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ITA – IEE-S 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 – IEE-S 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 – IEE-S2 ÍNDICE Introdução Objetivo Histórico Estrutura de Hardware da Plataforma Estrutura de Software da Plataforma Testes Realizados Conclusões Trabalhos Futuros

3 ITA – IEE-S3 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 – IEE-S4 Projeto : Desenvolver uma plataforma móvel capaz de estudar e propor soluções para os problemas relacionados à navegação de robôs móveis. Dissertação : Projeto, construção e testes de um robô móvel (hardware e software) capaz de movimentar-se autonomamente em um ambiente estruturado e estático. OBJETIVO

5 ITA – IEE-S5 HISTÓRICO ROMEO I - plataforma não autônoma; -programa ROMEO; -não possuía sensores; -mapa conhecido. ROMEO II -plataforma autônoma; -programa ROMEO; -não possuía sensores; - mapa conhecido. ROMEO III -plataforma autônoma; -programa ROMEO; -possui sensores; -mapa conhecido.

6 ITA – IEE-S6 HISTÓRICO Ambiente conhecido Células conectadas entre si

7 ITA – IEE-S7 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

8 ITA – IEE-S8 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA

9 ITA – IEE-S9 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

10 ITA – IEE-S10 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Diagrama de sinais (circuito de acionamento):

11 ITA – IEE-S11 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 – IEE-S12 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 sianl de PWM.

13 ITA – IEE-S13 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 – IEE-S14 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sentido DiretoSentido Reverso CódigoInformaçãoCódigoInformação AAvalor da velocidade-- BBvalor do tipo do movimento-- CC valor do tempo para executar o movimento CC número de pulsos e sentido de rotação dos encoders DDretornar valores dos encoders41fim do movimento EE zerar contador de pulsos dos encoders 42colisão detectada Protocolo de comunicação – serial padrão RS-232

15 ITA – IEE-S15 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Protocolo de Comunicação – Barramento de Dados Sentido DiretoSentido Reverso CódigoInformaçãoCódigoInformação AAvalor da velocidade-- BBinício do movimento-- CCfim do movimentoCC número de pulsos e sentido de rotação dos encoders DDretornar valores dos encoders41- EE zerar contador de pulsos dos encoders 42-

16 ITA – IEE-S16 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

17 ITA – IEE-S17 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

18 ITA – IEE-S18 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

19 ITA – IEE-S19 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Circuito de PWM realizado via software B0~B3 A0~A3 Clk Q0 Q1 Q2 Q3 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 A0 A1 A2 A3 B0 B1 B2 B3 Contador 4 Bits P1.0 Comparador 4 Bits A

20 ITA – IEE-S20 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

21 ITA – IEE-S21 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

22 ITA – IEE-S22 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Subsistema de detecção de tensão da bateria: –tensão de limiar : 10,1 V –circuito comparador:

23 ITA – IEE-S23 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Subsistema de detecção da posição e orientação da plataforma: –sensores de infravermelho –encoders ópticos incrementais

24 ITA – IEE-S24 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

25 ITA – IEE-S25 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Níveis de tensão lida nos sensores de infravermelho: –tensão de acoplamento SensorL1L2L3L4L5 Tensão [V] 5,0 0,1 SensorL1L2L3L4L5 Tensão [V] 4,5 0,14,6 0,14,4 0,1 Com barreira física entre o par: Sem barreira física entre o par:

26 ITA – IEE-S26 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA –Leitura dos sensores (níveis de tensão) reflexão em objeto preto: –Noite: 4,4 V –Dia: 4,4 V reflexão em objeto branco: –Noite: 2,6 V –Dia: 2,0 V –Circuito comparador – tensão de threshold em 3,9 V.

27 ITA – IEE-S27 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Encoders ópticos incrementais: –construção em rodas auxiliares –medida da distância percorrida –contagem de pulsos (interrupção)

28 ITA – IEE-S28 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA –erros na leitura dos encoders: de discretização devido à inércia dos motores entre 2 movimentos consecutivos –fator de correção:

29 ITA – IEE-S29 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sistema de comunicação externa: –comunicação serial RS-232 wireless –buzina Sonalarme

30 ITA – IEE-S30 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Comunicação serial RS-232 wireless –módulo Serial-Bluetooth 9600 baud rate sem paridade 1 stop bit sem controle de fluxo simplicidade de implantação custo elelvado

31 ITA – IEE-S31 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

32 ITA – IEE-S32 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sistema de energia: –Bateria modelo CP1232 vision 12 V e 3,2 Ah 134 mm x 67 mm x 61 mm (c x l x h) 1,4 kg –regulador 7805 –corrente máxima consumida : 940 mA

33 ITA – IEE-S33 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Consumo de energia da plataforma HardwareCorrente I [A] sistema de propulsão placa de acionamento sem motores 0,07 0,01 placa de acionamento com motores 0,43 0,01 sistema de computação embarcada placa Flashlite 386Ex 0,20 0,01 placa C515 0,04 0,01 placa AT89C52 0,10 0,01 sistema de sensoriamento placa inferior 0,08 0,01 sistema de comunicação externa módulo Bluetooth sem comunicação 0,09 0,01 módulo Bluetooth com comunicação 0,03 0,01

34 ITA – IEE-S34 ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA ROMEO III –Dimensões: 35 cm de diâmetro x 20 cm de altura –Peso: 3,5 kg

35 ITA – IEE-S35 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA 2 programas no computador base 3 programas embarcados na plataforma

36 ITA – IEE-S36 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Arquivo LABIRINTO.txt

37 ITA – IEE-S37 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Programa ROMEO.c: –linguagem C –entrada: labirinto e dimensões físicas do labirinto, velocidade da plataforma –algoritmo de procura A* –saída: arquivo de movimento codificado em alto nível

