade do robô se localizar num mapa parcialmente explorado. Isto se transforma em desafio quando o robô sofre ainda de erros de posicionamento, não pode contar com um dispositivo externo de posicionamento nem se pode dar ao luxo de guiar-se por balizas (marcas, landscapes) introduzidas no entorno. 31

32 3. Modelagem do Entorno A exploração baseada em sensores possibilita ao robô explorar e mapear um entorno desconhecido, usando as informações dos sensores. Um dos componentes críticos a serem mapeados é a própria capacidade do robô se localizar num mapa parcialmente explorado. Isto se transforma em desafio quando o robô sofre ainda de erros de posicionamento, não pode contar com um dispositivo externo de posicionamento nem se pode dar ao luxo de guiar-se por balizas (marcas, landscapes) introduzidas no entorno. Métodos para localização e mapeamento simultâneos que exploram a topologia do espaço livre do robô, permitem localizar o robô num mapa parcialmente construído. Este mapa pode ser usado para gerar os grafos de Voroni (GVG) que é na realidade um mapa topológico que codifica algumas informações métricas a respeito do entorno do robô. Entretanto, atrasos de locomoção podem ser esperados devidos à incertezas provindas dos sensores e processamento pesado exigido. 3. Modelagem do Entorno Decomposição trapezoidal: - Processamento + rápido Método avançado: Decomposição celular usando pontos críticos da função segmentadora: h(x,y)=x 2 +y 2. 32

33 3. Modelagem do Entorno Exemplo 3. Modelagem do Entorno Fusão geométrica dos dados ou Map Building : requer que um robô estime simultaneamente sua própria posição e o mapa do ambiente. y 0 y c y R Roda livre x c θ ϕ x R x 0 33

34 3. Modelagem do Entorno Map Building e Exploração do Entorno: Clip #1: Traçar grafo de Vorony (GVG) do ponto 2 até ponto 4. Clip #2: Voltar ao ponto 5, explorando as redondezas do ponto 6. Clip #3: Traçar o GVG do ponto 5 ao ponto 1. Clip #4: Traçar o ramo partindo do ponto 1 e retornar ao ponto Modelagem do Entorno Modelagem do entorno ( mundo do robô): Estrutural Paramétrica Funcional Determinação dos limites; Relações... Descrição física e Geométrica (arestas) Parâmetros; Domínios Características numéricas ligadas a uma estrutura (peso, comprimentos) Forma de interação com o entorno Como o objeto interage com os outros elementos ou como pode ser manipulado. 34

35 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: Reativas De Planejamento Atividades do Sistema de Controle: 1) Baseado em comportamento, ou; 2) Não baseado em comportamento. Modelagem do entorno: Modelagem do espaço livre; Planejamento da percepção 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: Reativas De Planejamento Atividades do Sistema de Controle: 1) Baseado em comportamento, ou; 2) Não baseado em comportamento. Exemplos: -Desviar de obstáculos; -Contornar obstáculos; -Seguir trilhas no chão (sensor IR) -Seguir paredes -Procurar/desviar de focos de luz Modelagem do entorno: Modelagem do espaço livre; Planejamento da percepção 35

36 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: Reativas: - Método dos Potenciais: Ponto de chegada Obstáculo: vetores divergentes 1) Definir força atrativa: ponto de chegada potencial atrativo. 2) Definir forças repulsivas (dadas pela info. de cada sensor). São forças divergentes geradas pelos obstáculos. 3) Cálculo do vetor resultante define o gradiente de força. 4) Aplicar no modelo cinemático do robô de forma a definir a velocidade linear e angular (giro). v θ Note: à partir deste ponto, mudança de direção, isto é, já passei do ponto de chegada. WHILE ponto_atual ponto_chegada 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: Reativas: - Método dos Potenciais: Notas: 1) Potencial Atrativo distância do ponto de chegada (função parabólica). Cuidados: definir função em que o vetor atrativo ainda seja maior que os vetores repulsivos quando o robô está longe do objetivo. Distância grande: se usa função cônica (3 a ordem vel. quase constante.) Distâncias pequenas: se usa função quadrática (de 2 a ordem). θ. v 36

