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Os Editores

ESTUDO DE ROBÔS MÓVEIS É, por natureza, multidisciplinar O pro!eto do modelo do dispositi"om#"el $ro%&'"e(culo) e de seus mecanismos en"ol"e con*ecimentos de En+en*aria Mec nica

-ara inte+rar todos os componentes eletr&nicos, sensores, atuadores, e para comunica./o entre os"0rios componentes, s/o necess0rios con*ecimentos de En+en*aria El1trica, En+en*aria Mecatr&nica e

En+en*aria da 2omputa./o O desen"ol"imento do sistema de controle e a inteli+3ncia por tr0s deles/o de responsa%ilidade principalmente da 2i3ncia da 2omputa./o 456 Outras ci3ncias como a psicolo+ia co+niti"a, a neuroci3ncia e a %iolo+ia podem tam%1m ser"ir como inspira./o para secompreender o 7uncionamento de or+anismos %iol#+icos 8ue %uscamos reproduzir nos ro%&s m#"eisinteli+entes 496

Os ro%&s m#"eis s/o compostos por di"ersos componentes, destacando:se principalmente seussensores, atuadores e o sistema de controle respons0"el pela inte+ra./o e opera./o dessescomponentes ;ssim, 1 muito importante o estudo desses componentes, pois cada ro%& 1 caracterizado pelos componentes nele em%arcados, e 8ue de7inem suas capacidades e 7uncionalidades E6, 4?6, 456, 4@6 e 4A6 ; se+uir ser/o apresentados os conceitos %0sicos e mais+erais so%re os principais sensores e atuadores

SENSORES

-ara 8ue consi+a atuar de 7orma satis7at#ria, um ro%& precisa de dispositi"os 8ue l*e permitam e


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O projeto de um robô deve levar em consideração as diferentes necessidades, em termos de percepção, inerentes às tarefas previstas para serem executadas. Cada sensor irá prover informações deacordo com suas pr prias caracter!sticas, como faixa de atuação, sensibilidade, precisão e exatidão. "mfunção das limitações impostas pelas restrições de percepção de cada tipo de sensor, usualmenteadotam#se estrat$%ias de leitura e fusão de m&ltiplos sensores. ' fusão sensorial pode ser classificadado se%uinte modo(

Redundante )ou Competitiva*. +uando a informação de um sensor $ muito imprecisa, $ comumconsiderar tamb$m a informação de mais um sensor, a fim de mel orar o processo de detecção.' redund-ncia pode ser física , uando são usados sensores de um mesmo tipo. /or exemplo,

podem ser usados dois an$is de sensores sonar em um mesmo robô, e o resultado será a menorleitura dada por eles. 0sso fornece maior confiabilidade ao processo de detecção. ' redund-ncia

pode ser lógica , uando usamos sensores de tipos diferentes, ue irão fornecer o mesmo tipo deinformação. /or exemplo, podemos usar tanto sonar uanto c-mera para estimar medidas dedist-ncia1

Complementar . +uando os sensores fornecem informações diferentes. /or exemplo, em umatarefa de busca e res%ate, o robô pode usar sensores t$rmicos para detectar a v!tima usando ainformação de calor, juntamente com c-meras para eliminar falsas detecções por meio do

movimento ou do recon ecimento da pessoa1Coordenada . +uando os sensores são usados em uma dada ordem. /or exemplo, o robô em

busca de pessoas pode inicialmente analisar sinais de vo2. 3e vo2 umana for detectada, entãoele pode usar outro tipo de sensor, como c-mera para validar a presença de pessoas.

4esse modo, a união das informações percebidas pelos diversos sensores contribui individualmente)ou de forma conjunta* para a construção de informações mais precisas e detal adas do ambiente deatuação do robô.

ATRIBUTOS DE UM SENSOR

Cada sensor possui uma s$rie de atributos ue devem ser considerados durante a construção de umsistema de controle para um robô 5 67(

Campo de visão e alcance . O campo de visão corresponde à lar%ura da re%ião coberta pelosensor, %eralmente expressa em %raus, en uanto o alcance $ a extensão dessa re%ião.

Acurácia e repeti ilidade . ' acurácia refere#se a uão correta $ a leitura do sensor. 3e umsensor tem acurácia de 89:, si%nifica ue ele fornece a mesma leitura apenas 89: do tempo

para as mesmas condições. ;o%o, tem baixa repetibilidade.

Resolu!ão . ' resolução corresponde à menor diferença entre dois valores ue podem serdetectados pelo sensor. /or exemplo, se a resolução de um sensor $ < cm, então as dist-nciasmedidas são dadas em incrementos de < cm.

