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Tutorial CLEI 2010 - Assuncion - Paraguay Outubro 2010 LRM - ICMC - USP São Carlos INCT-SEC Titulo: "Robôs Móveis e Veículos Autônomos: Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios na área da Inteligência Artificial"
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18/10/2010
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CLEI 2010# 1
Robôs Móveis e Veículos Autônomos: Robôs Móveis e Veículos Autônomos:
Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios
na área da Inteligência Artificialna área da Inteligência Artificial
Denis F. Wolf Fernando S. Osório Kalinka R. J. Castelo Branco
Universidade de São Paulo – USP - ICMCGrupo de Sistemas Embarcados, Evolutivos e Robóticos - SEER
Laboratório de Robótica Móvel - LRMINCT – Sistemas Embarcados Críticos
CLEI 2010# 2
Denis F. Wolf Fernando S. Osório Kalinka R. J. Castelo Branco
Universidade de São Paulo – USP - ICMCGrupo de Sistemas Embarcados, Evolutivos e Robóticos - SEER
Laboratório de Robótica Móvel - LRMINCT – Sistemas Embarcados Críticos
Laboratório de Robótica Móvel – ICMC/USP
Robôs Móveis e Veículos Autônomos: Robôs Móveis e Veículos Autônomos:
Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios
na área da Inteligência Artificialna área da Inteligência Artificial
18/10/2010
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CLEI 2010# 3
Robôs Móveis e Veículos Autônomos:Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios na área da I.A.
• Parte I: Lunes 18, 9 a.m.
Introdução à Robótica Móvel Inteligente
História, Evolução, Sensores e Atuadores, Arquit. de Controle
• Parte II: Lunes 18, 11 a.m.
Técnicas e Algoritmos aplicados em Robôs Inteligentes
Localização, Mapeamento, Navegação e Controle
• Parte III: Martes 19, 9 a.m.
Desenvolvimento de Projetos de Robótica Inteligente
• Parte IV: Martes 19, 11 a.m.
Apresentação de Aplicações de Robótica Inteligente
CLEI 2010# 4
Introdução à Robótica Móvel Inteligente Fundamentos de Robótica Móvel
• Introdução à Robótica:
Robôs Manipuladores e Robôs Móveis
• Elementos dos Robôs Móveis
Sensores, Atuadores, Comportamento e Controle
• Arquiteturas de Controle
Arquiteturas Reativa, Deliberativa, Hierárquica e Híbrida
• Modelos de Simulação
Sensores, Atuadores, Cinemática e Comportamento
• Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas: OpenGL, SDL, ODE, OSG, GALib, SNNS, Weka...
PARTE IPARTE I
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CLEI 2010# 5
Introdução a Robótica
• Robôs: O Início... RUR (Rossum's Universal Robots)
Ficção Científica
CLEI 2010# 6
Introdução a Robótica
• Robôs Manipuladores de Base Fixa:
Braços Manipuladores – Aplicações Industriais
Robôs SoldadoresRobôs de PinturaExemplos: PUMA, KUKA, CanadaARM
Robix
18/10/2010
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CLEI 2010# 7
Introdução a Robótica
• Robôs Manipuladores de Base Fixa:
Braços Manipuladores – Aplicações Industriais
Tic-Tac-Toe
Scripts deControle do Braço Robótico
CLEI 2010# 8
Introdução a Robótica
• Robôs Manipuladores de Base Fixa:
Braços Manipuladores – Tele-Operados
Justin (Nasa)“copiando movimentos”
Não é tão fácil como parece:-Visão 3D (profundidade)- Tato (feed-back / “haptic”)
Robonaut / Justin Nasa
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CLEI 2010# 9
Introdução a Robótica
• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente
* Robôs Móveis Tele-Operados, Guiados por Marcações (AGV)
* Robôs Móveis Semi-Autônomos
1912 - Electric Dog: http://davidbuckley.net/DB/HistoryMakers.htm
Mars RoversAGV – Automated Guided VehiclesRobôs Submarinos
CLEI 2010# 10
Introdução a Robótica
• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente
* Robôs Móveis Tele-Operados
1997 Mars Rover:
Soujourner / PathFinder
Ooops!!!
