PROTÓTIPO DE UM ROBÔ LOCALIZADOR DE SERES HUMANOS

Agnaldo Cesar Coelho∗

aguicoelho@gmail.comAndré Luiz Constantino Botta∗

alcbotta@gmail.com

Bianca Alessandra Visineski Alberton∗

bi.alberton@gmail.comRichard Cleverton Wagner∗richard.c.wgner@gmail.com

∗Bacharelado em Engenharia de ComputaçãoDepartamento Acadêmico de Informática

Universidade Tecnológica Federal do ParanáAv. 7 de setembro, 3165Curitiba, Paraná, Brasil

ABSTRACT

In this article, we describe the development of an au-tonomous mobile robot prototype capable of identifyingsources of heat, more specifically humans, in environmentswith low or no light. We used a sonar to avoid collisionsand a pyroelectric sensor to detect the presence of people.After finding the target location, the prototype approachesuntil a minimum distance, previously defined as 25 cm, andthen beep to indicate the goal achievement. The prototype, aswell as the corresponding control software, yielded promis-ing results, where it was possible to successfully differentiatebetween people and inanimate objects.

KEYWORDS: Robot, Arduino, Pyroelectric Sensor, Sonar,Finder.

RESUMO

Este artigo trata do desenvolvimento de um protótipo de robômóvel autônomo capaz de identificar fontes de calor, em es-pecial seres humanos, em ambientes que apresentem poucaou nenhuma luminosidade. Com o objetivo de evitar colisõesé utilizado um sonar e para detectar a presença de pessoas, éutilizado um sensor piroelétrico. Após a detecção do indiví-duo, o protótipo se aproxima dele até atingir uma distânciamínima, previamente definida como 25 cm, para então emi-tir um aviso sonoro indicando a conclusão de sua meta. Oresultado obtido foi um software de controle e um protótipo

promissores, uma vez que este é capaz de diferenciar objetosinanimados de pessoas e concluir o seu objetivo.

PALAVRAS-CHAVE: Robô, Arduino, Sensor Piroelétrico,Sonar, Localizador.

1 INTRODUÇÃO

Robótica é uma área multidisciplinar da ciência que tratade sistemas compostos por partes mecânicas e controladospor circuitos eletrônicos que operam segundo um algoritmo(Siegwart and Nourbakhsh, 2004). Os robôs que possuema capacidade de locomoção, apresentam diversas funcionali-dades que podem ser exploradas em problemas específicos,tais como a exploração de ambientes inóspitos, a inspeção deáreas de risco (áreas vulcânicas, minas abandonadas, etc.) eaté mesmo no auxílio ao resgate de pessoas feridas (Siegwartand Nourbakhsh, 2004).

Em ambientes inóspitos, principal foco de aplicação do pro-tótipo proposto neste trabalho, onde há risco à vida para equi-pes de salvamento, o uso de robôs autônomos pode fazer adiferença entre a vida e a morte de uma vítima. Um exemplorecente disso foi o terremoto que ocorreu no Japão em marçode 2011: além dos danos causados pelo terremoto, houve umtsunami que ocasionou danos em uma usina nuclear, espa-lhando espalhando radiação em seu entorno. Neste contexto,a dificuldade de atuação das equipes de salvamento se tornouainda maior pois, além dos equipamentos habituais para res-

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gate em locais cheios de destroços, ainda era necessário umaroupa especial que os protegesse da radiação.

Este projeto teve o intuito de viabilizar um mecanismo, naforma de um protótipo de robô móvel autônomo, capaz deauxiliar o processo de resgate em situações de desastres, pro-curando seres humanos que estejam perdidos ou feridos. Fo-ram explorados diversos conceitos das áreas de eletrônica,tais como o acionamento de motores, a utilização de circui-tos integrados, microcontroladores e sensores para o controledo protótipo (Jones et al., 1999) e o emprego de baterias Li-PO na alimentação do circuito.

Este trabalho está organizado como segue. A próxima se-ção apresenta de forma detalhada a abordagem utilizada paraconstrução do protótipo. Na Seção 3 são discutidos os princi-pais resultados obtidos, bem como as dificuldades encontra-das. Por fim, são apresentadas as conclusões e perspectivasde trabalhos futuros.

2 DESCRIÇÃO DO TRABALHO

De modo geral, o sistema funciona de acordo com o dia-grama de blocos exposto na Figura 1.

O protótipo guia-se utilizando as informações coletadas pelosonar e pelo sensor de calor por infravermelho1, que são pro-cessadas pelo Arduino. Este controla a direção que o pro-tótipo deve seguir e para onde o PIR deve ser direcionadopelo servomotor. Quando o protótipo está próximo de umapessoa, o buzzer emite um sinal sonoro.