Resposta no am iente alvo . 'l%uns sensores podem não funcionar ade uadamente em certostipos de ambientes. /or exemplo, os sensores de ultrassom não são ade uados em ambientes ue

possuem muitas paredes ou objetos de vidro.

Consumo de ener"ia . +uanto maior for o consumo de ener%ia de um sensor, menor será otempo de operação de um robô. 3ensores ativos consomem mais ener%ia ue sensores passivos,

pois precisam emitir ener%ia para extrair informação do ambiente.

Con#ia ilidade do hardware . 'l%uns sensores começam a produ2ir medidas incorretas uandooperam a baixas volta%ens. "sse $ o caso de certos modelos de sensores de ultrassom de baixocusto, cuja ualidade do resultado de%rada uando a car%a da bateria está abaixo de um certo

limiar.$ar"ura de anda% ' lar%ura da banda )ou fre u=ncia de varredura* mede a velocidade com

ue o sensor conse%ue fornecer um conjunto de leituras. "ssa medida $ expressa em ert2 e está

0>/?"33O /O?( '@4?" ;A03 BO>"3 3OA3' al%sousaDi%.com.brE. ' impressão $ apenas para uso pessoal e privado. @en uma parte deste livro pode ser reprodu2ida outransmitida sem pr$via autori2ação do ed itor. Os violadores serão processados.

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Figura 2.1

associada à quantidade de leituras que o sensor consegue fornecer por segundo. A velocidademáxima do robô está intimamente associada à largura de banda dos sensores que detectamobstáculos.

ODÔMETRO ÓTICO

Odômetros óticos são muito populares em robótica móvel. Eles são sensores proprioceptivos e servem

para controlar a posição e a velocidade das rodas do robô fornecendo uma estimativa da dist!nciarelativa navegada. "uando o robô usa apenas essa estimativa para determinar sua posição no ambientedi#emos que ele está usando o recon$ecimento passivo % dead reckoning &. Dead reckoning ' derivadodo termo deduced reckoning usado na aviação que consiste em determinar a posição da aeronaveusando uma b(ssola a velocidade e o tempo de deslocamento. A dist!ncia estimada por esse tipo desensor ' relativamente precisa a curtos deslocamentos por'm como discutido adiante ela pode sercomprometida por in(meras fontes de erros como derrapagens modelagem errada do robô etc.

)m odômetro ótico ' composto por componentes como fotoemissor fotorreceptor e um disco comum padrão espec*fico que ' anexado ao eixo do robô. A lu# emitida pelo fotoemissor ' periodicamenteinterrompida pelo padrão do disco. A partir do movimento do disco a quantidade de lu# que incide nofotodetector varia resultando em uma onda senoidal que ' transformada em uma onda quadrada. Essaonda está associada à revolução do eixo e serve para medir o deslocamento do robô. Em geral os

odômetros óticos usados na robótica móvel medem +,,, pulsos por revolução enquanto na ind(striaeles medem -,.,,,.

a /igura +.-%a& são apresentados um disco com um padrão opaco0transparente e o sinal %b& gerado por dois fotoemissores posicionados em um !ngulo de 1,2 entre si. )m odômetro desse tipo ' c$amadode odômetro de quadratura % phase-quadrature odometer &. Esse odômetro gera tr3s sinais 4 A e 5. Osinal 4 possui um pulso alto quando o eixo fa# uma revolução completa enquanto os sinais A e 5 estãoassociados aos sinais recebidos pelos dois fotodetectores. )ma caracter*stica desse tipo de sensor ' quea informação gerada por ele ' volátil ou se6a se o sistema for desligado a informação sobre a posiçãoe a velocidade do robô ' perdida.

Exemplo de sinal gerado por odômetro %b& usando um disco com padrão opaco0transparente %a&. Atabela %c& mostra quatro estados que são usados para determinar o sentido da rotação.

SENSOR DE ULTRASSOM OU SONAR

7ensores de ultrassom ou sonares são exemplos de sensores ativos e t3m como princ*pio básico avelocidade de propagação do som no ar. 4nicialmente o sensor emite uma s'rie de pulsos de som comfrequ3ncia entre 8, e -9, :;# que comp no qual ele não irá detectar nen$um eco. 4sso serve para prevenirfalsas detecç


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Figura 2.2

Figura 2.3

7ensor de ultrassom da olaroid. /igura extra*da de ?P.

Em geral assumimos que um sensor de ultrassom tem campo de visão de ?,2 e consegue detectarob6etos a no máximo N m. @evido a isso costumaMse dividir a área coberta por ele em tr3s conformeilustrado na /igura +.? . A região 4 está associada à dist!ncia medida. O ob6eto que refletiu a ondasonora pode estar em qualquer local dessa região. A região 44 ' a área va#ia. 7e essa área não tivesseva#ia então a dist!ncia calculada seria menor. A região 444 ' uma região coberta pelo sonar por'm nãoexiste informação de se ' va#ia ou não. A região 4Q não ' coberta pelo sensor logo não ' de interesse.

