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ITA – IEES Projeto e Construção de uma Plataforma Móvel para Navegação em Ambiente Estruturado Gabriela Werner Gabriel Orientador: Prof. Cairo L. Nascimento.

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1 ITA – IEES Projeto e Construção de uma Plataforma Móvel para Navegação em Ambiente Estruturado Gabriela Werner Gabriel Orientador: Prof. Cairo L. Nascimento Jr. Co-Orientador: Prof. Eduardo H. Yagyu

2 ITA – IEES2 ÍNDICE Introdução Histórico Objetivo Estrutura de Hardware da Plataforma Estrutura de Software da Plataforma Testes Realizados Conclusões Trabalhos Futuros

3 ITA – IEES3 INTRODUÇÃO Desde a metade do século XX o ser humano procura desenvolver uma máquina que se assemelhe a ele, que saiba tomar decisões simples e com isso possa realizar tarefas simples hoje delegadas ao ser humano. LOCALIZAÇÃO : onde estou? MAPEAMENTO : onde posso estar? PLANEJAMENTO : como vou? PROBLEMAS:

4 ITA – IEES4 Objetivo do projeto : Desenvolver plataformas móveis com o objetivo de estudar e propor soluções para os problemas relacionados à navegação de robôs móveis. HISTÓRICO

5 ITA – IEES5 HISTÓRICO ROMEO I - plataforma não autônoma; - programa ROMEO; - encoders não implementados; - mapa conhecido. ROMEO II - plataforma autônoma; - programa ROMEO; - sensores de colisão; -mapa conhecido. ROMEO III - plataforma autônoma; - programa ROMEO; - sistema sensorial mais complexo; - mapa conhecido.

6 ITA – IEES6 HISTÓRICO Ambiente conhecido Células conectadas entre si

7 ITA – IEES7 Dissertação : Projeto, construção e testes de um robô móvel (hardware e software) capaz de movimentar-se autonomamente em um ambiente estruturado e estático. OBJETIVO

8 ITA – IEES8 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Plataforma composta por 5 sistemas: –sistema de propulsão –sistema de computação embarcada –sistema de sensoriamento –sistema de comunicação externa –sistema de energia

9 ITA – IEES9 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA

10 ITA – IEES10 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sistema de propulsão –2 motores DC Canon CN dados de carcaça : 24 V e 0,14 A redução acoplada –2 rodas tracionadas –2 rodas livres –circuito de acionamento

11 ITA – IEES11 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sistema de computação embarcada: –3 placas de computação embarcada: placa Flashlite 386Ex placa C515 placa AT89C52 –características do sistema de computação embarcada: maior quantidade de pinos de I/O resposta mais rápida à eventos críticos facilidade de escrita e teste do programa

12 ITA – IEES12 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Hierarquia do sistema de computação embarcada: nível tático e nível operacional Placa 386Ex Placa C515Placa AT89C52 Nível Tático Nível Operacional Supervisão e Gerenciamento Acionar o buzzer; Monitorar a bateria; Monitorar os sensores de IR. Acionar os motores; Intermediar a comunicação entre o AT89C52 e o 386Ex. Monitorar os sensores de colisão. Monitorar os encoders; Gerar o sinal de PWM.

13 ITA – IEES13 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Comunicação entre as placas de computação embarcada: –comunicação serial padrão RS-232 –comunicação via barramento de dados Sentido Direto Sentido Reverso Placa Flashlite 386Ex Placa C515Placa AT89C52 Comunicação via cabo serial Comunicação via barramento de dados

14 ITA – IEES14 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Placa 386Ex: –placa Flashlite 386Ex (JKMicrosystems) –microprocessador Intel 386Ex –512 Kbytes de memória RAM –512 Kbytes de memória Flash –2 portas seriais padrão RS-232 –36 pinos de I/O –alimentação de 7-34 V DC não-regulada –sistema operacional embarcado

15 ITA – IEES15 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Placa C515: –microcontrolador C515 (Siemems) –32 Kbytes de memória RAM externa –32 Kbytes de memória EPROM externa –16 bits de I/O –1 porta serial padrão RS-232 –comunicação via barramento de dados –alimentação em 5V

16 ITA – IEES16 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Placa AT89C52: –microcontrolador AT89C52 (Atmel) –256 bytes de memória RAM interna –8 Kbytes de memória Flash interna –31 bits de I/O –comunicação via barramento de dados –2 saídas de PWM –alimentação em 5V