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CLEI 2010# 11
Introdução a Robótica
• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente
* Robôs Móveis Tele-Operados
Data Glove – Redes Neural Artificial para Reconhecer GestosControle Remoto do Veículo (apenas comandos)
CLEI 2010# 12
Introdução a Robótica• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente
Em busca do desenvolvimento de Robôs Móveis Autônomos e Inteligentes
History: http://davidbuckley.net/DB/HistoryMakers.htm
Nova Geração: Pioneer, iRobot Roomba, Boston Dynamics Big Dog, Sony Aibo, Honda Asimo, Aldebaran NÃO
Asimo - Blooper
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CLEI 2010# 13
Introdução a Robótica• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente
Em busca do desenvolvimento de Robôs Móveis Autônomos e Inteligentes
Darpa Grand Challenge
Robot Nao from Aldebaran
Darpa Urban Challenge
Nao
CLEI 2010# 14
Robôs MóveisScientific American - January 2007
A Robot in Every HomeThe leader of the PC revolution predicts that the next hot field will be roboticsBy Bill Gates
Imagine being present at the birth of a new industry. It is an industry based on groundbreaking new technologies, wherein a handful of well-established corporations sell highly specialized devices for business use and a fast-growing number of start-up companies produce innovative toys, gadgets for hobbyists and other interesting niche products. But it is also a highly fragmented industry with few common standards or platforms. Projects are complex, progress is slow, and practical applications are relatively rare. In fact, for all the excitement and promise, no one can say with any certainty when--or even if--this industry will achieve critical mass. If it does, though, it may well change the world.
Of course, the paragraph above could be a description of the computer industry during the mid-1970s, around the time that Paul Allen and I launched Microsoft.
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CLEI 2010# 15
Elementos dos Robôs Móveis• Robô Móvel: Agente capaz de PERCEBER o ambiente e
AGIR sobre este ambiente
Percepção: Sensores
Ação: Atuadores
Agente: Comportamento
DecisãoControle
CLEI 2010# 16
• Robô Móvel: Agente capaz de PERCEBER o ambiente e
AGIR sobre este ambiente
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
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CLEI 2010# 17
Tipos de SensoresSensor do Tipo Bumper (Sensor de Contato / “Pára-choque”)
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
CLEI 2010# 18
Tipos de SensoresSensor do Tipo Bumper (Sensor de Contato / “Pára-choque”)
Whiskers: “Bigodes de Gato”
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
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CLEI 2010# 19
Tipos de SensoresSensores do tipo Encoder/Odômetro
Encoder
Encoder: Controle do giro da roda
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
CLEI 2010# 20
Tipos de SensoresSensores do tipo Encoder/Odômetro
Encoder: Controle do giro da roda
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
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CLEI 2010# 21
Tipos de SensoresSensores Infra-Vermelho (IR)
•Características dos Sensores Infra-Vermelho do Khepera:
Sensibilidade a luz ambiente/ Reflexão da Luz
Distância: 50 a 500mm (aproximadamente)
Valor lido: 0..450 (aproximadamente)
Dependente de: Potência = 1 Watt
Ângulo = -180 a +240 graus
IR
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Khepera
CLEI 2010# 22
Tipos de SensoresSensores Ultra-Som (Sonar)
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
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CLEI 2010# 23
Tipos de SensoresSensores LASER (Lidar - Light Detection and Ranging)
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Wikipedia: Lidar
CLEI 2010# 24
Tipos de SensoresSensores LASER (Lidar)
SICKIBEOVELODYNE
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
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CLEI 2010# 25
Sensores: Laser SICK, GPS, Câmera de Vídeo Adicional: Bússola, IMU (Inercial)
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Tipos de SensoresSensores LASER (Lidar) + GPS + Câmera
Veículo equipado com Laser SICK LMS2xx Resolução: ~10 mmDistância Máxima: 80 mts - Varredura: 180º de 0.5 em 0.5 graus
Sw-Demo
Projeto Sena
CLEI 2010# 26
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Tipos de SensoresSensores LASER (Lidar) – Hokyuo + Base Giratória
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CLEI 2010# 27
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Tipos de SensoresSensores LASER (Lidar) – Hokyuo + Base Giratória
Modelo VRML 3D criado usando Laser Hokuyo
CLEI 2010# 28
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Tipos de Sensores: Sensores usados no LRM
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CLEI 2010# 29
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Tipos de Sensores: Câmera Estéreo
Videri STOC (Stereo-on-a-Chip) Video Camera :Fornece o mapa de disparidade (depth field)
CLEI 2010# 30
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Tipos de Sensores: Camera Termal (PathFindIR Flir)
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CLEI 2010# 31
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Tipos de Sensores: Veículos do LRM Instrumentados com Sensores
Sensores:Laser Sick (x2), Câmera Vídeo, Câmera Termal, Câmera Estéreo, GPS, Bússola,
Encoders (roda e barra da direção), Acelerômetro (Unidade Inercial - IMU)
http://www.lrm.icmc.usp.br/
CLEI 2010# 32
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Tipos de Sensores: Veículo Instrumentado com Sensores
http://www.autonomos-labs.com/
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CLEI 2010# 33
Tipos de AtuadoresAtuadores mais comuns...