37 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: Reativas: - Método dos Potenciais: Notas: 2) Potencial Repulsivo: 1/d onde d: distância do obstáculo: V Rep 1 (cm) 10 (cm) d Cuidados: não pode ser grande se o robô está longe do obstáculo. Calculado de forma local para cada obstáculo. θ. v 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: Reativas: - Método dos Potenciais: Detalhes: 1) Este algoritmo permite orientar o robô mesmo que o mesmo inicie com uma orientação propositalmente incorreta. 2) Se vetor_resultante 0 AND robô não percorre distância mínima dentro de certo tempo, se adiciona (lentamente) ruído de forma o força o robô a sair de um possível ponto de mínimo local. 3) Teste interessante: colocar um robô contra outro para verificar se desviam quando estão próximos (evita-se a colisão com outros objetos móveis?) θ. v 37

38 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: Reativas: - Método dos Potenciais: Vantagens: Não necessita do modelo do entorno! Resposta rápida. Problemas: Decompor vetor resultante de força em: Velocidade linear (v), e; Velocidade angular (dθ/dt = w). Pode ficar retido em mínimo locais (entornos + complexos) θ. v 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: Reativas De Planejamento Atividades do Sistema de Controle: 1) Baseado em comportamento, ou; 2) Não baseado em comportamento. Modelagem do entorno: Modelagem do espaço livre; Planejamento da percepção Campo fértil para a área de Inteligência Computacional e Inteligência Artificial Problema: muitas possibilidades de trajetórias. 38

39 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: De Planejamento: de missões off-line: 1 a parte de caminhos Intimamente relacionados da percepção. Note: exige levantamento do modelo do entorno. Problema: seguir por um caminho, mas o que devo mirrar? 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: De Planejamento: do caminho: (divide espaço em segmentos): Decomposição trapezoidal: Tarefa à cargo do planificador. Ponto médio Se introduz linhas verticais 39

40 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: De Planejamento: do caminho: Decomposição trapezoidal: 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: De Planejamento: do caminho: Diagramas de Voroni: (pontos eqüidistantes entre 2 arestas). Exemplos: Útil em entornos complexos e estreitos: 40

41 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: Reativas De Planejamento Atividades do Sistema de Controle: 1) Baseado em comportamento, ou; 2) Não baseado em comportamento. Modelagem do entorno: Modelagem do espaço livre; Planejamento da percepção Problema: Como mesclar comportamentos para que o robô realize uma Trajetória razoável. 4. Arquitetura de Robôs Móveis Atividades do Sistema de Controle: 1) Baseado em comportamento, ou; 2) Não baseado em comportamento. Mesclar tarefas de: percepção; planificação; execução de tarefas Problema: Como mesclar comportamentos para que o robô realize uma Trajetória razoável. 41

42 4. Arquitetura de Robôs Móveis Atividades do Sistema de Controle: 1) Baseado em comportamento, ou; 2) Não baseado em comportamento. Decomposição de tarefas: por funcionalidade: Mesclar tarefas de: percepção; planificação; execução de tarefas tarefa de localização; processamento sensorial; modelo do entorno; planificação de tarefas; execução de tarefas; controle de motores. por comportamento. 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas de Controle do robô: Reativas De Planificação Atividades do Sistema de Controle: 1) Baseado em comportamento, ou; 2) Não baseado em comportamento. Modelagem do entorno: Modelagem do espaço livre; Planejamento da percepção Outro campo fértil de pesquisas para a área de Inteligência Computacional e Inteligência Artificial 42

43 4. Arquitetura de Robôs Móveis Decomposição Funcional do Sistema de Controle: alto nível baixo nível Planificador Navegador Piloto Controle da execução Leva em conta o conceito de cruzabilidade, relacionado à velocidade máxima que o veículo pode desenvolver. Calcula-se a cruzabilidade de cada segmento para depois selecionar o melhor trajeto (procurar manter zonas de cruzabilidade constante). Define trajetória dinamicamente. Opera em escalas pequenas (< 10 metros). Segue baseado nos dados do planificador Segue seqüências de controle (velocidade linear e angular) baseado em dados gerados pelo navegador. Malha fechada baseada em sensores internos. Aqui necessário somente modelo dinâmico do sistema. 4. Arquitetura de Robôs Móveis Decomposição Funcional do Sistema de Controle: alto nível baixo nível Planificador Navegador Piloto Controle da execução Opera à nível geométrico. Recebe os pontos passados pelo planificador (3 zonas de cruzabilidade aprox. cte.). O navegador define pontos intermediários (interpolação). Define Mapa p/navegação. Necessita maior definição dos objetos externos (detecção de obstáculos?). O mapa passado pelo Navegador precisa ser detalhado. 43