7ensor de ultrassom da olaroid. /igura extra*da de ?P.

Embora se6am baratos os sensores de ultrassom possuem alguns inconvenientes que devem serlevados em consideração durante o desenvolvimento do sistema de controle. or exemplo quando o

pacote sonoro atinge a superf*cie do obstáculo em um !ngulo agudo ele ' refletido para fora do conede visão do sensor. Esse pacote pode atingir outras superf*cies e após um certo tempo retornar aosensor. esse caso ' poss*vel perceber que a dist!ncia medida ' diferente da real 6á que o tempo entre

4B CE77O OCD A @CE )47 FOBE7 7O)7A GalgsousaHig.com.brI. A impressão ' apenas para uso pessoal e privado. en$uma parte deste livro pode ser reprodu#ida outransmitida sem pr'via autori#ação do ed itor. Os violadores serão processados.

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Figura 2.4

a ida e a volta do pacote leva em consideração todo o trajeto percorrido e não apenas o tempo referenteà primeira colisão. A esse problema é dado o nome dereflexão especular . A situação ideal que éutilizada para o cálculo de precisão do sensor considera que a superfície de reflexão é perpendicular aoeixo acústico do sonar. A reflexão especular leva a um outro problema c amadocross-talk . !sse problema ocorre quando o sensor recebe um sinal sonoro ori"inado por um sensor vizin o. #abemosque cada sensor cobre uma área delimitada do ambiente$ e que$ em "eral$ as áreas de diferentessensores não possuem interseção entre si. %evido à reflexão especular$ é possível que um sinal emitido

por um sensor seja recebido por outro. &bserve que não é possível distin"uir se o sinal recebido foi ounão emitido pelo sensor. 'ara reduzir esse problema$ uma das estraté"ias é fazer com que sensoresan"ularmente distantes a múltiplos de ()* disparem ao mesmo tempo. &utro problema é quando umdos lados do cone de visão atin"e primeiro a superfície de reflexão do que o outro. +sso acontecequando a superfície não é orto"onal ao eixo acústico. ,esse caso$ o valor retornado pelo sensor émenor do que o real. !sse problema é c amado foreshortening . A -i"ura ./ ilustra esses tr0s problemas. !m aplicaç1es práticas$ uma soluçãoad-hoc para eliminar medidas erradas é sempreconsiderar como leitura útil a média das últimas tr0s leituras realizadas pelo sensor. Além dos problemas supracitados$ as medidas fornecidas por esse tipo de sensor deixam de ser confiáveis quandoa car"a da bateria do rob2 está baixa. 'or exemplo$ os sensores de ultrassom da 'olaroid produzirãomedidas incorretas quando a car"a da bateria estiver abaixo de 3 4.

'roblemas associados aos sensores de ultrassom5 6a7 reflexão especular$ 6b7crosstalk e 6c7 foreshortening .

8ma limitação desse tipo de sensor é a lar"ura da banda 6frequ0ncia de varredura7. 'or exemplo$ para medir um objeto que está a 9 m de dist:ncia$ é necessário esperar ) ms. !sse tempo é aqueledecorrido desde a emissão do sinal até a recepção. ;o"o$ a velocidade de operação do sensor é de 6 Light Detection And Ranging 7 e em contextos militares$ de ;A%A> 6 Laser Detection And Ranging 7.? uma tecnolo"ia que permite detectar objetos remotamente$ usando para issolaser pulsado. !ssadist:ncia é medida de forma similar ao cálculo usado pelos sensores de ultrassom$ ou seja$ através dotempo entre a emissão e a recepção dos pulsos delaser . %evido a isso$ esse tipo de sensor é tambémc amado detime of flight sensor .

A -i"ura .< mostra dois exemplos de sensores ;+%A> comumente usados na área de rob@ticam@vel5 6a7 mostra o sensor =o uBo 8>CD)/;ED8C)3$ enquanto 6b7 mostra o sensor #ic ;F# )).

!sses sensores possuem valores e especificaç1es diferentes$ como mostrado naGabela .3.!m ambos os casos$ esses sensores produzem um feixe colimado delaser que ilumina o objeto alvoe retorna para um receptor que está posicionado coaxialmente ao emissor. 8m mecanismo mec:nicocom um espel o rotat@rio redireciona o feixe delaser $ permitindo a varredura do ambiente de forma

+F'>!##& '&>5 A,%>! ;8+# C&F!# #&8#A Hal"sousaIi".com.brJ. A impressão é apenas para uso pessoal e privado. ,en uma parte deste livro pode ser reproduzida outransmitida sem prévia autorização do editor. &s violadores serão processados.