• Servo Motor
• Motor DC
• Motor de Passo (Step-Motor) Servomotor
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
CLEI 2010# 34
Tipos de Atuadores: Veículo Elétrico Autônomo (LRM-ICMC)
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
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CLEI 2010# 35
Tipos de AtuadoresAtuadores mais comuns...
• Servo Motor
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Arduino Uno (Atmega328) ~ US$25,- a US$30,- + Servo Motor ~ US$10,-
CLEI 2010# 36
Tipos de AtuadoresAtuadores mais comuns...
• Motor DC
Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores
Roboteq + Encoder + Motor DC Bosh
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CLEI 2010# 37
Tipos de AtuadoresAtuadores
•Aceleração
• Limite de Velocidade
• Inércia
ACIONAMENTO
•AC/DC Servo Motors
• Step Motors
MALHA DE CONTROLE
• Open Loop
• Closed Loop: P, PI, PID
SET POINT
Elementos dos Robôs MóveisAção:
Atuadores
CLEI 2010# 38
Tipos de AtuadoresAtuadores: Robôs Móveis
C0
C1
C2 C3
C4
C5
C7 C6
M1 M2
θ
X
Y
φ
Elementos dos Robôs MóveisAção:
Atuadores
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CLEI 2010# 39
Tipos de AtuadoresAtuadores: Veículo Autônomo do LRM / INCT-SEC
Elementos dos Robôs MóveisAção:
Atuadores
Controle de Direção:
Roboteq + Bosh DC Motor
Controle de Aceleração:
Arduino – Controle de um
Potenciômetro
Controle de
Parada:
Emergency Stop
CLEI 2010# 40
Comportamentos: Controle de Robôs
Arquiteturas de Controle
Robôs Móveis: Agentes Autônomos dotados de SENSORES e ATUADORES
Integração Sensorial-Motora
Como Agir?
Como Interpretar as Percepções?
Como Tomar Decisões?