44 4. Arquitetura de Robôs Móveis Decomposição Funcional do Sistema de Controle: alto nível baixo nível Planificador Navegador Piloto Controle da execução Converte as ordens do Navegador para os controladores do sistema motriz do robô (informações como vel. linear e angular). O Piloto evita os obstáculos desconhecidos porque somente neste nível mais baixo existe realimentação do mundo externo. Agente extra : Repórter avisa sobre obstáculos não previstos à priori. Avisa o planificador o que desencadeia uma nova planificação 4. Arquitetura de Robôs Móveis Decomposição Funcional do Sistema de Controle: alto nível Planificador Navegador Sem realimentação, a menos que este robô modele o próprio entorno Exige sistema de localização Piloto Sistema de localização não faz falta baixo nível Controle da execução Define trajetória dinamicamente. Opera em escalas pequenas (< 10 metros). Segue baseado nos dados do planificador 44

45 4. Arquitetura de Robôs Móveis Decomposição Funcional do Sistema de Controle: alto nível baixo nível Planificador Navegador Piloto Controle da execução Notas: se associa estratégias de Planejamento com planos de Percepção para confirmar a localização do robô. Exemplo: o robô se desloca pelo meio até encontrar marcas (landscapes). Se não encontra, é provável que tenha se deslocado na direção errada. Outro agente extra : Cartógrafo armazena info. Do entorno (topologicamente ou geometricamente). BD 4. Arquitetura de Robôs Móveis Atividades de Controle por Comportamento: Comportamentos: Seguir um caminho; Seguir uma trilha; Andar afastado de uma parede; Ir até um ponto; Procurar/detectar marcas; Atravessar uma porta; Seguir objeto em frente (comportamento de comboio)!? Sistema 45

46 4. Arquitetura de Robôs Móveis Atividades de Controle por Comportamento: Comportamentos: Seguir um caminho; Seguir uma trilha; Andar afastado de uma parede; Ir até um ponto; Procurar/detectar marcas; Atravessar uma porta; Seguir objeto em frente (comportamento de comboio)!? Sistema + interessante do ponto de vista de pesquisas; Tenta detectar objetos rápidos que se movem (prever colisões); Uso de PID para Ctrl. Traj.; Uso de RNs; Uso de regras; Uso de Lógica fuzzy; 4. Arquitetura de Robôs Móveis Atividades de Controle por Comportamento: Comportamentos: Seguir um caminho; Seguir uma trilha; Andar afastado de uma parede; Ir até um ponto; Procurar/detectar marcas; Atravessar uma porta; Seguir objeto em frente (comportamento de comboio)!? Sistema Problemas: Ações complexas: Seqüência de comportamento? Como combinar comportamentos? Associar uma prioridade (peso) para cada comportamento? Dificuldade: Mesclar comportamentos ; Uso de regras, RN, fuzzy. 46

47 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas híbridas: + indicado para entornos muito dinâmicos: + reativa + local (atividade de controle por comportamento) Estímulo (info. Local) + rápido: ação Na prática: resultados não muito bons porque o entorno é dinâmico (objetos se movem) + planificada (tanto local quanto globalmente) atividade de controle por funcionalidade (controle clássico: hierárquico) + lento: Novos obstáculos exigem replanificação 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas híbridas: + indicado para entornos muito dinâmicos: + reativa + local (atividade de controle por comportamento) Desvantagens: - Ações não otimizadas; - Mínimos locais; - Dificuldade para alcançar objetivos globais + rápido: Estímulo (info. Local) ação 47

48 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas híbridas: Planejamento: de missões (off-line, remoto); de caminhos Intimamente Relacionados da percepção Na prática: resultados não muito bons porque o entorno é dinâmico (objetos se movem) + planificada (tanto local quanto globalmente) atividade de controle por funcionalidade (controle clássico: hierárquico) + lento: Novos obstáculos exigem replanificação 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas híbridas: Controle funcional Alto nível + reativa + planificada Baixo nível Controle por comportamento (+ rápido) 48

