1.19/10/2010 Robs Mveis e Veculos Autnomos: Pesquisa, Desenvolvimento e Desafiosna rea da Inteligncia ArtificialDenis F. Wolf Fernando S. Osrio Kalinka R. J. Castelo BrancoUniversidade de So Paulo USP - ICMCGrupo de Sistemas Embarcados, Evolutivos e Robticos - SEER Laboratrio de Robtica Mvel - LRMINCT Sistemas Embarcados CrticosCLEI 2010#1Laboratrio de Robtica Mvel ICMC/USP Desafios da Inteligncia Artificial: Pesquisa e Desenvolvimento de Robs Mveis e Veculos Autnomos Denis F. WolfFernando S. Osrio Kalinka R. J. CasteloBrancoUniversidade de So Paulo USP - ICMC Grupo de Sistemas Embarcados, Evolutivos e Robticos - SEERLaboratrio de Robtica Mvel - LRM Parte II INCT Sistemas Embarcados Crticos 21

2. 19/10/2010Robtica Mvel Simuladores de Robs Mveis Player/Stage/Gazebo Algoritmos Inteligentes para Robs Mveis Localizao Mapeamento SLAM Navegao CLEI 2010#3 Robtica Mvel - DesenvolvimentoSimulaoTestes em robsTestes em robs de pequeno porte de grande porte2 3. 19/10/2010 Robtica Mvel - DesenvolvimentoSimulao Validao inicial dos algoritmos desenvolvidos utilizando simuladores de robs e sensores. Vantagens: - Possibilidade irrestrita de experimentos - Economia de tempo de desenvolvimento - Evita danos aos robs e sensores Robtica Mvel - Desenvolvimento Testes em robs de pequeno porteValidao do sistema em ambientesreais de escala reduzida.Vantagens:- Ambientes e informaes reais paravalidao dos sistemas desenvolvidos- Facilita a logstica dos experimentos- Diminui a chance de danos aos robs esensores3 4. 19/10/2010 Robtica Mvel - Desenvolvimento Testes em robs de grande porte Validao do sistema em ambientes e situaes reais. Caractersticas: - Ambientes e informaes reais para validao dos sistemas desenvolvidos - Logstica complexa - Possibilidade de danos aos robs e sensores Simuladores de Robs Mveis Carmen Desenvolvido na CMU Simula e controla robs mveis Gratuito e cdigo aberto SO: Linux Aria/Saphira Desenvolvido pela MobileRobots Simula e controla robs Pioneer Exige licena SO: Linux e WindowsCLEI 2010 #8 4 5. 19/10/2010 Simuladores de Robs Mveis Microsoft Robotics Studio Desenvolvido pela Microsoft Simula e controla robs mveis Simulao fsica (3D) 3 tipos de licena SO: Windows Webots Desenvolvido pela Cyberbotics Simula e controla robs mveis Simulao fsica (3D) Exige licena SO: Linux, Windows e Mac.CLEI 2010 #9 Player/Stage/Gazebo Player Sistema para controle de robs mveis Suporta diversos tipos de robs e sensores Stage Simulador de robs mveis e sensores Ambientes bidimensionais Compatvel com Player Gazebo Simulador de alta fidelidade Ambientes em 3 dimenses Compatvel com Player CLEI 2010 # 10 5 6. 19/10/2010 Histria do Player Projeto iniciado em 2000 na University of Southern California. Hoje em dia, seu core bsico continua sendo desenvolvido pelos autores originais, apesar de diversos pesquisadores de diferentes instituies contribuem para o projeto. Atualmente, o Player utilizado por diversas empresas e universidades em 5 continentes. + 3.000 downloads por ms. CLEI 2010 # 11Caractersticas do Player Software livre Modelo Cliente/Servidor Desenvolvido para sistemas Linux/Unix Comunicao baseada em sockets Clientes em: C, C++, Java, Python etc Interface de alto nvel para acesso ao hardware Suporta grande quatidade de plataformas robticas e sensores comerciaisCLEI 2010 # 12 6 7. 