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CLEI 2010# 41
Arquitetura REATIVA [Pura]
Arquiteturas de Controle
Reativo:Reativo: Percepção => Ação
- Reage diretamente aos estímulos externos;
- Esquema sensorio-motor;
Comportamentos Típicos: Reactive Behaviour
- Vagar pelo ambiente, evitando colisões e obstáculos;
- Acompanhar uma parede ou corredor;
- Comportamento direcionado pela luz;
- Ir em direção a uma determinada orientação
Composição de Comportamentos: Direção x Obstáculo
CLEI 2010# 42
Simulador do Khepera / SIM 2.0 Unix / Olivier Mitchell / INRIA Sophia Antipolis
1997/98Sensores: 8 IR / Atuadores: 2 motores com cinemática diferencial
Arquitetura REATIVA [Pura]
Arquiteturas de Controle
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CLEI 2010# 43
• Reativo: Integração Sensorial-Motora
IF S1 < Limite andS2 < Limite andS3 < Limite andS4 < Limite
THEN Action (Go_Forward)
IF S1 < Limite andS2 < Limite andS3 > Limite andS4 > Limite
THEN Action(Turn_Left)
IF S2 > Limite andS3 > Limite andS2 > S3 andS1 > S4
THEN Action(Turn_Right)
Controle Reativo
Evitar colisões e obstáculos Sensorial-Motor: Sentir => Agir
S0
S1
S2 S3
S4
S5
S7 S6
M1 M2
Arquitetura REATIVA [Pura]
Arquiteturas de Controle
CLEI 2010# 44
Simulador do Khepera Robô Khepera
> 2 DC brushed servo motors with incremental encoders> 8 infrared proximity and ambient light sensors (SFH900)
Arquitetura de Controle: Reativo
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CLEI 2010# 45
Arquitetura de Controle: Reativo
Navegação: Direcionamento + Desvio de Obstáculos
Simulador Robombeiros:Http://pessin.googlepages.com
Desvio
Simulador Robombeiros
CLEI 2010# 46
Arquitetura de Controle: Reativo
Aplicações práticas comerciais:
Reativo
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CLEI 2010# 47
Arquitetura DELIBERATIVA [Pura]
Arquiteturas de Controle
Deliberativo:Deliberativo: Planejamento => Seqüência de Ações
- Possui conhecimento sobre a situação do robô e do ambiente;
- Usualmente baseado no uso de mapas e planejamento de trajetórias.
Comportamentos Típicos: Deliberative Behaviour
- Execução de scripts de ações planejadas previamente;
- Executar uma seqüência de ações previamente determinada;
- Seguir trajetórias especificadas com uso de mapas;
- Execução de Tarefas de Alto Nível;
CLEI 2010# 48
Arquitetura DELIBERATIVA [Pura]
Arquiteturas de Controle
SIMROB2D - Referência: Farlei Heinen (Orientador: Fernando Osório )Robótica Autônoma: A integração entre planificação e comportamento reativo. 2000.
Robô tipo Khepera: Sensores: 5 IR / Atuadores: 2 motores (diferencial)
SIMROB2DDeliberativo
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CLEI 2010# 49
Arquiteturas de Controle
# 49
CSBC 2009 - JAI
Arquiteturas
CONTROLECONTROLE: : ArquiteturasArquiteturas ReativasReativas
Solução?
Buscar aproveitar o que de melhor tem cadauma das duas abordagens...
ARQUITETURA HIERÁRQUICAARQUITETURA HÍBRIDA
CONTROLECONTROLE: : ArquiteturasArquiteturas DeliberativasDeliberativas
Ambas possuem Ambas possuem problemas e limitações!problemas e limitações!Abordagens “puras”
CLEI 2010# 50
Controle Hierárquico
Hierarquia de Comportamentos:
- Evitar/Desviar de obstáculos- Seguir em uma determinada direção- Seguir uma determinada rota
Arquiteturas de Controle
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CLEI 2010# 51
Controle Hierárquico: Vertical
Brooks - Arquitetura Subsumption
Figure From:
Brooks, R. A.MIT A.I. Memo 864Sept. 1985
Arquiteturas de Controle
CLEI 2010# 52
Controle Hierárquico: Horizontal
Arquiteturas Hierárquicas
SMPA“Sense” – “Model” - “Plan” - “Act”
Arquiteturas de Controle
SMPA: Decomposição tradicional do sistema de controle de um robô móvel em módulos funcionais
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CLEI 2010# 53
Arquiteturas HíbridasArquiteturas Híbridas
Controle Híbrido: Arquitetura com Estados Internos (Autômato)
Arquiteturas de Controle
Percepção+
Mapas+
Estado Interno
CLEI 2010# 54
Controle Híbrido Robusto Controle Híbrido Robusto –– COHBRA / SimRob3DCOHBRA / SimRob3D
Arquiteturas de Controle
Controle
HíbridoArquiteturaCOHBRA
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CLEI 2010# 55
Controle Híbrido Robusto Controle Híbrido Robusto
COHBRA / SimRob3DCOHBRA / SimRob3D
Arquiteturas de Controle
Arquitetura COHBRACOntrole HíBrido de Robôs Autônomos
CLEI 2010# 56
Controle Híbrido Robusto Controle Híbrido Robusto –– COHBRA / SimRob3DCOHBRA / SimRob3D