17 ITA – IEES17 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sistema de sensoriamento: –subsistema de detecção de obstáculo –subsistema de detecção de tensão da bateria –subsistema de detecção de posição e orientação da plataforma

18 ITA – IEES18 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Subsistema de detecção de obstáculos: –sensores de contato (snap-action microswitches with levers ) –cobertura da parte frontal da plataforma –rotina de interrupção (INT0) na placa C515

19 ITA – IEES19 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Subsistema de detecção de tensão da bateria: –tensão de limiar : 10,1 V –circuito comparador:

20 ITA – IEES20 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Subsistema de detecção da posição e orientação da plataforma: –sensores de infravermelho –encoders ópticos incrementais

21 ITA – IEES21 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sensores de infravermelho: –5 pares foto-diodo/foto-transistor –foto-diodo : TIL32 –foto-transistor : TIL78 L1 L2L3L4 L5 Eixo das Rodas Tracionadas 3 cm Centro da Plataforma Frente da Plataforma Trás da Plataforma 1,75 cm

22 ITA – IEES22 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Encoders ópticos incrementais: –construção em rodas auxiliares –medida da distância percorrida –contagem de pulsos (interrupção)

23 ITA – IEES23 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA –erros na leitura dos encoders: de discretização devido à inércia dos motores entre 2 movimentos consecutivos –fator de correção:

24 ITA – IEES24 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sistema de comunicação externa: –comunicação serial RS-232 wireless –buzina Sonalarme

25 ITA – IEES25 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Comunicação serial RS-232 wireless –módulo Serial-Bluetooth simplicidade de implantação custo elevado

26 ITA – IEES26 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Buzina Sonalarme: –código sonoro para identificação de erros Número de BeepsErro Ocorrido 1time out na comunicação embarcada 2tensão da bateria abaixo do nível mínimo permitido 3colisão detectada 4leitura errada nos sensores de infravermelho 5plataforma se dirigindo para fora do labirinto 6ponto final desejado não alcançado

27 ITA – IEES27 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sistema de energia: –Bateria modelo CP1232 vision 12 V e 3,2 Ah –regulador 7805 –corrente máxima consumida : 940 mA

28 ITA – IEES28 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Dados mecânicos da plataforma ROMEO III: –Dimensões: 35 cm de diâmetro x 20 cm de altura –Peso: 3,5 kg

29 ITA – IEES29 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA 2 programas no computador base 3 programas embarcados na plataforma

30 ITA – IEES30 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Arquivo LABIRINTO.txt

31 ITA – IEES31 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Programa ROMEO.c: –computador base –linguagem C –entrada: labirinto e dimensões físicas do labirinto, velocidade da plataforma –algoritmo de procura A* –saída: arquivo de movimento codificado em alto nível

32 ITA – IEES32 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Arquivo TABM_V3.txt (tabela de movimentos): ; 05 ; 01 ; 01 ; 01 ; ; ; ; ;

33 ITA – IEES33 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Codificação dos movimentos (modos): ModoMovimento tipos de movimentos 1translação para frente 2translação para trás 3rotação horária (duas rodas) 4rotação anti-horária (duas rodas) movimentos de correção 5rotação horária com a roda direita 6rotação anti-horária com a roda direita 7rotação horária com a roda esquerda 8rotação anti-horária com a roda esquerda

34 ITA – IEES34 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Programa PLT386C.c –placa Flashlite 386Ex –linguagem C –movimentos lidos sequencialmente do arquivo TABM_V3.txt –monitoração dos sensores de infravermelho –monitoração da bateria –discretização do movimento –algoritmo de controle da plataforma –algoritmo de estimação da trajetória

35 ITA – IEES35 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Algoritmo de controle –correção da trajetória baseada nas fases de movimento e na leitura dos sensores de infravermelho

36 ITA – IEES36 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Algoritmo de estimação da trajetória: –fusão sensorial dos encoders + sensores de infravermelho –uso das equações de odometria da plataforma –considerações: variação na orientação (translação) desprezada variação na posição (rotação) desprezada

37 ITA – IEES37 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Programa PT1558.a51: –placa C515 –linguagem Assembly –intermediar a comunicação entre as placas Flashlite 386Ex e AT89C52 –monitoração dos sensores de contato –acionamento dos motores DC