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Figura 2.5

Tabela 2.1

planar ou em três dimensões. A Figura 2.6 mostra o diagrama esquemático do funcionamento dosensor laser , considerando uma varredura planar. Um feixe de laser produz um campo de vis oinfinitesimal, diferentemente do sonar, cu!o sinal emitido tem campo de vis o de "#$. A o%ten& o docampo de vis o do sensor laser considera a emiss o de vários feixes de laser no am%iente. 'u se!a,considerando que o sensor ()*+ -( 2## operará com resolu& o #,2 $, ele fornecerá um con!unto deleituras com exatamente /20 medidas, tomadas de #$ a 01#$ com incrementos de #,2 $, em " ms,diferentemente do anel de 2# sensores comentado na se& o anterior3 de ultrassom, que fornecerá 2#

medidas em #,4 s.

(ensores )5A a3 7o8u9o U :;#4 (;2"2 ou (;422

*onsumo 2, ? 2# ?

@eso 06# g 4, 8g

@re&o corrente U(B02##,## U(B 1##,##

Cxistem algumas fontes de erro relacionadas Ds medidas produzidas por sensores laser . @orexemplo, o%!etos escuros e distantes ir o produzir medidas menos confiáveis que o%!etos %rilEantes e

pr ximos ao sensor. ' pro%lema relacionado D reflex o especular, discutido na se& o anterior, tam%Gm

)-@ C((' @' H AI5 C U)( :'-C( ('U(A JalgsousaKig.com.%rL. A impress o G apenas para uso pessoal e privado. IenEuma parte deste livro pode ser reproduzida outransmitida sem prGvia autoriza& o do ed itor. 's violadores ser o processados.

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Figura 2.6

afeta esse tipo de sensor. Quando o feixe de laser incide sobre superfícies altamente lisas, comoespelhos e vidros, ele é refletido para fora do campo de visão do sensor. Portanto, as melhores medidassão obtidas quando o feixe é refletido por superfícies com coeficiente de rugosidade maior que ocomprimento de onda do laser . Nesse caso, a reflexão será difusa, e algum componente do feixeemitido seguirá um caminho paralelo quele de ida seguido pelo laser . !sse componente será recebido

pelo receptor, o qual calculará a dist"ncia do ob#eto detectado. $utro problema importante é que essetipo de sensor não conseguirá detectar ob#etos opticamente transparentes, como é o caso do vidro. Por

outro lado, esse problema não afeta a opera%ão de sensores de ultrassom. !sse é um dos motivos quetorna a fusão sensorial muito importante no tratamento de informa%&es sensoriais.

'iagrama esquemático do sensor laser .

SENSOR DE VISÃO

$s sensores de visão fornecem uma quantidade muito grande de informa%ão sobre a área de atua%ão dorob(. )om eles, o rob( consegue extrair não apenas informa%ão de dist"ncia, como a fornecida porsensores a laser e de ultrassom, mas informa%&es sobre a presen%a e a postura de pessoas, gestos,marcadores etc. !m suma, é possível dotar o rob( de um sistema perceptivo similar ao do ser humano.Para isso, é necessário possuir conhecimentos de áreas como processamento de sinais e de imagens.

!xistem duas tecnologias usadas na captura da informa%ão visual* ))' e )+$ . !sses tipos desensores comp&em as c"meras atualmente disponíveis no mercado. !les permitem capturar informa%ãode lu- para ser manipulada pelo computador.

CCD E CMOS$ ))' charged coupled device / foi inventado em 0121 por 3eorge mith e 4illiard 5o6le no 5ell7abs. !le é uma matri- de elementos sensíveis lu- fotodiodo/ chamados pixels. Quando f8tonsincidem no pixel , eles liberam elétrons que são retidos pelo pixel . 9p8s um dado tempo, chamado

período de integra%ão, cada pixel possui uma carga proporcional quantidade de colis&es de f8tons.

!ssa carga é congelada e transferida para um registrador na borda do ))'. Para isso, cada linha damatri- de pixels é lida uma a uma e transportada para o local de leitura. !sse processo exige umcircuito especiali-ado para preservar as cargas transportadas. Quando chegam no registrador, as cargas

:+P;! $ P$;* 9N';! 7ig.com.br?. 9 impressão é apenas para uso pessoal e privado. Nenhuma parte deste livro pode ser reprodu-ida outransmitida sem prévia autori-a%ão do ed itor. $s violadores serão processados.