Arquiteturas de Controle
Controle Híbrido – TAREFAS:
- Localização: MCL (Monte-Carlo Localization)
- Planejamento de Trajetórias: A* (A Star)
- Controle e Navegação: Campos Potenciais
- Uso de Mapas do Ambiente:
� Mapa de Ocupação (Grid)
� Mapa Geométrico (Poligonal)
� Mapa de Conectividade (Topológico)
- Alteração dos Mapas:
� Inclusão de Obstáculos (Construçaõ de Mapas)
� Exclusão de Obstáculos (Adaptação de Mapas)
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CLEI 2010# 57
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Sensores
- Infra-Vermelho
- Sonar
- Laser
- GPS
- Odômetro
- Vídeo
SimRob2D
CLEI 2010# 58
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Sensores
- Infra-Vermelho
- Sonar
- Laser
- GPS
- Odômetro
- Vídeo
SimRob3D
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CLEI 2010# 59
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Sensores
- Infra-Vermelho
- Sonar
- Laser
- GPS
- Odômetro
- Vídeo
Robombeiros
CLEI 2010# 60
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Sensores
- Infra-Vermelho
- Sonar
- Laser
- GPS
- Odômetro
- Vídeo
Player-Stage- Gazebo
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CLEI 2010# 61
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Atuadores
- Rodas
- Esteiras
- Pernas/Patas
θ
X
Y
φ
C0
C1
C2 C3
C4
C5
C7 C6
M1 M2
Diferencial
Ackerman
Cinemática do Robô
Kinematics
CLEI 2010# 62
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Atuadores
- Rodas
- Esteiras
- Pernas/Patas
Cinemática do Robô
Dinâmica do Robô
FlipRobombeiros
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CLEI 2010# 63
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Atuadores
- Rodas
- Esteiras
- Pernas/Patas
Cinemática do Robô
Dinâmica do Robô
Dog
LegGen
NateW - Juice
CLEI 2010# 64
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas:
OpenGL
SDL
ODE
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
Visualização 2D e 3D
Simulação Sensores/Atuadores
Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
Seva3D
18/10/2010
33
CLEI 2010# 65
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas:
OpenGL
SDL
ODE
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
Visualização 2D e 3D
Simulação Sensores/Atuadores
Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
ODEOpen Dynamics Engine
Rigid Body Physics Simulation:Gravity, inertia, friction, collision, joints, actuators, etc
http://www.ode.org/ Physics Engine
ODE
CLEI 2010# 66
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas:
OpenGL
SDL
ODE
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
Visualização 2D e 3D
Simulação Sensores/Atuadores
Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
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34
CLEI 2010# 67
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas:
OpenGL
SDL
ODE
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
Visualização 2D e 3D
Simulação Sensores/Atuadores
Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
LegGen
CLEI 2010# 68
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas:
OpenGL
SDL
ODE
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
Visualização 2D e 3D
Simulação Sensores/Atuadores
Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
Hoap
18/10/2010
35
CLEI 2010# 69
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas:
OpenGL
SDL
ODE
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
Visualização 2D e 3D
Simulação Sensores/Atuadores
Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
Simulated Car Racing
The simulated car racing competition of CIG-2009 is the final event of the 2009 Simulated Car Racing Championship, an event joining the three competitions held at CEC-2009, GECCO-2009, and CIG-2009.
http://www.ieee-cig.org/ Competitions
CLEI 2010# 70
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas:
OpenGL
SDL
ODE
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
TORCS:The Open Racing Car Simulatorhttp://torcs.sourceforge.net/
18/10/2010
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CLEI 2010# 71
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas:
OpenGL
SDL
ODE
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
Simulação:
Sem Limites!
Claytronics – http://www.cs.cmu.edu/~claytronics/
CLEI 2010# 72
OBRIGADO!
Laboratório de Robótica Móvel
www.lrm.icmc.usp.br
Denis Fernando Wolf – [email protected] Santos Osório - [email protected] R. J. C. Branko - [email protected]