19/10/2010Programa de controle A imagem no pode ser exibida. Talv ez o computador no tenha memria suficiente para abrir a imagem ou talv ez ela esteja corrompida. Reinicie o computador e abra o arquiv o nov amente. Se ainda assim aparecer o x v ermelho, poder ser necessrio excluir a imagem e inseri-la nov amente.o rusu od amargorPo rusu od amargorPoiiiirusu od amargorPo rusu od amargorPICParemaCBSU oisiuqA resaL sodad ed serosnes sod l ai r e SranoSotnemajenalP airtemodOsodnamoCso arap serotom o t n e m a c ol s e Do d aj e s e dserotoM l ai r e S subnaCCLEI 2010 # 13Player A imagem no pode ser exibida. Talv ez o computador no tenha memria suficiente para abrir a imagem ou talv ez ela esteja corrompida. Reinicie o computador e abra o arquiv o nov amente. Se ainda assim aparecer o x v ermelho, poder ser necessrio excluir a imagem e inseri-la nov amente.reyalPamargorPICPoiiirusu od o rusu od o rusu odaremaCBSU oisiuqA resaL sodad ed serosnes sod l ai r e SranoSotnemajenalP airtemodOsodnamoCo araprotom o t n e m a c ol s e D o d aj e s e dserotoM l ai r e S subnaCCLEI 2010 # 14 7 8. 19/10/2010Abstrao de hardwareA imagem no pode ser exibida. Talv ez o computadorno tenha memria suficiente para abrir a imagem outalv ez ela esteja corrompida. Reinicie o computador eabra o arquiv o nov amente. Se ainda assim aparecer o xv ermelho, poder ser necessrio excluir a imagem einseri-la nov amente.acetoilbiB erawdraH rod vreSrod vreSrodiiiivreSrod vreSod etneilC boR oD reyalP reya PreyallllPreya Preya P ++C/C rodalumiSrodivreS #C amargorP egatS reya P reyallllP reya P reya P avaJoirusu od lcT nohtyPybuRpsiL rodalumiS evatcOobezaGrod vreSrod vreSrodiiiivreSrod vreS reyalP CLEI 2010 # 15 Modelo Cliente/Servidor Clientes podem se conectar a mltiplos servidores Servidores aceitam conexo de mltiplos clientes Operao remota 8 9. 19/10/2010Modelo Cliente/Servidor Clientes podem se conectar a mltiplos servidores Servidores aceitam conexo de mltiplos clientes Operao remotaModelo Cliente/Servidor Clientes podem se conectar a mltiplos servidores Servidores aceitam conexo de mltiplos clientes Operao remota9 10. 19/10/2010 Gazebo - Simulao 3D Rob Pioneer 3 AT Gazebo - Simulao 3DVeculo de testes 10 11. 19/10/2010Gazebo - Simulao 3D Veculo e ambiente de testesRobtica Mvel Simuladores de Robs Mveis Player/Stage/Gazebo Sistemas Robticos Mveis Inteligentes Localizao Mapeamento SLAM Navegao CLEI 2010# 22 11 12. 19/10/2010 Robs Mveis - Caractersticas Um rob mvel uma mquina capaz de extrair informao do ambiente e usar seu conhecimento sobre o mesmo para se locomover com um propsito definido. Ronald Arkin Principais caractersticas: Mobilidade Capacidade de percepo Autonomia IntelignciaCLEI 2010# 23Robs Mveis - Aplicaes Guia de museu Mapeamento de minas Verificao da qualidade da guaNavegao autnoma CLEI 2010# 24 12 13. 19/10/2010Problemas Sensores so limitados e imprecisos. Atuadores so limitados e imprecisos. O ambiente e o estado interno do rob so parcialmente observveis. Ambientes reais so dinmicos e imprevisveis.CLEI 2010 # 25Modelo Bsico CLEI 2010 # 2613 14. 19/10/2010 Robtica Mvel Simuladores de Robs Mveis Player/Stage/Gazebo Sistemas Robticos Mveis Inteligentes Localizao Mapeamento SLAM Navegao CLEI 2010# 27LocalizaoEstimar a posio do rob em um ambiente Destino previamente conhecido, utilizando informaes obtidas por sensores. ???CLEI 2010# 28 14 15. 19/10/2010Robs Mveis - Aplicaes Guia de museu Mapeamento de minas Verificao da qualidade da gua Navegao autnoma CLEI 2010# 29 Localizao - Problemas Efeito da impreciso das informaes dos sensores:Trajeto real Odometria CLEI 2010# 30 15 16. 19/10/2010 Localizao - Problemas Efeito da impreciso das informaes dos sensores:++++++ GPS--------- OdometriaCLEI 2010# 31 Localizao Tipos de problemasTracking Posio inicial conhecida Busca local (correo de odometria) Localizao global Posio inicial no conhecida Busca globalCLEI 2010# 32 16 17. 