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ITA – IEE-S

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• Objetivo• Histórico• 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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• 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.

OBJETIVO

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HISTÓRICO

ROMEO I

- plataforma não autônoma;

-programa ROMEO;

-não possuía sensores;

-mapa conhecido.

ROMEO II

-plataforma autônoma;

-programa ROMEO;

-não possuía sensores;

- mapa conhecido.

ROMEO III

-plataforma autônoma;

-programa ROMEO;

-possui sensores;

-mapa conhecido.

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HISTÓRICO• Ambiente conhecido• Células conectadas entre si

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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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• Diagrama de sinais (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 sianl 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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Sentido Direto Sentido Reverso

Código Informação Código Informação

AA valor da velocidade - -

BB valor do tipo do movimento - -

CCvalor do tempo para executar o

movimentoCC

número de pulsos e sentido de rotação dos encoders

DD retornar valores dos encoders 41 fim do movimento

EEzerar contador de pulsos dos

encoders42 colisão detectada

• Protocolo de comunicação – serial padrão RS-232

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• Protocolo de Comunicação – Barramento de Dados

Sentido Direto Sentido Reverso

Código Informação Código Informação

AA valor da velocidade - -

BB início do movimento - -

CC fim do movimento CCnúmero de pulsos e sentido de

rotação dos encoders

DD retornar valores dos encoders 41 -

EEzerar contador de pulsos dos

encoders42 -

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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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• Circuito de PWM realizado via software

B0~B3

A0~A3

Clk Q0

Q1

Q2

Q3

P2.0

P2.1

P2.2

P2.3

A0

A1

A2

A3

B0

B1

B2

B3

Contador4 Bits

P1.0

Comparador4 Bits

A<B

(PWM)

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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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• Níveis de tensão lida nos sensores de infravermelho:– tensão de acoplamento

Sensor L1 L2 L3 L4 L5

Tensão [V] 5,0 0,1 5,0 0,1 5,0 0,1 5,0 0,1 5,0 0,1

Sensor L1 L2 L3 L4 L5

Tensão [V] 4,5 0,1 4,6 0,1 4,4 0,1 4,4 0,1 4,4 0,1

Com barreira física entre o par:

Sem barreira física entre o par:

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– 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.

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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

• 9600 baud rate• sem paridade• 1 stop bit• sem controle de fluxo• simplicidade de implantação• custo elelvado

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• 134 mm x 67 mm x 61 mm (c x l x h)• 1,4 kg

– regulador 7805– corrente máxima consumida : 940 mA

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• 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

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• 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:– 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– 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– correção da orientação da plataforma

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• 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

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• Programa PT1558.a51:– linguagem Assembly– placa C515– monitoração dos sensores de contato– acionamento dos motores DC

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

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• 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

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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 pela

plataforma 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– trajetórias realizadas no teste:

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

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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• 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 1,8 2,0 2,5

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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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Trajetória RealizadaQuantidade

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 %


rotação h de 90 grus 16 4 88,57 gruas 1,43graus 1,59 %

rranslação de 70,71 cm 7 1 56,67 cm 11,04 cm 15,61 %

rotação h de 45 graus 9 4 46,49 graus 1,49 graus 3,31 %

translação de 50 cm 7 2 40,56 cm 9,44 cm 18,88 %






rotação ah de 45 graus 6 3 40,31 graus 4,69 graus 10,42 %


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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

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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

– 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

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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 de saúde 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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