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Figura 2.7

são amplificadas e convertidas em um sinal digital. Essas linhas são armazenadas na forma de umarquivo que pode ser visualizado e manipulado a posteriori .

CMOS ( Complementary Metal-Oxide Semiconductor ), como sensores para visão computacional,foram apresentados comunidade pela primeira vez em !""# por Eric $ossum, do la%orat&rio 'et

ropulsion, da asa. Esse sensor possui uma matriz de pixels de forma similar ao CC*, por+m com adiferen a de que para cada pixel e-iste um con unto de transistores dedicados. Esses transitorescomp/em um circuito que amplifica e converte a carga associada ao pixel de forma paralela e o envia

diretamente ao seu local de destino. Essa a%ordagem + mais fle-0vel do que a usada no CC* porquecada pixel pode ser lido individualmente, sem ter que ser transportado por todo chip para sua conversãoem um sinal digital. 1pesar das vantagens oriundas dos transistores, eles possuem algumasdesvantagens que devem ser levadas em considera ão. Como esses transistores ocupam espa o namatriz de pixels , alguns f&tons colidem diretamente neles e não nos fotodiodos. 2sso leva a ru0dos naimagem. 1 $igura #.3 mostra os sensores CC* e CMOS.

Sensores de visão4 (a) CC*. (%) CMOS.

Entre as vantagens relativas do CC* e do CMOS estão a qualidade superior de imagens do CC*5 aalta velocidade de captura de imagens do CMOS5 a maior sensi%ilidade luz do C**5 o %ai-o custo demanufatura5 e o %ai-o custo de energia do CMOS. *evido qualidade de imagem, tradicionalmente oCC* tem sido considerado superior. Entretanto, o CMOS tem apresentado uma significativa melhoriaem termos de qualidade e resolu ão de imagens se apro-imando aos sensores CC*.

1 resolu ão tanto do CC* quanto do CMOS est6 associada ao seu n7mero de pixels 4 quanto maioresse n7mero, maior a resolu ão. 1s c8meras fotogr6ficas digitais possuem CC*9CMOS comcapacidade de milh/es de pixels . or e-emplo, uma c8mera com !# megapixels possuiapro-imadamente !# milh/es de pixels . Os CC* são utilizados para a aquisi ão de imagens desat+lites, em equipamentos m+dico:hospitares, como endosc&pio etc., enquanto os CMOS sãoutilizados em webcams , atualmente em c8meras fotogr6ficas, entre outros.

CÂMERAS ESPECIAIS

1s c8meras, atrav+s de seus sensores, capturam determinados comprimentos de onda da luz incidentena lente da c8mera. 1 luz capturada + convertida e armazenada de forma digital, podendo representarapenas a luminosidade, no caso das imagens em preto e %ranco, ou ser representada pelas componentes

%6sicas que formam uma determinada cor. 1s imagens coloridas são usualmente representadas pelaintensidade dos seus componentes (que representam uma determinada fai-a de comprimentos de onda),em que o modelo mais adotado + o ;S? ou @A?, quetam%+m são usados no processamento digital de imagens em aplica /es de ro%&tica B " .

or outro lado, algumas c8meras são capazes de capturar imagens o%tidas de comprimentos deonda (%andas do espectro) que estão al+m da capacidade de percep ão do olho humano. Am e-emplodesse tipo de c8meras são as c8meras infravermelho, em que se destacam as %andas do 2; ( Near

n!rared ) e do $2; ( "ar n!rared ). 1s c8meras voltadas para a %anda 2; são capazes de capturar

imagens em am%ientes de %ai-as luminosidades ou iluminados por DE*s infravermelhos, podendo serusadas em sistema de visão ativa em que o am%iente + artificialmente iluminado por luz infravermelha,a e-emplo do que + feito com alguns modelos de c8meras para visão noturna e at+ mesmo emwebcams . 1s c8meras $2; são capazes de captar a emissão de infravermelho que acompanha a emissão

2M ;ESSO O;4 1 *;E DA2S


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Figura 2.8

de calor e, portanto, são capazes de gerar imagens que representam o calor/temperatura de uma cena.As câmeras voltadas para a banda NIR também são usadas em sistemas de visão noturna, porém sãoconsideradas dispositivos passivos.