19/10/2010Localizao - SoluesFramework bsico: Filtro de BayesRepresentao da posio do rob Distribuio Normal (Filtro de Kalman) Malha de clulas (Grid / Markov) Partculas/Amostras (Monte Carlo)CLEI 2010# 33 Filtro de Bayes Nova ObservaoDeslocamento Estimativa estimativa (diminuiodo robanteriorde incerteza) (aumento de incerteza)CLEI 2010# 34 17 18. 19/10/2010Filtro de Kalman Uma das primeiras implementaes prticas dofiltro de Bayes (1960). Hipteses para utilizao do filtro: Erro mdio de cada varivel igual a zero; Erro independente para cada varivel; Modelo linear de evoluo do sistema; Relacionamento linear entre variveis de estado evariveis medidas. Se as hipteses acima no forem cumpridas, aoptimalidade no assegurada.CLEI 2010# 35Filtro de Kalman Algoritmo filtro de Kalman( t-1, t-1, ut, zt): Predio: 1. t = At t 1 + Bt ut 2. t = At t 1 AtT + RtCorreo: 1 1. K t = t Ct (Ct t Ct + Qt ) TT 2. t = t + K t ( zt Ct t ) 3. t = ( I K t Ct ) t 4. Return t, tCLEI 2010# 36 18 19. 19/10/2010 Localizao Filtro de Kalman (EKF) Atuao (movimento do rob): aumento de incertezaPercepo (sensores):diminuio da incertezaCLEI 2010# 37Localizao - Filtro de KalmanCLEI 2010# 38 19 20. 19/10/2010Filtro de Kalman - Avaliao No timo. Pode divergir de acordo a no-linearidade. Altamente Eficiente: complexidade polinomial com as dimenses de medio k e de estado n: O(k2.376 + n2 ) Funciona surpreendentemente bem, mesmo quando as suposies bsicas so violadas! Adequado para tracking (busca local) CLEI 2010 # 39Localizao Malha de clulas Atuao (movimento do rob): aumento de incertezaPercepo (sensores): diminuio da incerteza CLEI 2010 # 4020 21. 19/10/2010 Localizao Malha de clulas Posio do rob: ( x, y, ) CLEI 2010 # 41Localizao - Exemplo CLEI 2010 # 4221 22. 19/10/2010Malha de Clulas - Avaliao Possibilita localizao global. Preciso depende das dimenses das clulas Altssima demanda computacionalCLEI 2010# 43 Localizao Partculas (Monte Carlo) Cada partcula representa a possibilidade do robestar naquela posio especifica. atribudo um peso a cada partcula proporcional asua chance de representar a posio do rob. Partculas com peso baixo so excludas. Dado nmero suficiente de partculas, provado queo mtodo converge.CLEI 2010# 44 22 23. 19/10/2010Filtro de Partculas CLEI 2010 # 45 Propagao das Partculas CLEI 2010 # 4623 24. 19/10/2010 Filtro de Partculas - ExemploCLEI 2010# 47 Filtro de Partculas - SimulaoCLEI 2010# 48 24 25. 19/10/2010Filtro de PartculasAlgoritmo bastante eficiente computacionalmente Possibilita localizao global Implementao relativamente simplesCLEI 2010# 49Robtica Mvel Simuladores de Robs Mveis Player/Stage/Gazebo Sistemas Robticos Mveis Inteligentes Localizao Mapeamento SLAM Navegao CLEI 2010# 50 25 26. 19/10/2010Mapeamento Criar um modelo do ambiente a partir da localizao do rob e das informaes obtidas por sensores. CLEI 2010 # 51 Tipos de Mapas Mapas mtricos: representam propriedades geomtricas do ambiente de forma quantitativa. Mapas topolgicos: representam a conectividade entre determinados locais do ambiente. Normalmente so utilizados grafos nessa representao. CLEI 2010 # 5226 27. 19/10/2010 Mapeamento Mtrico Grade de ocupao Dividir o espao em clulas e estimar aprobabilidade de ocupao de cada clulaindividualmente baseado na informao obtidapelos sensores. Ao final, cada clula classificada comoocupada, livre ouindefinido. CLEI 2010 # 53Grade de Ocupao Mapa: occupancy grid CLEI 2010 # 5427 28. 19/10/2010 Grade de OcupaoCLEI 2010# 55 Mapa baseado somente na odometriaCLEI 2010# 56 28 29. 