Os motores DC, controlados pelo Arduino por meio da ponteH, são responsáveis pela locomoção do protótipo. Cada umdeles está acoplado a uma caixa de redução, de modo a au-mentar o torque aplicado nas esteiras.

Figura 1: Diagrama de Blocos do protótipo

1Neste projeto, será utilizada a sigla PIR para se referir ao sensor piroe-létrico ou sensor de calor por infravermelho.

2.1 Componentes Utilizados

Devido ao fato de esteiras serem mais adaptáveis aos tipos deterreno em que forem utilizadas do que rodas, optou-se porutilizar o Tamiya Tracked Vehicle Chassis Kit (Tracked Vehi-cle Chassis kit, 2001), uma vez que este possui uma plata-forma para acomodar componentes, espaço para os motores eesteiras de plástico para auxiliar na locomoção do protótipo.Para impulsionar as esteiras, foi utilizado o kit Tamiya Twin-motor Gearbox (Twin-Motor Gearbox, 1995), o qual é com-posto por duas caixas de redução acopladas a dois motoresMabuchi FA-130, os quais são interfaceados com o micro-controlador por meio de circuitos integrados L293D (L293,L293D quadruple half-H drivers, 2002).

O sensor de calor por infravermelho empregado é um sensorcomercial utilizado em sistema de proteção à edifícios. Como objetivo de aumentar a varredura do sensor, utilizou-se oservomotor modelo Hextronik HXT900 (9g Micro Servo)para rotacioná-lo em 180◦.

O sonar empregado é o HC-SR04, devido ao seu baixo custoe facilidade de integração com o microcontrolador. Esteconstitui-se na plataforma open-source Arduino, sendo oUNO Rev. 3 o modelo utilizado (Arduino UNO, 2012). Eleutiliza o microcontrolador ATmega328 e possui seis entradasanalógicas e quatorze entradas/saídas digitais, das quais seispodem ser utilizadas como saídas PWM.

Para a alimentação do protótipo é utilizada uma bateria depolímero de lítio (Li-PO)(Moore, 2008) que fornece uma ten-são de 11,1 V e corrente de até 2200 mAh. Como algunscomponentes do circuito necessitam ser alimentados em ten-sões mais baixas, utilizou-se o regulador de tensão LM7805para diminuir a tensão de alimentação de 11,1 V para 5 V(Cook, 2010).

3 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO EDO SOFTWARE DE CONTROLE

Resumidamente, a montagem do protótipo iniciou-se comtestes individuais dos componentes. Em seguida, foi rea-lizada a integração de componentes que funcionariam emconjunto e a conexão dos sensores e dos circuitos integra-dos ao microcontrolador. Por fim, desenvolveu-se o softwarede controle e o protótipo foi submetido a vários testes, sendoexecutados os ajustes finais.

3.1 Fixação do Sensor PIR ao Servomo-tor

O sensor PIR foi fixado em um servomotor de forma a permi-tir uma varredura ao redor do protótipo no plano horizontal.O servomotor movimenta-se de 0◦ a 180◦, sendo a posição

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0◦ à esquerda do protótipo, a frente fica a 90◦ e consequen-temente a direita fica a 180◦.

Inicialmente, o servomotor é ajustado para a posição de 90◦.Após esse momento, é iniciado o processo de varredura, fa-zendo o servo variar o ângulo entre os valores mínimo e má-ximo e vice-versa. Quando o sensor PIR detecta um alvo,o servo é ajustado para voltar na posição de 90◦ passando anão atuar mais, enquanto que o protótipo rotaciona em tornode seu próprio eixo até o alvo ser localizado novamente, ve-rificando periodicamente se o alvo está em sua direção paraexecutar correções na rota até a fonte de calor.

3.2 Montagem Mecânica

Inicialmente, montou-se o chassi do protótipo utilizando okit Tamiya Tracked Vehicle Chassis em conjunto com o kitTamiya Twin-motor Gearbox. Este foi escolhido por conterdois motores independentes, permitindo que o protótipo rea-lize mudança de direção e rotação sobre seu eixo.

Após fixados as caixas de redução com os motores DC nabase de madeira e colocados os eixos, os rolamentos e as es-teiras, prendeu-se o Arduino em um suporte sobre a base demadeira, de forma que o cabo da bateria pudesse ser conec-tado sem encostar nos eixos traseiros do chassi, conformeilustra a Figura 2.