49 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas para o Sistema de Controle: alto nível baixo nível Planificador Navegador Piloto Controle da execução Arquiteturas mais conhecidas: LAAS (Lab. LAAS, Toulose, França): híbrida, hierarquizada: 2 níveis: (1) superior: módulo supervisor + planificador, (2) inferior: módulo reativo ; + nível de decisão + nível funcional (biblioteca de funções inteligentes preparada para trabalhar em tempo-real, podem ser paralelizadas). AFRED: plano em nível + alto já entregue. Planos de execução + plano de percepção = casados p/fazer o veículo seguir um caminho. Baseado em mapas geométrico. Compara info. Sensores com planejamento prévio. 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas para o Sistema de Controle: alto nível baixo nível Planificador Navegador Piloto Controle da execução Arquiteturas mais conhecidas: IMAS (Meystel): planificação hierarquizada; NASREM (Albus): para robôs teleguiados no espaço, hierarquizada, pode ser distribuída (modelo do entorno pode estar em outras máquinas, compartilhamento de dados). Subsumption (Brooks): baseada em comportamentos, subdividido em níveis de competência, integração entre vários níveis de competência, prévio 8 níveis de competência: AURA (Aukin): reativa (não exige planejamento de uma rota). 49

50 4. Arquitetura de Robôs Móveis Arquiteturas para o Sistema de Controle: Arquitetura exemplo: Introdução à Robótica Móvel Prof. Fernando Passold Maio 2004 Versão

51 Bibliografia Livros: Meystel, A., Autonomous Mobile Robots, World Scientific, Russel, R.A., Robot Tactile Sensing, Prentice Hall, Borenstein, J. et all, Where am I? Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning, University of Michigan: Bibliografia recomendada: Introdução a µc PIC s: Microcontroladores PIC on-line, Neboksa Matic, versão em português (Portugal) de Alberto Jerônimo site: picbook/00.htm ou Conteúdo: Exemplos de ligações práticas (Relés, Optoacopladores, LCD's, Teclas, Dígitos, Conversores A D, Comunicação série, etc.), Introdução aos Microcontroladores (Aprenda o que são, como funcionam, e como podem ser úteis no seu trabalho), Programação em linguagem Assembler (Como escrever o seu primeiro programa, utilização de macros, modos de endereçamento... ), Conjunto de Instruções (Descrição, exemplo e proposta para utilizar cada instrução...), Pacote do programa MPLAB (Como instalá-lo, como começar o primeiro programa, seguindo o programa passo a passo no simulador...). 51

52 Bibliografia recomendada: Livro de Introdução a Robótica Móvel: Robot Building For Dummies By Roger Arrick ISBN: Paperback 384 páginas October 2003 * Fundamentos de robótica e programação; * Explora robôs programáveis e não programáveis. * Construa seu próprio robô (baseado em kit). * Expanda seu robô adicionando sensores, vídeo e voz. * Melhore a ação de seus robôs usando programas especializados. Bibliografia recomendada: Introdução a Robótica Móvel Robôs TekBots (Universidade Estadual do Oregon, parte das disciplinas introdutórias para os cursos de Eng. Elétrica e Eng. de Software): Até competições: The TekBot Triathlon ( Páginas de fabricantes de µc: ATMEL: Ex.: AT90S2313 ( eets/at90s2313.pdf); PIC s: (Microchip): Ex.: PIC16F676 ( eets/16f676.pdf). 52

53 Bibliografia recomendada: Fabricantes de Kits: Parallax: Boe-Bot The Toddler bipedal walking robot HexCrawler Bibliografia recomendada: Fabricantes de Kits: - K-team: Especialmente sobre o robô Khepera II: Links para: Khepera Unlimited Experiments Navigation Artificial Intelligence Multi-Agents System Control Collective Behavior Real-Time Programming Advanced Electronics Demonstration Simulador do Khepera: 53

54 Bibliografia recomendada: Fabricantes de Kits: - K-team: Especialmente sobre o robô Khepera II: Simulador para WebBoots: Bibliografia recomendada: Dados do robô Khepera II: Elements Processor Motion Speed Sensors Power Autonomy Communication Size Weight Simulators Development Environment for Autonomous Application KHEPERA II SPECIFICATIONS Technical Information Motorola 68331, 25MHz IMPROVED 2 DC brushed servo motors with incremental encoders (roughly 12 pulses per mm of robot motion) Max: 1 m/s, Min: 0.02 m/s 8 Infra-red proximity and ambient light sensors with up to 100mm range IMPROVED AND Power ConsumptionNEW Power Adapater OR Rechargeable NiMH BatteriesIMPROVED 1 hour, moving continuously IMPROVED. Additional turrets will reduce battery life. Standard Serial Port, up to 115kbps IMPROVED Diameter: 70 mm Height: 30 mm Approx 80 g WEBOTS, Realistic 3D Simulator (Windows & Linux). Freeware. KTProject, graphical interface for GNU C Cross-Compiler (Windows). GNU C Cross-Compiler, for native on-board applications (Windows, Linux & Sun). Freeware. 54

