Colégio Dante Alighieri

Transcrição

1 Colégio Dante Alighieri Alameda Jaú, CEP SP - Telefone: (11) Fax: (11) dante@colegiodante.com.br EXPLORAÇÃO DE AMBIENTES DESCONHECIDOS POR ROBÔ MÓVEL AUTÔNOMO BASEADO EM PLATAFORMA ARDUINO COM LINGUAGEM C Vitor Martes Sternlicht Orientador: Rodrigo da Silva Viana Co-orientadora: Valdenice Minatel Melo de Cerqueira Período de desenvolvimento do projeto: 01/11/10 a 15/09/11 São Paulo Setembro/2011

2 DEDICO ESTE TRABALHO AOS MEUS PAIS, QUE SEMPRE ME APOIARAM, À MINHA IRMÃ E À TODA A MINHA FAMÍLIA

3 AGRADEÇO AOS PROFESSORES RODRIGO VIANA E TANIA CRISTINA PEREIRA LUCIANO, QUE ME AJUDARAM NESTE PROJETO DESDE O INÍCIO, À COORDENADORA DE TECNOLOGIA EDUCACIONAL, VALDENICE MINATEL MELO DE CERQUEIRA, POR ACEDITAR E ME APOIAR EM TODAS AS MINHAS IDEIAS E AO DAVID HENRIQUE DA CUNHA PEREIRA, QUE ME ENSINOU LINGUAGEM C DESDE O PRINCÍPIO, SEM O QUAL EU NUNCA TERIA CRIADO ESTA COMPLEXA PROGRAMAÇÃO.

4 Resumo Tendo em vista a amplitude de áreas nas quais a exploração robótica pode ser utilizada, como, por exemplo, atuação nas áreas industriais e residenciais, operações de resgate e exploração, desenvolvi um robô na plataforma Arduino, programado em linguagem C, que é capaz de explorar completamente ambientes desconhecidos com custos baixos (aproximadamente R$ 500,00). Utilizei basicamente dois motores (de corrente contínua com caixa de redução), sensores fotodiodo (para detecção de faixa) e de infravermelho (para detecção de obstáculo) para a construção em um chassi mecânico. Também utilizei uma garra mecânica com servomotor para agarrar objetos. Já na programação, trabalhei com pilhas e arrays, criando um banco de dados do ambiente baseado em blocos (do tamanho do robô) livres ou ocupados. Essa tarefa foi concluída com êxito, como planejei desde o início, mas ainda pretendo melhorar esse projeto no futuro, acrescentando a capacidade de mapeamento e análise de mapas, permitindo, por exemplo, que o protótipo explore um ambiente desconhecido, crie um mapa e calcule a rota mais curta até determinado ponto, desviando de obstáculos. 4

5 1. Introdução Conforme SOUSA [2006], atualmente a área de pesquisa de robótica móvel está crescendo cada vez mais, implementando nos agentes robóticos algum sistema de deslocamento e possibilitando-os, portanto, se movimentar no ambiente no qual são inseridos. São então adicionados sensores, permitindo-lhes desempenhar complexas tarefas reagindo a partir da interpretação dos diversos fatores ambientais, tais como temperatura, luminosidade e distância, por exemplo. Surgem então inúmeras aplicações da robótica móvel, que vão muito além da clássica atuação nas indústrias, casas e lojas. Os robôs se demonstram capazes de realizar resgates, executar tarefas agrícolas e explorar o mar, ambientes hostis ou em situações de catástrofe, e até outros planetas. Porém, os pesquisadores ainda enfrentam grandes desafios no desenvolvimento da robótica e da inteligência artificial. Entre outras habilidades, os robôs autônomos devem se adaptar aos diferentes ambientes de operação, aprender conforme adquirem mais experiência e realizar escolhas frente às mudanças apresentadas por estes ambientes, conforme expõe COSTA [2003]. Neste trabalho, que tem tal direção, o protótipo construído com uma placa Arduino, programada em linguagem C com conceitos de pilha e armazenamento de dados em arrays, explora completamente o ambiente e cria uma estrutura que pode ser facilmente usada para a criação de mapas. 5

