Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais Projeto de Pesquisa: RoboCup: Simulação Virtual de Futebol de Robôs João Luiz de Aquino e Freitas Lopes Juiz de Fora 2012 João Luiz de Aquino e Freitas Lopes
Projeto de Pesquisa: RoboCup: Simulação Virtual de Futebol de Robôs Projeto de Pesquisa a ser apresentado ao Projeto de Educação Tutorial Mecatrônica/BSI do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sudeste de Minas Gerais. Orientador: Professor Marcelo C. P. Santos Juiz de Fora, 2 de Fevereiro de 2012
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO...4 2. MOTIVAÇÕES...6 3. OBJETIVOS...7 4. METODOLOGIA...7 5. CRONOGRAMA...8 6. CONCLUSÃO...8
1. INTRODUÇÃO A RoboCup é uma iniciativa científica internacional com o objetivo de aprimorar e desenvolver a robótica [GAB11]. Quando criada, em 1997, a missão original do projeto era criar uma equipe de robôs completamente autônomos, capaz de vencer a equipe ganhadora da Copa do Mundo da FIFA de 2050. Tal meta oferece um problema e um ambiente de trabalho comum à comunidade cientifica de modo a pesquisadores de todo o mundo poderem comparar abordagens e soluções consistentemente. Além do futebol, com o passar dos anos, a RoboCup incorporou novas modalidades com objetivos semelhantes: RoboCupRescue: Objetiva ajudar a sociedade humana em catástrofes e desastres, desenvolvendo sistemas robóticos capazes de trabalhar em equipe, localizar sobreviventes e resgatá-los, tomar decisões próprias para cada situação, dentre outras funções. RoboCup@Home: Consiste no desenvolvimento de sistemas robóticos capazes de ajudar nas atividades domésticas, visando melhorar as relações de cooperação e interação entre seres humanos e robôs, visão e reconhecimento de objetos sob condições naturais de iluminação, manipulação de objetos, dentre outras funções. RoboCupJunior: É uma iniciativa educacional que promove eventos locais, regionais e internacionais para jovens estudantes, motivando-os a desenvolver as habilidades necessárias para a ciência, tecnologia, engenharia e matemática, além de oferecer oportunidades para pessoas com interesses e habilidades diferentes de trabalharem em equipe para alcançar um objetivo em comum. A versão brasileira da RoboCup é denominada Competição Brasileira de Robótica (CBR), um evento anual que conta com várias modalidades de competição. O último evento foi realizado em São João Del Rei (MG), em 2011 (www.cbr2011.org). Dentre as modalidades presentes no evento, estão as da RoboCup e mais três do IEEE, Instituto dos Engenheiros Elétricos e Eletrônicos. A RoboCup possui diversas ligas e subligas, onde competem robôs com diferentes tamanhos e características. Visamos participar da subliga Simulação 3D. A Simulação 3D é uma competição entre robôs virtuais, que só existem na memória de um ambiente computacional denominado simulador. Cada jogador é controlado por um programa denominado agente. O agente conecta-se via rede (internet) ao simulador e envia ordens de movimentação para as
articulações dos membros do robô. O simulador processa essas ordens e gera uma nova situação do universo simulado. Essa nova situação é enviada aos agentes como se percebidas pelos sensores do robô real (câmera, giroscópio, acelerômetro, etc). O robô simulado existe. Chama-se NAO. É produzido e comercializado pela Aldebaran Robotics (http://www.aldebaran-robotics.com/) pelo preço aproximado de US$16.000,00. Para praticamente todos os efeitos, o agente que controla o robô virtual pode ser utilizado para controlar o robô real com poucas alterações. O ambiente de competição oficial do Soccer Simulation 3D da RoboCup é o rcsserver3d. Com esse software livre, de código aberto, é possível simular partidas de futebol com até vinte e dois robôs humanoides. A maioria das regras do futebol tradicional é aplicada à simulação automaticamente pelo servidor, no entanto, existem situações nas quais são necessários juízes humanos. Por exemplo, só é