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 – IEE-S

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

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 – IEE-S

OBJETIVO 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. ITA – IEE-S

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

HISTÓRICO Ambiente conhecido Células conectadas entre si ITA – IEE-S

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 – IEE-S

ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA ITA – IEE-S

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 – IEE-S

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

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 – IEE-S

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 sianl de PWM. ITA – IEE-S

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 – IEE-S

ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Protocolo de comunicação – serial padrão RS-232 Sentido Direto Sentido Reverso Código Informação AA valor da velocidade - BB valor do tipo do movimento CC valor do tempo para executar o movimento número de pulsos e sentido de rotação dos encoders DD retornar valores dos encoders 41 fim do movimento EE zerar contador de pulsos dos encoders 42 colisão detectada ITA – IEE-S

ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Protocolo de Comunicação – Barramento de Dados Sentido Direto Sentido Reverso Código Informação AA valor da velocidade - BB início do movimento CC fim do movimento número de pulsos e sentido de rotação dos encoders DD retornar valores dos encoders 41 EE zerar contador de pulsos dos encoders 42 ITA – IEE-S

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 – IEE-S

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 – IEE-S

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 – IEE-S

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

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 – IEE-S

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 – IEE-S

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

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

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 – IEE-S

ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Níveis de tensão lida nos sensores de infravermelho: tensão de acoplamento Com barreira física entre o par: Sensor L1 L2 L3 L4 L5 Tensão [V] 5,0 0,1 Sem barreira física entre o par: Sensor L1 L2 L3 L4 L5 Tensão [V] 4,5 0,1 4,6 0,1 4,4 0,1 ITA – IEE-S

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. ITA – IEE-S

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

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 – IEE-S

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

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 ITA – IEE-S

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 – IEE-S

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 ITA – IEE-S

ESTRUTURA DE HARDWARE DA PLATAFORMA Consumo de energia da plataforma Hardware Corrente 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 ITA – IEE-S

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

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

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

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 ITA – IEE-S

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 – IEE-S

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 – IEE-S

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 ITA – IEE-S

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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 ITA – IEE-S

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 ITA – IEE-S

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

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

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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-232 - Bluetooth ITA – IEE-S

ITA – IEE-S

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 ITA – IEE-S

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: ITA – IEE-S

TESTES REALIZADOS Verificação da odometria da plataforma: ITA – IEE-S

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 – IEE-S

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 – IEE-S

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 – IEE-S

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

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

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

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 médio 38,1 84,7 44,5 64,0 desvio padrão 1,8 2,0 2,5 ITA – IEE-S

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

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

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

ITA – IEE-S

TESTES REALIZADOS ITA – IEE-S

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

ITA – IEE-S 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 graus 5 2 37,58 graus 7,42 graus 16,48 % translação de 70,71 cm 11 4 68,81 cm 2,1 cm 2,97 % rotação ah de 90 graus 12 3 88,95 graus 1,05 graus 1,16 % 7 1 61,35 cm 9,36 cm 13,24 % rotação h de 90 grus 16 88,57 gruas 1,43graus 1,59 % rranslação de 70,71 cm 56,67 cm 11,04 cm 15,61 % rotação h de 45 graus 9 46,49 graus 1,49 graus 3,31 % translação de 50 cm 40,56 cm 9,44 cm 18,88 % 44,66 cm 5,34 cm 10,68 % 10 40,90 graus 4,1 graus 9,11 % 65,99 cm 4,72 cm 6,68 % rotação h de 90 graus 84,37 graus 5,63 graus 6,26 % 65,63 cm 5,08 cm 7,18 % rotação ah de 45 graus 6 40,31 graus 4,69 graus 10,42 % 39,34 cm 10,66 cm 21,32 % ITA – IEE-S

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 ITA – IEE-S

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 ITA – IEE-S

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 ITA – IEE-S

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 – IEE-S

AGRADECIMENTOS ITA CNPq FAPESP ITA – IEE-S