6 2. Objetivos e relevância do trabalho Desde seus primórdios, com sua incomutável curiosidade, o ser humano explora minuciosamente os ecossistemas ao seu redor, para dele extrair os mais diversos recursos. Com o crescente desenvolvimento tecnológico da sociedade, até os mais complexos e perigosos ambientes, submetidos a condições totalmente precárias, vão sendo mapeados. Mas ao alcançar um estágio no qual a hostilidade do desconhecido pode ser fatal ao seu explorador, o que faremos? Minha ideia, com este projeto, é a de possibilitar a exploração de qualquer ambiente inacessível a um indivíduo de nossa espécie por um simples protótipo robótico, que pode ser adaptado para resistir a condições extremas como o frio de grandes geadas, o calor de monumentais incêndios, ausência de gás oxigênio, e muitas outras. Além do mais, se concluído com sucesso, esse robô poderá também ser útil para, em uma das guerras infelizmente previstas para o futuro (como, por exemplo, por água), explorar territórios inimigos discretamente enviando dados ao vivo para um sistema de computadores, provenientes até de outros sensores que podem ser facilmente inseridos (temperatura, luz, umidade, etc.). Além disso, o protótipo terá um custo consideravelmente baixo (aproximadamente R$500,00), sobretudo se levarmos em conta a amplitude de áreas nas quais a exploração e o mapeamento robótico podem ser utilizados, como atuações nas áreas industriais e residenciais, operações de resgate em situações de catástrofe, exploração marítima e planetária, execução de tarefas agrícolas, e muitas outras. 6

7 3. Desenvolvimento do projeto 3.1. Mecânica e construção do protótipo Foi utilizada uma versão modificada do Arduino comum, desenvolvida pela empresa GlobalCode, e denominada Program-me. Segue abaixo uma descrição técnica da placa, extraída do site da ELÉTRONLIVRE [2011]: Program-ME é uma placa controladora compatível com Arduino e programável através de uma simplificação da linguagem C. A transferência do programa é feita por USB com uma interface amigável que funciona em diferentes sistemas operacionais. 7

8 Figura 1 Detalhes dos componentes do Program-me Arduino com mais de 12 funções: Sensor de luz Sensor de temperatura 4 Transistores Ponte H L293D 2 entradas para servo-motor Speaker; Botão / chave tátil; 2 entradas analógias 2 entradas para interrupções 1 entrada I2C 1 entrada para bluetooth 5 leds Características técnicas: Baseado no microcontrolador (MCU) ATMega da empresa AVR; ATMega 328 (32K); Clock de 16 mhz; 512 bytes de EEPROM; 1 serial UART; 1 interface I2C; 20 milhões de instruções por segundo (MIPS). A placa foi inserida em um chassi mecânico com caixas de redução, transistores para controle dos motores e uma garra mecânica com servo-motor. Seguem abaixo os principais componentes listados: 8

9 1 placa eletrônica Arduino (Figura 2); 1 sensor infravermelho (detecção de obstáculos); 5 sensores tipo fotodiodo (detecção de faixa); 2 motores de corrente contínua para locomoção, ligados em ponte H; 1 servo-motor de rotação para a garra. Figura 2 Vista superior da placa Arduino inserida no chassi Figura 3 Foto do robô com o chassi e a garra 9

10 Figura 4 Detalhe dos sensores de fotodiodo 3.2. Estratégia e programação O código foi escrito em linguagem C, compilado com o próprio software do Arduino (IDE), com conceitos do livro Beginning Arduino[4], visando seguir a seguinte estratégia: O robô percorre parte do espaço no sentido vertical, indo primeiro ao norte e depois ao sul, e então desloca-se para leste, repetindo esse processo até que tais movimentos sejam impedidos por uma barreira física. Nesse momento o robô refaz o caminho, o que é possível pois cada deslocamento é armazenado em uma pilha (conceito em linguagem C), procurando áreas adjacentes não exploradas, e as explora. Ao retornar ao ponto de partida, o processo se repete, porém, desta vez, após explorar verticalmente o espaço, o protótipo se desloca a oeste. 10

11 Na figura 5, é exposto um exemplo de ambiente no qual o robô pode ser inserido para realizar a exploração. Figura 5 Possível aplicação do algoritmo de exploração 11

12 4. Conclusão A exploração de ambientes desconhecidos com o Arduino, programado em linguagem C, é totalmente possível utilizando-se apenas um sensor de ultrassom (Ping da Parallax) e outros 5 sensores de luz (tipo fotodiodo). Também é totalmente possível gerar mapas e, utilizando-se a tecnologia Bluetooth ou Wireless para transmitir os dados coletados diretamente para um computador, os mapas podem tornar-se muito mais complexos, sem o limite de memória imposto pelo Arduino e outros microprocessadores. Por fim, ressalto que pretendo melhorar esse projeto no futuro, permitindo que o robô mapeie ambientes e, com base nos dados do mapa, calcule a rota mais curta até determinado ponto, desviando de obstáculos e criando estatísticas sobre os trajetos. 12

13 5. Referências bibliográficas [1] ARDUINO - Site Oficial. Acesso em setembro de [2] SOUSA, Miguel Ângelo de Abreu de. Mapeamento de Ambientes Desconhecidos por Robôs Móveis Utilizando Autômatos Adaptativos, dissertação de Mestrado, POLI-USP, São Paulo, [3] ELÉTRONLIVRE - Site Oficial. Acesso em setembro de [4] MCROBERTS, Michael. Beginning Arduino, Editora Technology In Action,