E istem ainda outros modelos de câmeras especiais, que, através do uso de lentes especiais e/ou do processamento de imagens, permitem também adquirir imagens di!erenciadas. "m e emplo disso sãoas câmeras com visão onidirecional, capazes de ter uma visão em #$%& do ambiente, com o uso deespel'os, lentes especiais ou combinando m(ltiplas imagens. )utro e emplo são as câmeras estéreo,

que, através do uso de algoritmos de processamento de imagens, combinam duas imagens de!asadas*obtendo assim um mapa de disparidade + - , o qual permite estimar a pro!undidade dos elementos dacena. "ma câmera estéreo prov uma imagem em que para cada pixel temos sua luminosidade/cor e asua pro!undidade estimadas. As câmeras estéreo t m atra0do a aten1ão de pesquisadores da 2rea derob3tica pela riqueza de in!orma1ão !ornecida por esse tipo de sensor, muitas vezes con'ecido tambémcomo sensores R4567 *R45 8 #epth , pois capturam uma imagem e um mapa de pro!undidade dacena.

CÂMERAS RGB-D)utro tipo especial de câmera que vem sendo amplamente adotado em aplica19es rob3ticas é o sistemadisponibilizado pelo :inect. ) :inect é um sensor desenvolvido pela empresa ;rime5o , e que permite a obten1ão de dados do tipo R4567. ):inect é constitu0do de um emissor de luz estruturada no comprimento de onda do NIR * Near

n!rared , não sendo portanto vis0vel a ol'o nu. A luz pro?etada pelo :inect !orma um padrão, e éadquirida por um sensor NIR que utiliza uma técnica de processamento de luz estruturada, de modo ae trair a distância dos elementos da cena em rela1ão ao con?unto emissor/sensor. ;ortanto, o :inect

possui um sistema ativo de percep1ão capaz de criar mapas de pro!undidade, possuindo também umacâmera comum do tipo R45 integrada no dispositivo, obtendo assim dados do tipo R4567. A @igura

.B apresenta um e emplo de um sensor :inect acoplado em um robC m3vel para uso em ambientesinternos *é importante destacar que o sensor do :inect so!re inter!er ncia da componente de luzin!ravermel'a do sol, sendo portanto adaptado ao uso em ambientes !ec'ados ou em ambientese ternos no per0odo noturno .

, ,F e sua orienta1ãoem rela1ão aos tr s ei os.

Através do uso de odCmetros é poss0vel estimar as distâncias percorridas e a pose do robC quando

sua pose inicial é con'ecida. Entretanto, o uso de odometria *sensor incremental est2 su?eito a erros, e principalmente su?eito a um erro cumulativo. Em !un1ão disso, outros sensores podem ser usados,como por e emplo a b(ssola *sensor absoluto , que permite obter a orienta1ão do robC sem no entantoestar su?eita a um erro cumulativo. ) 4;< * Global $ositioning System também é um sensor absoluto,

I=;RE


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que, apesar de possuir um erro local (estimativa aproximada da posição), permite estimar com umacerta precisão a localização do robô (latitude, longitude e altitude), não sofrendo do problema deacúmulo do erro com o deslocamento do robô. !"# usualmente informa apenas a localização, emque a orientação $ estimada, ou pela variação da posição do robô, ou atrav$s da integração desse tipode dispositivo ao uso de um magnetômetro digital (bússola). !"# $ usado em ambientes externos,

pois determina a localização atrav$s da triangulação de sinais de sat$lites, e a recepção desse tipo desinais se torna invi%vel em ambientes fec&ados, ou mesmo dentro de túneis ou em %reas com cobertura

vegetal muito densa."or fim, um outro tipo de sensor de movimentação'orientação $ fornecido por acelerômetros e

girosc pios. sse tipo de dispositivo $ similar aos odômetros, pois $ necess%rio acompan&ar amovimentação do dispositivo de modo a integrar a informação de deslocamento'giro e assim obter umaestimativa da pose final. *ssim, esses dispositivos são considerados sensores incrementais, e o erro daestimativa $ portanto cumulativo. *tualmente encontramos no mercado dispositivos integrados, as+ -s (+nertial easurement -nits), que usualmente integram os dados de mais de um tipo de sensor(!"#, bússola, acelerômetro e girosc pio), atrav$s da fusão de sensores, visando assim prover umainformação mais confi%vel da pose do robô (localização e orientação /).

ATUADORES

s robôs inteligentes devem, al$m de poder perceber o ambiente, atuar sobre esse ambiente, ou se0a,devem poder se deslocar, manipular e interagir de algum modo com os elementos presentes noambiente em que estão inseridos. "ara que isso se0a poss1vel, os robôs devem ser dotados demecanismos de atuação (motores) capazes de produzir as aç2es requeridas pelo robô a fim de executaruma determinada tarefa.

s atuadores rob ticos podem ser classificados de diferentes formas, de acordo com diferentescrit$rios como 3 45, 365, 375 e 3859

