Disciplina de. Robôs Móveis Autônomos SSC-0714

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1 USP - ICMC - SSC LRM (Lab. de Robótica Móvel) SSC 0714 (RMA) - 1o. Semestre 2015 Disciplina de SSC Abril 2015 Prof. Fernando Santos Osório fosorio [at] { icmc. usp. br, gmail. com } Estagiários PAE: Diogo Correa e Rafael Berri (Doutorandos LRM) Web: Wiki ICMC: ou Aula 06 Revisão

2 Aula 06 Sistemas Robóticos e Robôs Móveis Inteligentes Agenda: 2 Abril Tipos de Robôs - Tipos de Operação & Autonomia - Laço: Percepção/Decisão/Ação - Tipos de Sensores - Tipos de Atuadores - Simulação & Plataformas de Software para a Robótica - Arquiteturas de Controle - APLICAÇÕES - Tarefas Robóticas - Localização - Mapeamento - Planejamento - Navegação - Cooperação/Colaboração/Competição

3 Tipos de Robôs Tipos de Robôs Meio: Aéreos e Espacial Aquáticos (superfície, submarino) Terrestres: Indoor Outdoor (Externo Estruturado, Semi-Estruturado, Não Estruturado) Locomoção: Rodas, Esteiras, Patas, Propulsão, Hélice,... Atuação: Braços Manipuladores Base Móvel Mistos 3

4 Tipos de Operação & Autonomia Tipos de Operação / Autonomia Tele-Operados, Tele-Guiados, Tele-Presença Tele-Comandados # Sem autonomia AGVs (Automated Guided Vehicles) # Autônomo porém guiado Tele-Operados Semi-Autônomos # Supervisor local / Monitor Local Autônomos 4

5 Percepção Decisão - Ação Laço: Percepção Decisão - Ação Percepção: Humana / Robô Decisão: Humana / Robô Ação: Humana / Robô Percepção Decisão Ação Sensores Processamento Motores Autômato - - R Tele-Operado H H R Semi-Autônomo H/R H/R R Autônomo R R R H: Humano R: Robótico 5

6 Tipos de Sensores Tipos de Sensores Interno/Externo: Proprioceptivos Exteroceptivos Leitura de Dados: Sensores Ativos Passivos Valores dos Dados: Absolutos Relativos Posicionamento do Sensor: Embarcados Externos (+comunicação) => Rede de Sensores 6

7 Tipos de Atuadores Tipos de Atuadores Motores Convencionais: Corrente Contínua (DC) Servo Motores (Posicionamento Angular) Motor de Passo (Step-Motor) Exemplo: Hélices, Patas, Rodas, Esteiras Motores Lineares Exemplo: Pistão Controle de Motores: Malha Aberta Malha Fechada (com encoder) 7

8 Simulação Robótica Plataformas de Software para a Robótica Simulação Robótica Microsoft Robotics Studio Webots Player-Stage & Gazebo MORSE V-REP Plataformas de Software para a Robótica Player-Stage ROS Robotic Operating System Ferramentas de Apoio ao Desenvolvimento em Robótica OpenCV Open Computer Vision PCL Point Cloud Library MatLab 8

9 Arquiteturas de Controle Arquiteturas de Controle Arquitetura Reativa Arquitetura Deliberativa Arquitetura Hierárquica Hierárquica em Camadas Horizontais Hierárquica em Camadas Verticais Arquitetura Híbrida 9

10 Arquiteturas de Controle Arquiteturas de Controle Arquitetura Reativa Sensorial-Motor, Percepção Local Campos Potenciais (VFH) Comportamentos: Wander, Avoid Obstacles, Wall Following, Follow-me, etc Arquitetura Deliberativa Mapas, Localização (Localização Monte-Carlo/Partículas - MCL) Planejamento (Grafos: Grafo de Visibilidade, Dijkstra; Grade Ocupação: A*) Arquitetura Hierárquica Combinação de Comportamentos (Behaviors Based) Fusão de Comportamentos Seleção de Comportamentos Hierárquica em Camadas Horizontais SMPA = Sense Model Plan Act Hierárquica em Camadas Verticais Brooks-Subsumption 10 Arquitetura Híbrida: Auto-Localização, Planejamento, Navegação (Local+Global) Autômatos Finitos, SLAM (Localização & Mapeamento Simultâneos)

11 Aplicações da Robótica Aplicações da Robótica 11 Industrial Serviço/Doméstico Transporte Entretenimento Limpeza Manutenção Inspeção Segurança Combate a Incêndios Agricultura Militar Monitoramento Ambiental Search & Rescue Reabilitação Apoio a Idosos Médica

12 Tarefas Robóticas Tarefas Robóticas Mapeamento: Construção de MAPAS Localização: Uso de MAPAS Planejamento: Definição de ROTAS Navegação: Controle do Robô e Desvio de Obstáculos Cooperação - Colaboração - Competição Equipes, Grupos, Times e Enxames (swarm) de Robôs 12