38 ITA – IEE-S38 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Arquivo TABM_V3.txt (tabela de movimentos): ; 05 ; 01 ; 01 ; 01 ; ; ; ; ;

39 ITA – IEE-S39 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

40 ITA – IEE-S40 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Programa PLT386C.c –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

41 ITA – IEE-S41

42 ITA – IEE-S42 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Algoritmo de controle –correção da trajetória baseada nas fases de movimento e na leitura dos sensores –correção da orientação da plataforma

43 ITA – IEE-S43 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Algoritmo de estimação da trajetória: –baseado na leitura dos encoders –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

44 ITA – IEE-S44 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Programa PT1558.a51: –linguagem Assembly –placa C515 –monitoração dos sensores de contato –acionamento dos motores DC

45 ITA – IEE-S45

46 ITA – IEE-S46 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Programa PLT5228.a51: –linguagem Assemly –placa AT89C52 –monitoração dos encoders –geração do PWM

47 ITA – IEE-S47

48 ITA – IEE-S48 ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Programa INTERFACE.m –linguagem Matlab –computador base –implementa a comunicação entre o computador base e a plataforma –interface gráfica na comunicação homem-máquina –apresentação da: trajetória estimada pela plataforma (encoders) trajetória estimada pela plataforma (encoders + infravermelho) trajétória planejada –comunicação serial padrão RS Bluetooth

49 ITA – IEE-S49

50 ITA – IEE-S50 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 pela plataforma de uma trajetória previamente programada

51 ITA – IEE-S51 TESTES REALIZADOS Verificação da odometria da plataforma: –teste UBMark (Borenstein e Feng, 1996) –sem algoritmo de controle –com intervalos de discretização –trajetórias realizadas no teste:

52 ITA – IEE-S52 TESTES REALIZADOS Verificação da odometria da plataforma:

53 ITA – IEE-S53 TESTES REALIZADOS Verificação da odometria da plataforma: GrandezaSentido HorárioSentido Anti-Horário centro de gravidade52,6 cm79,1 cm desvio padrão3,9 cm1,3 cm

54 ITA – IEE-S54 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

55 ITA – IEE-S55 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

56 ITA – IEE-S56 TESTES REALIZADOS Verificação do algoritmo de estimação da trajetória: –trajetória em 8 –trajetória em V –estimativa utilizando encoders –estimativa utilizando encoders + infravermelho

57 ITA – IEE-S57 TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders:

58 ITA – IEE-S58 TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders:

59 ITA – IEE-S59 TESTES REALIZADOS Verificação da estimativa realizada pelo sistema de encoders: Medida Ângulo Estimado para 45 graus Planejados [graus] Ângulo Estimado para 90 graus Planejados [graus] Distância Estimada para 50 cm Planejados [graus] Distância Estimada para 70,71 cm Planejados [graus] valor médio38,184,744,564,0 desvio padrão1,8 2,02,5

60 ITA – IEE-S60 TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders e infravermelho:

61 ITA – IEE-S61 TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders e infravermelho

62 ITA – IEE-S62 TESTES REALIZADOS Desenvolvimento de uma trajetória real:

63 ITA – IEE-S63

64 ITA – IEE-S64 TESTES REALIZADOS

65 ITA – IEE-S65 TESTES REALIZADOS Desenvolvimento de uma trajetória real:

66 ITA – IEE-S66 Trajetória Realizada Quantidade de Correções Quantidade Máxima de Correções Seguidas Estimativa da Posição ou do Ânguo Erro Absoluto da Estimativa Realizada Erro Relativo da Estimativa Reaizada rotação h 45 graus5237,58 graus7,42 graus16,48 % translação de 70,71 cm11468,81 cm2,1 cm2,97 % rotação ah de 90 graus12388,95 graus1,05 graus1,16 % translação de 70,71 cm7161,35 cm9,36 cm13,24 % rotação h de 90 grus16488,57 gruas1,43graus1,59 % rranslação de 70,71 cm7156,67 cm11,04 cm15,61 % rotação h de 45 graus9446,49 graus1,49 graus3,31 % translação de 50 cm7240,56 cm9,44 cm18,88 % translação de 50 cm4144,66 cm5,34 cm10,68 % rotação h de 45 graus10540,90 graus4,1 graus9,11 % translação de 70,71 cm11265,99 cm4,72 cm6,68 % rotação h de 90 graus11484,37 graus5,63 graus6,26 % translação de 70,71 cm11465,63 cm5,08 cm7,18 % rotação ah de 45 graus6340,31 graus4,69 graus10,42 % translação de 50 cm5139,34 cm10,66 cm21,32 %

67 ITA – IEE-S67 CONCLUSÕES Realização de uma trajetória real muito próxima da trajetória desejada: –Grade reticulada –Sensores de infravermelho –Feedback do estado de alguns sistemas Método adotado realiza compensação dos erros sistemáticos e aleatórios Utilização de elementos reais na solução do problema proposto Algoritmo de estimação utilizando fusão sensorial leva a resultados melhores que aqueles obtidos utilizando apenas o sistema de encoders na estimação

68 ITA – IEE-S68 CONCLUSÕES Uso de sensores de infravermelho –Eficientes –Fácil implementação –Pouca robustez Uso de diferentes computadores embarcados: –Maior quantidade de I/O –Necessidade de multitask com resposta rápida Comunicação serial mais lenta que a comunicação via barramento de dados Ocorrência de time-out durante a execução da trajetória pela plataforma devido a mau contato nas placas de computação embarcada

69 ITA – IEE-S69 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 de saúde da plataforma

70 ITA – IEE-S70 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

71 ITA – IEE-S71 AGRADECIMENTOS ITA CNPq FAPESP


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