:ipo de motor9 motores de corrente cont1nua ( #C motors ), motores de passo ( stepper motors ),motores tipo servo ( servo ). ;ada um desses tipos de motores ir% requerer uma forma espec1ficade controle, que, conforme o tipo, pode ser9 da posição angular, da velocidade, do sentido derotação, e mesmo do taman&o do passo. tipo de motor tamb$m deve levar em consideração o

seu modo de operação, como indicado no item seguinte<odo de operação'controle do motor9 mal&a aberta (atuação e posicionamento sem um

!eedbac% , mal&a fec&ada (garante uma adequada atuação e posicionamento), em que o motor possui sensores (angulares e de giro, como, por exemplo, um encoder ), permitindo assim queele atue de forma a alcançar um determinado ponto=alvo ( set point )<

:ipo de atuação9 atuadores de manipulação (braços rob ticos, garras ou mãos), atuadores delocomoção (atuação sobre rodas, esteiras, &$lices etc.), atuadores espec1ficos (bases girat riastipo pan-tilt , atuadores lineares, sistemas de disparo e c&ute etc.)<

:ipo de locomoção9 atuação em rodas, em esteiras, via propulsão (&$lices, turbinas), emarticulaç2es e 0untas (pernas e patas). sses diferentes tipos de locomoção terão um impactosobre a forma de movimentação dos robôs9 robôs que se deslocam como carros, que camin&am,que voam etc.

;onforme citado anteriormente, existem diferentes tipos de motores adotados em sistemasrob ticos, e encontramos na literatura um amplo con0unto de exemplos dos diferentes tipos dessesmotores e de aplicaç2es em diferentes configuraç2es, provendo assim diferentes modos de locomoçãoe atuação (vide, por exemplo, 3 65 > ;ap1tulo 4 , e 3?5 > ;ap1tulo ). * seguir vamos abordar os tr@s

principais tipos de motores adotados em robôs com partes m veis9 servos, motores de correntecont1nua e motores de passo.

s motores do tipo servo permitem usualmente um controle fino de posicionamento, segundo oqual possuem um mecanismo interno que, atrav$s de um controle do tipo "A 3 ?5, permite especificaro Bngulo de posicionamento do eixo do motor. s motores servos são muito usados em dispositivosradiocontrolados (por exemplo aeromodelos) e em partes m veis de robôs, tais como bases do tipo

pan-tilt (ver Cigura 4.D(a) e (b)), acionamento de !laps em avi2es e mesmo para o acionamento degarras e 0untas de alguns tipos de robôs articulados. s servos são muito usados em robôs articulados

+ "E ## " E9 *F/E G-+# ! # # -#* HalgsousaIig.com.brJ. * impressão $ apenas para uso pessoal e privado. Fen&uma parte deste livro pode ser reproduzida outransmitida sem pr$via autorização do ed itor. s violadores serão processados.

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pedagógicos devido a sua simplicidade de uso e programação. Através do uso de sistemasmicrocontrolados, como por exemplo o Arduino [ 10] [11 ], podemos, de modo direto e bastante f cil,controlar esse tipo de dispositivos. ! Arduino possui funç"es internas predefinidas #ue permitem geraro sinal de controle $%&, permitindo assim definir a posição angular de um servomotor, de acordocom as funcionalidades oferecidas por cada tipo espec'fico de motor. !s servos usualmente permitemum posicionamento com uma variação angular entre 0 e 1(0), mas podem ser encontrados no mercadoservos com diferentes configuraç"es e limitaç"es da faixa de variação angular. *xistem também

modelos de servo, denominados servos de rotação cont'nua, em #ue nesse tipo de dispositivo ocontrole $%& usualmente define a velocidade de rotação do motor, em ve+ de seu posicionamentoangular, sendo muito usados em motores de barcos radiocontrolados.

!s motores de corrente cont'nua DC motors - são os mais usados para reali+ar o deslocamento derob s baseados em rodas, ou mesmo baseados no uso de esteiras. /m motor permite o giro nosdois sentidos alterando a polaridade-, bem como o controle de velocidade. *ntretanto, para #ue se a

poss'vel o controle de um motor 2 , é necess rio um hardware espec'fico e o uso de uma ponte 3 H-Bridge - [( ]. $ortanto, não é poss'vel conectar um motor diretamente a um hardware digital

microcontrolador- sem o uso de um controlador espec'fico para esse fim, sob o risco de #ueimar ocircuito. A 4igura 5.6 c- apresenta um exemplo de um controlador de motores 7obote#- adotadoem pro etos de robótica de automação veicular, a exemplo do pro eto a789A [ 15]. *sse controlador,em con unto com motores , foi adotado nesse pro eto para reali+ar tarefas como o giro da barra de