38 ITA – IEES38 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Programa PLT5228.a51: –placa AT89C52 –linguagem Assembly –monitoração dos encoders –geração do PWM

39 ITA – IEES39 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Programa INTERFACE.m –computador base –linguagem Matlab –implementa a comunicação entre o computador base e a plataforma – serial padrão RS-232 wireless –interface gráfica na comunicação homem-máquina –apresentação da: trajetória estimada pela plataforma (encoders) trajetória estimada pela plataforma (encoders + infravermelho) trajétória planejada

40 ITA – IEES40

41 ITA – IEES41 TESTES REALIZADOS Verificação da odometria da plataforma Verificação da ação do programa de controle sobre a odometria da plataforma Verificação do desempenho do algoritmo de estimação Verificação de uma execução completa de uma trajetória previamente programada

42 ITA – IEES42 TESTES REALIZADOS Verificação da odometria da plataforma: –teste UBMark (Borenstein e Feng, 1996) –sem algoritmo de controle –com intervalos de discretização

43 ITA – IEES43 TESTES REALIZADOS Verificação da odometria da plataforma:

44 ITA – IEES44 TESTES REALIZADOS Verificação da odometria da plataforma: GrandezaSentido HorárioSentido Anti-Horário centro de gravidade52,6 cm79,1 cm desvio padrão3,9 cm1,3 cm

45 ITA – IEES45 TESTES REALIZADOS Verificação do algoritmo de controle: –teste UBMark (Borenstein e Feng, 1996) –mesma plataforma e mesmo ambiente –com intervalos de discretização –com algoritmo de controle

46 ITA – IEES46 TESTES REALIZADOS Verificação do algoritmo de controle: GrandezaSentido HorárioSentido Anti-Horário centro de gravidade1,26 cm1,13 cm desvio padrão0,29 cm0,19 cm GrandezaSentido HorárioSentido Anti-Horário desvio angular médio 1,7 o -4,7 o desvio padrão0,7 o 1,1 o

47 ITA – IEES47 TESTES REALIZADOS Verificação do algoritmo de estimação da trajetória: –estimativa utilizando encoders –estimativa utilizando encoders + infravermelho –trajetória em 8 –trajetória em V

48 ITA – IEES48 TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders:

49 ITA – IEES49 TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders:

50 ITA – IEES50 TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders e infravermelho:

51 ITA – IEES51 TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders e infravermelho

52 ITA – IEES52 TESTES REALIZADOS Desenvolvimento de uma trajetória real:

53 ITA – IEES53

54 ITA – IEES54 TESTES REALIZADOS

55 ITA – IEES55 TESTES REALIZADOS Desenvolvimento de uma trajetória real:

56 ITA – IEES56 CONCLUSÕES Utilização de elementos reais na solução do problema proposto Realização de uma trajetória real muito próxima da trajetória desejada: –grade reticulada –sensores de infravermelho Método adotado realiza compensação dos erros sistemáticos e aleatórios Algoritmo de estimação utilizando fusão sensorial leva a resultados melhores que aqueles obtidos utilizando apenas o sistema de encoders na estimação

57 ITA – IEES57 CONCLUSÕES Uso de sensores de infravermelho –eficientes –fácil implementação –pouca robustez Uso de diferentes computadores embarcados: –maior quantidade de I/O –resposta rápida à eventos críticos Comunicação serial mais lenta que a comunicação via barramento de dados Ocorrência de time-out durante a execução da trajetória pela plataforma devido ao mau contato nas placas de computação embarcada

58 ITA – IEES58 TRABALHOS FUTUROS Testes para avaliar a robustez da plataforma quanto a luminosidades e refletividades do chão e da fita diferentes Método que permita o recálculo da trajetória em tempo real Mapeamento de obstáculos reais no labirinto Retirada da grade reticulada fazendo a plataforma localizar-se utilizando apenas os obstáculos reais Implementação de controle de velocidade Implementação de uma monitoração remota mais detalhada e em tempo real dos sistemas da plataforma

59 ITA – IEES59 TRABALHOS FUTUROS Implementação de comunicação utilizando barramento de dados Confecção de novas placas de computação embarcada com componentes soldados Implementação da comunicação externa utilizando um link de RF Implementação de uma estação de carga da bateria

60 ITA – IEES60 AGRADECIMENTOS ITA CNPq FAPESP


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