55 Bibliografia recomendada: Fabricantes de Kits: Lego MindStorms: Robotics Invention System 2.0: RCX Microcomputer: 6 AA batteries; LCD display; 3 sensor inputs; 3 motor outputs; Hitachi H8/ Mhz; 32k ram; rom with basic I/O functions CD-ROM Software USB Infrared Transmitter 718 pieces, including: 2 Motors 2 Touch Sensors 1 Light Sensor Hitachi H8/3297 µcontrolador: 8 registradores de 16-bits ou 16 registradores de 8-bits; High-speed operation: 8- or 16-bit register-register add/subtract: 125 ns (16 MHz; 8 x 8-bit multiply: 875 ns (16 MHz); 16 8-bit divide: 875 ns (16 MHz); 1 contador/timmer de 16-bits; 1 A/D de 10-bits; I/O ports: 43 input/output lines (16 of which can drive LEDs) 8 input-only lines. Interrupts: Four external interrupt lines: 10,, IRQ0 to IRQ2 19 on-chip interrupt sources Bibliografia recomendada: Laboratórios de Pesquisa: Biorobotics Lab (da Carnegie Mellon University): Mecanismos: Robôs indestrutíveis; Robôs biomédicos; Manipuladores distribuídos; Robôs cobra. Aplicações: Câmera aérea (Aercam); Busca e Salvamento; Limpar minas terrestres; Pintura. Robôs Educacionais Métodos Topológicos Convergência; slam ; Retração Controle Híbrido 55

56 Bibliografia recomendada: Informações sobre sensores: Animações mostrando funcionamento de diferentes sensores: [Welcome to Particle Filters in Action at the UW RSE-lab (Laboratório de estimação de estados e robótica da Universidade de Washington, Dept. de Engenharia e Ciência da Computação)] Bibliografia recomendada: Outros robôs: Stiquito.com Home of the world's smallest, inexpensive, hexapod robot!: ( ) DOFs No. of Links Size (L x W x H) Weight Actuators x 70 x 25 mm 10 grams Nitinol 56

57 Bibliografia recomendada: Outros robôs: StampBug: Basic Stamp Exemplo: : Symbol dir_olho=pin5 Symbol dir_antena=pin6 Symbol esq_antena=pin7 'Inicio dirs=% pins=0 high esq_olho low dir_olho principal: toggle esq_olho toggle dir_olho meio_pos=max_grau esq_pos=max_grau dir_pos=max_grau gosub anda toggle esq_olho toggle dir_olho meio_pos=min_grau esq_pos=min_grau dir_pos=min_grau gosub anda goto principal : Bibliografia recomendada: Tendências Futuras (na área de robótica): Robôs modulares: Modular Serpentine Robot: Cobras reais se locomovem de diferentes maneiras no mundo animal. Para fazer estas cobras robôs se locomoverem, o modo como deslizam foi inspirado da natureza e adaptado para cada um dos blocos que compõem os elos da cobra robô completo, incluído a rotina de controle para cada módulo (comunicações e sensoriamento entre módulos). Seguem alguns vídeos demonstrando as habilidades desenvolvidas com estas cobras-robôs. Vídeos: Movimento sinusoidal da cobrarobô. Cobra-robô entrando num tubo. Cobra-robô atravessando obstáculo. Cobra-robô subindo paredes. 57

58 Bibliografia recomendada: Tendências Futuras (na área de robótica): Robôs modulares: Centro de Pesquisas da Xerox em Palo Alto (PARC) [desde 1997]: PolyBot: Generation I: PIC (16F877) 8-bit microcontroller is used on every module. The modules are connected together through either an RS232 or an RS485 serial bus. The modules may run either fully autonomously or under supervisory control from a PC sending commands through a wired or wireless radio link. Generation II: cube and this module is roughly 11 x 7 x 6 cm, The MicroMo gear motor (DC motors serving both for commutation as well as joint position with a resolution of 0.45 degrees.), although heavy is quite powerful delivering up to 5.6Nm of torque at 60 RPM and the stainless steel sheet structure has a range of motion of +90 to -90 degrees. Each module contains a Motorola PowerPC 555 embedded processor with 1 megabyte of external RAM. This is a relatively powerful processor to have on every module and its full processing power has not yet been utilized. The final goal of full autonomy may require the use of these processors and memory, Each module communicates over a semi-global bus using the (controller area network) CANbus standard. Generation III: 58