direção do ve'culo usando um motor como apresentado na 4igura 5.6 d- - e para atuar no pedal defreio, através de um atuador linear motor com atuação de movimento linear, ao invés dotradicional movimento rotacional-. !s motores permitem um giro livre nos dois sentidos, e existemdiversos par:metros a serem considerados, em #ue é importante destacar pelo menos tr;s deles< uso demecanismo com caixa engrenagens=redução 9m- do motor. A 4igura 5.6 d- apresenta um exemplo de motor em #ue se percebe #ue na parte superiordo motor est adaptado um mecanismo com um sistema de engrenagens #ue reali+a a redução do giro.*ssa redução ir permitir um controle mais fino do movimento de rotação do motor, usualmente

baixando o giro do motor através de uma relação 9


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Figura 2.9 Exemplo de atuadores. (a) Servomotores para base Pan-Tilt. (b) Encoder , motores e servos. (c)Controlador de motores CC. (d) Motor de corrente contínua com reduç o.

! importante destacar "ue motores CC, ao contr#rio de motores servos ou de passo, n o possuemum mecanismo de posicionamento preciso, ou se$a, de controle preciso do %iro do motor. Para "ue issose$a possível, usualmente & adicionado umencoder (ver exemplo na'i%ura . (b)) acoplado ao eixo domotor. *l%uns motores $# possuem inte%rado umencoder . +o entanto, na maioria dos casos &necess#rio adapt#-lo em uma das extremidades do eixo. *l%uns controladores $# possuem uma entrada para receber o sinal de umencoder , a exemplo do controlador apresentado na'i%ura . (c). *trav&s do feedback ornecido peloencoder , & possível reali ar um controle ino do %iro do motor, usando paraisso um controle em mal a ec ada (por exemplo, um controle P ou P/0) e, assim, obter umdeterminado deslocamento, posicionamento e at& mesmo um 1n%ulo especí ico do %iro do eixo do

motor.2 motor de passo & um tipo de motor "ue possui uma alta precis o em termos do controle de seu%iro, sendo usualmente adotado em dispositivos "ue re"uerem uma maior precis o de movimentos,como por exemplo no controle do cabeçote de impress o de uma impressora ou plotter . 2 motor de passo ('i%ura . (b)) di ere de um motor CC, uma ve "ue permite um controle por pulsos, permitindoum avanço de um passo para a rente ou para tr#s, ao inv&s de um %iro contínuo como o provido pelosmotores CC padr o. 3sualmente, um motor de passo típico pode reali ar um controle de 44 passos por volta, mas, apesar de sua precis o, n o s o muito adotados $unto 5 rob6tica m6vel devido ao seucusto, a limitaç7es de car%a e velocidade e aos re"uisitos dehardware adicional para um ade"uadocontrole de movimento 89:.

2s di erentes tipo de con i%uraç o dos atuadores, para ins de locomoç o e atuaç o, acabamresultando em di erentes tipos de movimento, de inindo assim a cinem#tica do rob; 8ESS2 P2>? *+0>E @3/S A2MES S23S* Bal%sousa i%.com.brD. * impress o & apenas para uso pessoal e privado. +en uma parte deste livro pode ser reprodu ida outransmitida sem pr&via autori aç o do editor. 2s violadores ser o processados.


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um exemplo de um robô holonômico; já um carro autônomo (veículo baseado em uma barra de direçãocom esterçamento do volante) é um exemplo típico de um robô não holonômico.

O uso de duas rodas com motores independentes e opcionalmente mais uma roda livre de apoiode ine um tipo de cinemática pr!prio de movimentação (cinemática com acionamento di erencial)"

podendo permitir inclusive #ue o robô $ire ao redor de sua pr!pria base. O uso de um veículo com umesterçamento da direção $era um outro tipo de movimentação" podendo adotar um modelo decinemática do tipo %c&erman ( Ackerman Steering ). 'm robô com o uso de esteiras irá mudar de

direção através do $iro obtido pelo derrapamento de suas esteiras" de inindo assim uma cinemáticaconhecida como skid steering . inalmente" robôs a#uáticos ou aéreos terão um movimento ortementein luenciado pela sua din mica" devido * maior inércia de seu deslocamento" dado o menor atrito coma super ície de apoio. +ssas #uest,es relacionadas com a cinemática" a din mica e o controle detrajet!rias de robôs m!veis serão mais bem detalhadas no -apítulo .

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1. __________

O receptor pode ser diferente do emissor ou estar localizado próximo a ele.

IMPRESSO POR: A !RE "#IS $OMES SO#SA %al&sousa'i&.com.(r). A impress*o + apenas para uso pessoal e pri,ado. en-uma parte deste li,ro pode ser reproduzida outransmitida sem pr+,ia autoriza *o do ed itor. Os ,ioladores ser*o processados.

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