Gabriela Werner Gabriel Projeto e Construção de uma Plataforma Móvel para Navegação em Ambiente Estruturado http://www.ele.ita.br/romeo/ Gabriela Werner Gabriel Orientador: Prof. Cairo L. Nascimento Jr. Co-Orientador: Prof. Eduardo H. Yagyu ITA – IEES

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

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. PROBLEMAS: LOCALIZAÇÃO : onde estou? MAPEAMENTO : onde posso estar? PLANEJAMENTO : como vou? ITA – IEES

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

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. ITA – IEES

HISTÓRICO Ambiente conhecido Células conectadas entre si ITA – IEES

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

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 ITA – IEES

ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA ITA – IEES

ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sistema de propulsão 2 motores DC Canon CN35-09720 dados de carcaça : 24 V e 0,14 A redução acoplada 2 rodas tracionadas 2 rodas livres circuito de acionamento ITA – IEES

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 ITA – IEES

ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Hierarquia do sistema de computação embarcada: nível tático e nível operacional Placa 386Ex Placa C515 Placa 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. ITA – IEES

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 C515 Placa AT89C52 Comunicação via cabo serial barramento de dados ITA – IEES

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 ITA – IEES

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 ITA – IEES

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 ITA – IEES

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 ITA – IEES

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 ITA – IEES

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

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

ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Sensores de infravermelho: 5 pares foto-diodo/foto-transistor foto-diodo : TIL32 foto-transistor : TIL78 L1 L2 L3 L4 L5 Eixo das Rodas Tracionadas 3 cm Centro da Plataforma Frente da Plataforma Trás da Plataforma 1,75 cm ITA – IEES

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

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

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

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

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

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 ITA – IEES

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 ITA – IEES

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

ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Arquivo LABIRINTO.txt ITA – IEES

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 ITA – IEES

ESTRUTURA DE SOFTWARE DA PLATAFORMA Arquivo TABM_V3.txt (tabela de movimentos): 50.00 90.00 04 ; 05 ; 01 ; 01 ; 01 ; 04 3 ; 45.00 1 ; 70.71 4 ; 90.00 . 9 ITA – IEES

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

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 ITA – IEES

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

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 ITA – IEES

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 ITA – IEES

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

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 ITA – IEES

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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 ITA – IEES

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

TESTES REALIZADOS Verificação da odometria da plataforma: ITA – IEES

TESTES REALIZADOS Verificação da odometria da plataforma: Grandeza Sentido Horário Sentido Anti-Horário centro de gravidade 52,6 cm 79,1 cm desvio padrão 3,9 cm 1,3 cm ITA – IEES

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 ITA – IEES

TESTES REALIZADOS Verificação do algoritmo de controle: Grandeza Sentido Horário Sentido Anti-Horário centro de gravidade 1,26 cm 1,13 cm desvio padrão 0,29 cm 0,19 cm Grandeza Sentido Horário Sentido Anti-Horário desvio angular médio 1,7o -4,7o desvio padrão 0,7o 1,1o ITA – IEES

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

TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders: ITA – IEES

TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders: ITA – IEES

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

TESTES REALIZADOS Estimativa da trajetória utilizando encoders e infravermelho ITA – IEES

TESTES REALIZADOS Desenvolvimento de uma trajetória real: ITA – IEES

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TESTES REALIZADOS ITA – IEES

TESTES REALIZADOS Desenvolvimento de uma trajetória real: ITA – IEES

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 ITA – IEES

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 ITA – IEES

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 ITA – IEES

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 ITA – IEES

AGRADECIMENTOS ITA CNPq FAPESP ITA – IEES