19/10/2010Robtica Mvel Simuladores de Robs Mveis Player/Stage/Gazebo Sistemas Robticos Mveis Inteligentes Localizao Mapeamento SLAM NavegaoCLEI 2010 # 57 Localizao e Mapeamento SimultneosO SLAM um dos maiores desafiosda robtica mvel.Dados: Deslocamento do rob Informaes obtidas pelos sensoresDeve-se estimar: O mapa do ambiente A localizao/trajetria do robCLEI 2010 # 5829 30. 19/10/2010SLAM Summer School CLEI 2010 # 59 SLAM Associao de DadosIncerteza na localizao propogada no mapaCLEI 2010 # 6030 31. 19/10/2010 SLAM - IncertezaRobot poseuncertaintyErros na associao de referncias no mapa so catastrficos.CLEI 2010 # 61 Mapeamento e Localizao CLEI 2010 # 6231 32. 19/10/2010 Mapeamento e LocalizaoCLEI 2010# 63SLAM Filtro de Kalman Consiste em estimar a posio do rob e dos landmarks com o filtro de Kalman. As posio do rob e dos landmarks so correlacionadas atravs da matriz de covarinciaCLEI 2010# 64 32 33. 19/10/2010 SLAM Filtro de Kalman CLEI 2010 # 65 SLAM EKF - Complexidade x xxyxxlxlxl 2L 12N y xy y yylylyl2L 12N y2llL l x 12N Bel xt , mt ) =( l1 , xl1 ylll2l l L l l l 111 121N 2 xl2 yl2 l2l l12 l22L l l 2N M MMMMM OM lN xlN yl l l l l l NN 1N 2NL l2 N Um mapa com N landmarks estimar 2N+3 variveis e ter uma matriz de covarincia de 2N+3 x 2N+3 elementos. CLEI 2010 # 6633 34. 19/10/2010 FastSLAMIdia bsica: utilizar um filtro de partculas paraestimar a posio do rob e o mapa do ambiente.Vantagens: Modelos de percepo e controle no-lineares Permite diferentes associaes de dados em paralelo Estima toda a trajetria do rob on-line Desvantagem:Nmero de partculas necessrio cresce exponencialmentecom o nmero de variveis.CLEI 2010 # 67 FastSLAM3 particulas mapa da particule 1mapa da particula 3mapa da particula 2CLEI 2010 # 6834 35. 19/10/2010FastSLAM CLEI 2010 # 69 FastSLAM - Resultados FastSLAMOdometria CLEI 2010 # 7035 36. 19/10/2010 SLAM - MultirrobPosio inicial desconhecida.CLEI 2010# 71 Localizao e Mapeamento Rob Guia de MuseuCLEI 2010# 72 36 37. 19/10/2010Localizao e Mapeamento em Ambientes Urbanos Problemas: Complexidade Escala Irregularidade do terreno Difcil representao CLEI 2010 # 73 Plataforma Experimental CLEI 2010 # 7437 38. 19/10/2010 Localizao Monte CarloSoluo: Grande nmero de partculas Criao de reas semi-ocupadas. Obteno de pitch e roll por uma unidade de medida inercial Depois de localizar o rob, estima-se a trajetria utilizando o filtro de partculas no sentido contrrio.CLEI 2010# 75 Localizao Monte CarloCLEI 2010# 76 38 39. 19/10/2010Localizao - Resultados CLEI 2010 # 77 Localizao Filtro de Partculas e GPS Cada partcula representa uma possvel trajetria completa do rob atribudo um peso a cada partcula de acordo com sua proximidade do GPS. Partculas que divergem do GPS recebem peso baixo e so eliminadas.Pontos do GPSpartculas CLEI 2010 # 7839 40. 19/10/2010 Mapeamento - Resultados CLEI 2010 # 79 Mapeamento - Resultados CLEI 2010 # 8040 41. 19/10/2010Mapeamento - ResultadosParte do campus da USCCLEI 2010# 81 Mapeamento Aquisio de dadosCLEI 2010# 82 41 42. 19/10/2010CLEI 2010# 83 Outras Representaes para Mapas 3DCLEI 2010# 84 42 43. 19/10/2010Mapas 3DCLEI 2010# 85Robtica Mvel Simuladores de Robs Mveis Player/Stage/Gazebo Sistemas Robticos Mveis Inteligentes Localizao Mapeamento SLAM Navegao CLEI 2010# 86 43 44. 19/10/2010 Planejamento de Trajetria A*: mapas mtricos (grid) Planejamento de Trajetria Dijkstra: mapas mtricos/topolgicos (grafos)44 45. 19/10/2010 Campos Potencias CLEI 2010 # 89 Desvio de obstculosVector Field Histogram45 46. 19/10/2010 Desvio de obstculos Vector Field HistogramContinuamos Amanh... Veculos Autnomos Inteligentes CLEI 2010 # 9246 47. 19/10/2010 OBRIGADO!Laboratrio de Robtica Mvelwww.lrm.icmc.usp.brDenis Fernando Wolf denis@icmc.usp.br Fernando Santos Osrio - fosorio@icmc.usp.br Kalinka R. J. C. Branko - kalinka@icmc.usp.brCLEI 2010 # 9347