permitida a comunicação entre os agentes por meio do ambiente de simulação (um robô fala e os outros que estejam perto ouvem ), os agentes são proibidos de abrir canais de comunicação diretos via rede (sockets). Várias regras são aplicadas automaticamente pelo servidor. A divisão automática dos tempos de jogo, 5 minutos cada, a detecção de qual foi o último jogador a tocar na bola antes dela sair do campo ou entrar no gol, sendo, portanto, os gols, laterais, escanteios e tiros de meta marcados automaticamente. O simulador evolui constantemente. Em sua última versão várias outras regras foram implementadas. O sistema agora tenta evitar colisões em massa de robôs em volta da bola, remove robôs mortos que atrapalhem o fluxo do jogo e impede que mais de certo número de robôs bloqueie seu próprio gol. Humanos podem acompanhar o desenrolar da partida virtual pela imagem gerada por outro programa que acompanha o pacote, denominado monitor. O monitor consulta a situação do universo virtual gerado pelo simulador e constrói uma imagem como a de uma câmera em um estádio de futebol. Múltiplos monitores podem acompanhar simultaneamente uma mesma partida. Os monitores podem estar geograficamente dispersos, ou seja, um monitor pode mostrar a imagem de uma partida que esteja ocorrendo em um simulador de outra cidade, recebendo as informações pela internet. O juiz humano julga o embate assistindo-o pelo monitor. É ele quem dá o apito inicial de cada tempo da simulação, resolve situações em que os robôs ficam travados no campo e comportamentos indevidos, como o uso das mãos na simulação. Utilizando o monitor, o juiz humano é capaz de transportar a bola para outra localização no campo para destravar o jogo e comandar batidas de falta ou pênalti.
As dimensões do campo de futebol usado para as simulações são de 21 x 14 metros, ou seja, por volta de 20% de um campo original. O campo possui uma borda de 10 metros em todas as direções, as quais são inalcançáveis pelos robôs humanoides. A bola possui diâmetro de 0,04 metros e massa de 26 gramas. Os robôs se localizam no campo utilizando informações recebidas por uma câmera que funciona como os olhos do humanoide. Os olhos dos robôs virtuais não geram uma imagem, e sim a localização em coordenadas polares dos objetos como as bandeirinhas do corner, as traves, as linhas do campo. 2. MOTIVAÇÕES O projeto apresenta uma maneira divertida e agradável de estudar e desenvolver temas relacionados à robótica e inteligência artificial. A situação do jogo de futebol tem se mostrado um ambiente favorável para pesquisa nas instituições em que é praticado. Novas técnicas para o caminhar bípede de autômatos são desenvolvidas [PIC08, MER11]. Técnicas de inteligência artificial são aplicadas com o objetivo de conseguir o melhor posicionamento dos jogadores cooperativamente, atuando como um time, sem o que se torna difícil o sucesso no jogo [RAN11]. Algoritmos de ponta para que o robô consiga se localizar em campo com base nas limitadas informações dos sensores disponíveis são aplicados [SEE11, ÖZK11]. Trabalhar com esses problemas enseja ideias inovadoras que posteriormente podem ser aplicadas em situações mais nobres do que o esporte bretão. Outro motivo importante é a projeção do Instituto Federal na mídia. O IF, como instituição recentemente inaugurada, ainda carece de ser conhecido pelo grande público. Tradicionalmente olimpíadas de robôs são atividades de grande interesse popular, facilitando ao pesquisador compartilhar seu entusiasmo com o publico leigo, motivando e atraindo alunos para as formações ligadas a tecnologia. O fato do ambiente de simulação poder ser utilizado pela internet praticamente sem perda de informação adequa-se bem à estrutura multicampi do IF. Pode ser utilizado como um fator de integração dos alunos e professores dos campi situados em diferentes municípios. 3. OBJETIVOS I - Promover o ensino de programação, técnicas de Inteligência Artificial e Robótica.