13 LOCALIZAÇÃO Robótica Localização Robótica SENECA: If one does not know to which port one is sailing, no wind is favorable. > É necessário saber ONDE ESTOU e PARA ONDE VOU para que seja possível definir uma ROTA >> É necessário que exista um MAPA para que eu possa saber onde estou e para onde vou # "Sem" Localização Explícita. Reativo Puro. Marcas no ambiente - Stigmergia Comunicação pelo ambiente, p.ex. ferormônios). Pontos de Referência (LandMarks) 13

14 LOCALIZAÇÃO Robótica Localização Robótica SENECA: If one does not know to which port one is sailing, no wind is favorable. > É necessário saber ONDE ESTOU e PARA ONDE VOU para que seja possível definir uma ROTA >> É necessário que exista um MAPA para que eu possa saber onde estou e para onde vou # Com Localização. Externa: GPS, WiFi, Triangulação/Marcas. Determinação da Localização => Com Mapa! Com Sensores! Ambiente usualmente estático! * Localização Markov (Markov Localization) * Filtro de Kalman (Extended EKF, Unscented - UKF) * Filtro de Partículas (Monte Carlo Localization - MCL) 14

15 LOCALIZAÇÃO Robótica Localização Robótica SENECA: If one does not know to which port one is sailing, no wind is favorable. > É necessário saber ONDE ESTOU e PARA ONDE VOU para que seja possível definir uma ROTA >> É necessário que exista um MAPA para que eu possa saber onde estou e para onde vou # Com Localização - Localização e Mapeamento Simultâneo SLAM - Simultaneous Localization and Mapping (FastSLAM, Visual SLAM) - Localização Individual / Colaborativa 15

16 LOCALIZAÇÃO Robótica Localização Robótica SENECA: If one does not know to which port one is sailing, no wind is favorable. > É necessário saber ONDE ESTOU e PARA ONDE VOU para que seja possível definir uma ROTA >> É necessário que exista um MAPA para que eu possa saber onde estou e para onde vou # Com Localização >> Usando a Localização. Posição e Orientação => Pose. Pose: x,y + theta (2D) => x,y,z + theta_x, theta_y, theta_z (3D). Origem / Destino. Uso de Mapas 16

17 MAPAS em Robótica Mapas em Robótica Mapas Métricos. Mapa de Ocupação (Grid). Mapa de Ocupação Probabilístico (Probabilistic Grid). Mapa Geométrico (Primitivas geométricas) Mapas Não Métricos. Mapa Topológico (Não métrico / Grafo) - Interconectividade. Mapa Semântico (Não métrico / Semântica dos objetos e elementos do ambiente) Mapas Sensoriais. Nuvem de Pontos. Dados brutos sensoriais Mapas de Navegabilidade Mapas Locais Mapas Globais 17

18 MAPAS em Robótica Mapas em Robótica >> MAPEAMENTO Depende do tipo de mapa a ser construído Depende do tipo de sensor disponível Depende da representação adotada Depende da Estratégia (plano de exploração) Depende da aplicação Depende da quantidade de robôs disponíveis REQUER: Localização / Referências 18

19 PLANEJAMENTO em Robótica Planejamento em Robótica Requer: Posição Origem, Posição Destino e Mapa! Algoritmo de BUSCA de uma solução! - Algoritmos da Família do A* (Grid, Grafo): A*, DStar - Algoritmos de Exploração: RRT (Rapidly-exploring random tree) - Algoritmos de Grafo de Visibilidade: Espaço de Configuração + Grafo de Visibilidade + Djikstra (menor caminho) - Algoritmos de Planejamento Local - Algoritmos de Planejamento Global Trajetória Pronta 19 Waypoint: Sequência de Pontos que definem uma trajetória

20 NAVEGAÇÃO em Robótica Navegação em Robótica - Usando Mapas - Usando Planos (Planejamento) - Usando Localização - Usando comportamentos Reativos - Usando comportamentos Deliberativos - Usando comportamentos Híbridos - Planejamento e Navegação Local. - Planejamento e Navegação Global - Algoritmos (Reativos e Locais). Campos Potenciais. VFH: Vector Field Histogram. Seguimento de Trajetórias (way points) 20

21 USP ICMC - SSC Turma 2015/1 INFORMAÇÕES SOBRE A DISCIPLINA USP - Universidade de São Paulo - São Carlos, SP ICMC - Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação SSC - Departamento de Sistemas de Computação Prof. Fernando Santos OSÓRIO - Laboratório LRM PAE SSC 0712 e 0714: Diogo Correa e Rafael Berri (Doutorados LRM) Web institucional: Página pessoal: fosorio [at] { icmc.usp.br, gmail.com } 21 Abril 2015 Disciplina de Web Disciplinas: Wiki ICMC: > Programa, Material de Aulas, Critérios de Avaliação, > Material de Apoio, Trabalhos Práticos