SISTEMA DE NAVEGAÇÃO PARA UM ROBÔ BASEADO EM SENSOR MAGNÉTICO

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1 SISTEMA DE NAVEGAÇÃO PARA UM ROBÔ BASEADO EM SENSOR MAGNÉTICO Alessandra Mayara Buso de Souza (PIBIC/CNPq-UTFPR), Marcos Vallim (Orientador), Universidade Tecnológica Federal do Paraná/Centro de Experimentação Ninho de Pardais/Cornélio Procópio, PR / Palavras-chave: robótica educacional, robótica móvel, competição de robótica, navegação robótica, PID. RESUMO: Esse artigo tem como objetivo apresentar a participação de equipe Jedi Padawans na Latin America Robotics Competition LARC 2012 na categoria RoboCup Junior Dance e o desenvolvimento de um algoritmo pra o controle da navegação de um robô autônomo baseado em um sensor magnético. Introdução O projeto Ninho de Pardais é um centro de experimentação de tecnologias educacionais voltado a despertar o interesse pela Ciência e Tecnologia, e desenvolver a atitude inovadora dos estudantes do ensino médio. O centro de experimentação permite aos alunos desenvolver programas extraclasse. Estes enfrentam situações desafiadoras em ambiente lúdico, estimulando assim o uso de conhecimento científico como ferramenta para construir soluções criativas [1]. Um dos métodos para o desenvolvimento desse trabalho é a participação em competições voltadas para a robótica educacional. A Latin American Robotics Competition 2012, que ocorreu nos dias 17 a 21 de outubro de 2012, em Fortaleza CE, compreende a Competição Brasileira de Robótica (CBR), a RoboCup Open - América Latina, Olimpíada Brasileira de Robótica (OBR) e Feira Nacional de Robótica (MNR) [2], das quais a equipe Jedi Padawans teve participação na RoboCup Open América Latina, categoria RoboCup Junior Dance. Nessa categoria o desafio é construir um ou mais robôs autônomos para uma apresentação de dança ou teatro 1

2 que pode contar com a participação dos alunos. A apresentação deve ter de um a dois minutos, sendo cinco minutos no total para a preparação do cenário [3]. Nesse contexto, a proposta temática escolhida pela equipe foi a mudança ocorrida desde os anos 60, tanto na área tecnológica quanto na relação interpessoal humana voltada aos relacionamentos afetivos, ou seja, a maneira que o ser humano encara o amor. Para alcançar tal resultado foram utilizados quatro robôs autônomos, dentre eles o Robô Dançarino (figura 1). Os materiais utilizados para o desenvolvimento deste trabalho estão relacionados ao controlador Lego Mindstorms NXT, concentrando-se sobre as áreas de software e hardware. O kit Lego Mindstorms NXT é constituído de três conjuntos de materiais (mecânicos, de hardware e de software). Aspectos Mecânicos O conjunto mecânico é composto por peças estruturais e motoras, todas bem definidas em uma geometria padronizada por uma unidade de medida fundamental, permitindo uma ampla gama de montagens. Aspectos de Hardware Figura 1 Robô Dançarino. O objetivo deste artigo é descrever o sistema de navegação do Robô Dançarino, que é baseado em um sensor magnético e utiliza controle PID. Materiais e métodos O sistema de hardware está centralizado no Brick, que possui quatro canais para entrada de dados e três canais para a saída. O Brick é uma unidade programável, responsável pela captação e tratamento de dados no robô, sendo assim responsável pela autonomia do mesmo. Aspectos de Software As ferramentas de software são utilizadas para a programação lógica do Brick, conseqüentemente do robô. Os ambientes de programação possíveis são 2