II - Criar uma equipe competitiva na liga Soccer Simulation 3D. Participando de competições nacionais e internacionais na modalidade. III - Criar testar e divulgar uma metodologia para implantação da atividade em instituições de ensino superior e tecnológico. IV - Identificar problemas que sirvam como objeto de pesquisa e desenvolvimento tecnológico. 4. METODOLOGIA Pretendemos desenvolver e distribuir no âmbito do IF, um protótipo de agente que sirva como ponto de partida para que grupos de alunos e professores possam trabalhar no desenvolvimento de seus próprios agentes, visando a participação em pequenas competições internas, mais simples do que o futebol 3D como, por exemplo, uma corrida entre robôs, uma competição de chute, onde o vencedor será o que chutar a bola mais longe, etc. Durante essa fase, o projeto dará suporte aos interessados, para instalação e manutenção do ambiente do simulador, assim como assessorando na resolução de problemas de desenvolvimento. Tais competições servirão como prospecção de talentos para compor pelo menos uma equipe do IF, ao final do ano de 2012. Esperamos produzir uma descrição dessa metodologia em um artigo a ser apresentado em congresso sobre educação em informática, subsidiando outras instituições na implantação de projetos semelhantes. 5. CRONOGRAMA Atividade FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Divulgação X X Estudar JAVA X X X X 1ª Competição X Trabalhar no Agente X X X X X X X 2ª Competição X Elaboração do Artigo X Seleção da Equipe de 2013 X X
6. CONCLUSÃO Com o projeto, visamos o desenvolvimento de uma metodologia para a implantação de uma atividade profícua em instituições de ensino tecnológico principalmente nas áreas de Sistemas de Informação e Mecatrônica, particularmente útil em instituições multicampi como a grande maioria dos Institutos Federais de Educação Ciência e Tecnologia implantados recentemente no país e algumas Universidades Federais. Esperamos que esse trabalho sirva como suporte para o ensino de programação e desenvolvimento de sistemas nessas instituições e gere conhecimento e publicações introduzindo graduandos ao ambiente acadêmico dos congressos e simpósios da área. Referências: [PIC08] Picado, Hugo Rafael de Brito; Desenvolvimento de Comportamentos para um Robô Humanóide Simulado, Tese de Mestrado, Universidade de Aveiro, Portugal, 2008. [GAB11] Gabel, Thomas; Martin Riedmeller; On Progress in RoboCup: The Simulation League Showcase; Lecture Notes in Artificial Inteligence; Volume 6556, 2011, DOI: 10.1007/978-3-642-20217-9 [MER11] Meriçli, Çetin; Manuela Veloso; Improving Biped Walk Stability Using Real-Time Corrective Human Feedback; Lecture Notes in Artificial Inteligence; Volume 6556, 2011, DOI: 10.1007/978-3-642-20217-9 [SEE11] Seekircher, Andreas; Tim Laue; Thomas Röfer; Entropy-Based Active Vision for a Humanoid Soccer Robot; Lecture Notes in Artificial Inteligence; Volume 6556, 2011, DOI: 10.1007/978-3-642-20217-9 [ÖZK11] Özkucur, N. Ergin; H. Levent A kın; UniversityLocalization with Non-unique Landmark Observations; Lecture Notes in Artificial Inteligence; Volume 6556, 2011, DOI: 10.1007/978-3- 642-20217-9
[RAN11] Randelli, Gabriele; Luca Marchetti; Francesco Antonio Marino; Luca Iocchi; Multi-Agent Behavior Composition through Adaptable Software Architectures and Tangible Interfaces; Lecture Notes in Artificial Inteligence; Volume 6556, 2011, DOI: 10.1007/978-3-642-20217-9