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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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

http://www.ele.ita.br/romeo/

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ÍNDICE• Introdução• Histórico• Objetivo• Estrutura de Hardware da Plataforma• Estrutura de Software da Plataforma• Testes Realizados• Conclusões• Trabalhos Futuros

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INTRODUÇÃODesde 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:

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

HISTÓRICO

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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.

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HISTÓRICO• Ambiente conhecido• Células conectadas entre si

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

OBJETIVO

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ESTRUTURA DEHARDWARE DA PLATAFORMA

• Plataforma composta por 5 sistemas:– sistema de propulsão– sistema de computação embarcada– sistema de sensoriamento– sistema de comunicação externa– sistema de energia

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• 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

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• Sistema de computação embarcada:– 3 placas de computação embarcada:

• placa Flashlite 386Ex• placa C515• placa AT89C52

– características do sistemade computação embarcada:

• maior quantidade de pinosde I/O

• resposta mais rápida àeventos críticos

• facilidade de escrita e teste do programa

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• Hierarquia do sistema de computação embarcada: nível tático e nível operacional

Placa 386Ex

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.

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• Comunicação entre as placas de computação embarcada:– comunicação serial padrão RS-232– comunicação via barramento de dados

Sentido Direto Sentido DiretoSentido Reverso Sentido Reverso

Placa Flashlite 386Ex

Placa C515 Placa AT89C52

Comunicação via

cabo serial

Comunicação via

barramento de dados

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• 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

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• 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

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• 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

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• Sistema de sensoriamento:– subsistema de detecção de obstáculo– subsistema de detecção de tensão da bateria– subsistema de detecção de posição e orientação

da plataforma

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• 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

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• Subsistema de detecção de tensão da bateria:– tensão de limiar : 10,1 V– circuito comparador:

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• Subsistema de detecção da posição e orientação da plataforma:– sensores de infravermelho– encoders ópticos incrementais

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• Sensores de infravermelho:– 5 pares foto-diodo/foto-transistor– foto-diodo : TIL32– foto-transistor : TIL78

L1

L2 L3 L4

L5Eixo das RodasTracionadas

3 cm

Centro da Plataforma

Frente da Plataforma

Trás da Plataforma

1,75 cm 1,75 cm

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• Encoders ópticos incrementais:– construção em rodas auxiliares– medida da distância percorrida– contagem de pulsos (interrupção)

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– erros na leitura dos encoders:• de discretização• devido à inércia dos motores entre 2 movimentos

consecutivos

– fator de correção:

1,0531e-0,0003.de ENCAf

1,0833d-0,0003.de ENCBf

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• Sistema de comunicação externa:– comunicação serial RS-232 wireless– buzina Sonalarme

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• Comunicação serial RS-232 wireless– módulo Serial-Bluetooth

• simplicidade de implantação• custo elevado

Computador BasePorta Serial RS-232

Conector Macho DTE(9 pinos)

Módulo Serial Bluetooth

Conector fêmea DCE

Placa Flashlite 386ExPorta Serial RS-232

Conector macho DCE(10 pinos)


Conector fêmea DTE(Comunicação Wireless)




Conector fêmea DCE




Conector fêmea DCE




Conector fêmea DTE




Conector fêmea DTE(Comunicação Wireless)

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• 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

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• Sistema de energia:– Bateria modelo CP1232 vision

• 12 V e 3,2 Ah

– regulador 7805– corrente máxima consumida : 940 mA

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• Dados mecânicos da plataforma ROMEO III:– Dimensões: 35 cm de diâmetro x 20 cm de altura– Peso: 3,5 kg

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ESTRUTURA DESOFTWARE DA PLATAFORMA

• 2 programas no computador base• 3 programas embarcados na plataforma

LABIRINTO.TXT

ROMEO.CPPv.2.1

TABM_V3.TXT

PLT386c.C PLT1558.A51 PLT5228.A51

INTERFACE.M

1

1

2 3

COMPUTADOR BASE

1 Comunicação Bluetooth

2 Comunicação através de cabo de comunicação serial

3 Comunicação através de barramento de dados

LABIRINTO.TXT

ROMEO.CPPv.2.1

TABM_V3.TXT

PLT386c.C PLT1558.A51 PLT5228.A51

INTERFACE.M

1

1

2 3

COMPUTADOR BASE

1 Comunicação Bluetooth

2 Comunicação através de cabo de comunicação serial

3 Comunicação através de barramento de dados

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• Arquivo LABIRINTO.txt

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• 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

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• Arquivo TABM_V3.txt (tabela de movimentos):

50.0050.0090.0004 ; 05 ; 01 ; 01 ; 01 ; 0403 ; 45.001 ; 70.714 ; 90.001 ; 70.71...9

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• 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

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• 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

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• Algoritmo de controle– correção da trajetória baseada nas fases de

movimento e na leitura dos sensores de infravermelho

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• 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

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• 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

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• Programa PLT5228.a51:– placa AT89C52– linguagem Assembly– monitoração dos encoders– geração do PWM

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• 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

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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

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TESTES REALIZADOS• Verificação da odometria da plataforma:

– teste UBMark (Borenstein e Feng, 1996)– sem algoritmo de controle– com intervalos de discretização

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Grandeza Sentido Horário Sentido Anti-Horário

centro de gravidade 52,6 cm 79,1 cm

desvio padrão 3,9 cm 1,3 cm

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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

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TESTES REALIZADOS• Verificação do algoritmo de controle:


centro de gravidade 1,26 cm 1,13 cm

desvio padrão 0,29 cm 0,19 cm


desvio angular médio

1,7o -4,7o

desvio padrão 0,7o 1,1o

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TESTES REALIZADOS• Verificação do algoritmo de estimação da

trajetória:– estimativa utilizando encoders– estimativa utilizando encoders + infravermelho– trajetória em “8”– trajetória em “V”

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TESTES REALIZADOS• Estimativa da trajetória utilizando encoders:

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TESTES REALIZADOS• Estimativa da trajetória utilizando encoders:

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TESTES REALIZADOS• Estimativa da trajetória utilizando encoders e

infravermelho:

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TESTES REALIZADOS• Estimativa da trajetória utilizando encoders e

infravermelho

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TESTES REALIZADOS• Desenvolvimento de uma trajetória real:

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TESTES REALIZADOS

0 10 20 30 40 50 60 70 800

100

200

300

400D

ista

ncia

Tot

al P

erco

rrid

a E

stim

ada

[cm

]

Tempo [s]

Desenvolvimento Temporal da Trajetoria

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-100

-50

0

50

100

Ang

ulo

Est

imad

o [g

raus

]

Tempo [s]

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TESTES REALIZADOS• Desenvolvimento de uma trajetória real:

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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

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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

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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

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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

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AGRADECIMENTOS• ITA• CNPq• FAPESP

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