3 muitos, cabendo ao usuário escolher o que melhor atender às suas necessidades. No caso descrito neste artigo o ambiente escolhido foi o Java Eclipse, através do firmware intitulado Lego Java Operating System (lejos). Lego Java Operating System (lejos) O lejos é um plugin open source do Eclipse para o uso de funções específicas para o Lego Mindstorms NXT. Suas principais vantagens são a portabilidade e a orientação a objeto. A metodologia utilizada se baseou no controle PID em um robô autônomo guiado por meio de um sensor magnético (figura 2). Os percursos foram previamente definidos e as leituras do sensor magnético eram feitos antes de cada inicialização para se definir um setpoint. Figura 2 Sensor magnético. No PID o controle do processo se dá devido à soma de três termos isolados. O termo proporcional (Kp) depende do erro atual, o termo integrativo (Ki) está ligado à integral do erro, o que na programação pode ser entendido como o acumulo dos erros anteriores ao atual e o termo derivativo (Kd) envolve e derivação do erro, ou seja, prevê futuros erros com base na tendência do erro. Cada termo interfere na saída dos motores de uma forma diferente. Elevando-se o Kp este aumenta a velocidade de resposta ao erro, também pode causar instabilidade e oscilação. Elevando-se o Ki este elimina erros estáticos mais rapidamente, porém existem maiores chances de ocorrer o overshoot: quando o ganho integrativo se torna negativo este deve atingir um valor positivo para que o sistema se equilibre novamente. Elevando-se o Kd este diminui o overshoot, mas aumenta os ruídos no processo, aumentando assim a instabilidade do controle. Para implementar o PID, além das constantes Kp, Ki e Kd, é necessário ter acesso a alguns dados. São eles: O tempo entre as utilizações da classe de correção (dt); O valor de referência do controlador (setpoint ou SP); 3

4 O valor atual identificado pelo sensor (variável do processo ou PV); O tipo de valor que o PID deve retornar, no caso a velocidade do motor (valor manipulado ou MV); A diferença entre o valor de referência e o valor identificado no sensor (erro de processo). Conforme citado anteriormente o sensor utilizado para na navegação do robô é o sensor magnético, e dele são provenientes o setpoint e a variável de processo. Seu funcionamento resume-se ao retorno de um valor entre 0 a 359, correspondente à diferença angular entre a posição do sensor e ó norte geográfico. A precisão do dispositivo é de ± 1º. Os resultados obtidos são apresentados de duas formas, sob uma visão geral da competição e sob o comportamento apresentado pelo robô mediante a utilização do controle PID, conforme o descrito na seção anterior. O desempenho da equipe na competição foi bem sucedido, alcançando o primeiro lugar e se destacando entre as demais equipes principalmente pelo potencial técnico. O robô abordado neste artigo, para esta competição, também observou sucesso em seu funcionamento. Seu controle atendeu a estratégia de locomoção dentro do palco segundo o que registram os dados coletados da malha de controle (figuras 1, 2 e 3). Resultados e Discussão Figura 3 Leitura do sensor magnético. 4

5 Figura 4 Erro obtido no processo. Figura 5 Valor de correção. As figuras 3, 4 e 5 apresentam as repostas da malha de controle. Observa-se que no caso apresentado o setpoint era de 40º. Analisando-se os gráficos percebe-se que inicialmente o sistema está perturbado, ou seja, há a necessidade de correção. Percebe-se também uma diminuição no erro e na amplitude das oscilações, tendo-se assim um sistema de controle que obtêm êxito em sua função, atingindo o setpoint de forma suave e rápida para seu propósito de uso. Considerações Finais O algoritmo de controle apresentou sucesso em sua implementação, proporcionando uma navegação concisa do robô e um resultado visual excelente, atingindo assim a proposta da competição. Agradecimentos Este trabalho teve apoio do CNPq por meio da concessão da bolsa de iniciação científica júnior. Referências [1] UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ - UTFPR. 5

6 Projeto - Ninho de Pardais. Disponível em: < ioprocopio/pesquisa/projetosde-pesquisa/projeto-depesquisa-ninho-de-pardais>. Acesso em: 13 nov [2] Latin American Robotics Competition - LARC. X CBR EDIÇÃO COMEMORATIVA. Disponível em: < ex.htm>. Acesso em: 13 nov [3] Latin American Robotics Competition - LARC. Robocup Junior Dance Regras Disponível em: < J.htm>. Acesso em: 13 nov