Figura 2: Chassi. Elementos da base de madeira

Decidiu-se montar uma estrutura auxiliar composta de pe-ças auto ajustáveis da marca LEGO, de modo que apenas ossensores ficassem expostos. A bateria, a placa de circuitoimpresso e o servomotor foram colocadas sobre uma plata-forma (figura 3(a)). Esta encontra-se fixada em apoios depeças LEGO que contém o para-choque e o sonar. Por úl-timo, encaixou-se a estrutura destinada a cobrir o circuito,conforme apresenta a figura 3(b).

(a) Plataforma de apoio à bateria ecircuitos utilizando peças LEGO

(b) Estrutura final do protótipo

Figura 3: Estrutura do protótipo utilizando peças LEGO

3.3 Software Desenvolvido

Como o objetivo do protótipo é encontrar seres humanos, oalgoritmo é focado nos dados recebidos pelo PIR. Enquantoeste não detecta uma pessoa, o protótipo apenas explora oambiente, movimentando este sensor ao longo do eixo doservomotor.

Para evitar que o protótipo colida com os obstáculos do am-biente, em cada execução do loop verifica-se a presença deelementos em sua frente. Quando detecta-se um obstáculo, oalgoritmo determina aleatoriamente se o protótipo se direci-onará para a esquerda ou para a direita.

Quando o alvo é encontrado, o servomotor posiciona o PIRna frente do protótipo. Este passa a girar em torno do seupróprio eixo na direção para qual o sensor de calor estavaposicionado no momento da detecção, até encontrar a pes-soa novamente. Com isso, o protótipo se direciona para oindivíduo e passa a mover-se para a frente.

Embora o ângulo de captação de ondas de infravermelho te-nha sido reduzido colocando-se uma máscara ao redor doPIR, o protótipo nem sempre se posiciona exatamente na di-reção da pessoa. Então, a cada oito segundos o protótipo parade andar para a frente e volta a girar em torno de seu próprioeixo até detectar a pessoa novamente. Com isso, ele corrigesua rota e prossegue na direção da pessoa.

Quando o ser humano já foi detectado pelo PIR e é encon-trado um obstáculo, o protótipo move-se milimetricamentepara trás para movimentar este sensor. Isto torna possível de-terminar se o obstáculo é uma pessoa. Em caso positivo, obuzzer emite um beep indicando que o objetivo foi cumprido.Do contrário, o protótipo rotaciona em torno de seu eixo atéque ele encontre a pessoa.

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4 RESULTADOS

Os resultados deste projeto constituem-se no protótipo derobô móvel autônomo descrito na seção anterior, bem comoo software de controle associado.

O protótipo alcançou a sua meta porém, devido ao fato deele não corrigir a sua rota a cada iteração do loop do micro-controlador, algumas vezes ele perde a direção do alvo e énecessário que ele rotacione em torno de seu próprio eixo atéque ele detecte a pessoa novamente. Optou-se por não corri-gir a rota a cada iteração pois isto tornaria o robô muito lento.A solução adotada foi corrigir a rota a cada oito segundos.

O software desenvolvido caracteriza uma solução simples,porém funcional, que pode ser expandida e melhorada emtrabalhos futuros.

No desenvolvimento deste trabalho, foram encontradas di-versas dificuldades relacionadas à utilização dos sensores, asquais estão descritas abaixo. Desta forma, visa-se auxiliar aexecução de projetos que utilizem estes sensores, propondosoluções que são pouco discutidas na literatura.

Sonar Os maiores problemas encontrados nesse projeto sãoreferentes a este sensor. Dependendo da geometria, in-clinação ou tipo de superfície dos obstáculos, a ondaemitida pelo transdutor transmissor não é refletida parao transdutor receptor, o que faz com que o sensor nãoidentifique objetos próximos, resultando na colisão doprotótipo. Como o sonar está localizado na frente daestrutura, foi colocado um “para-choque” para evitar adanificação de componentes. Outro fator de erro na lei-tura deste sensor é a trepidação do robô devido ao mo-vimento das esteiras e à irregularidade de alguns pisos.Porém os erros das medidas não foram muito grandes,assim optou-se por não tratar estes erros no algoritmode locomoção.

Sensor de calor por infravermelho A primeira dificuldadeem relação à utilização do sensor PIR adaptado de sen-sores de presença é que o circuito é projetado apenaspara identificar corpos humanos em movimento. As-sim, se a pessoa estiver parada, como seria o caso deum ferido em operações de busca, ela não é detectadapelo sensor. Portanto, a utilização do servomotor na ro-tação do PIR também teve como objetivo fazer com quehouvesse uma movimentação da pessoa em relação aosensor. Destaca-se também como problema encontradoo ângulo de captação de movimento do sensor: por esteângulo ser muito grande, perdia-se a precisão da locali-zação do ser humano. Foi necessária então a limitaçãodo ângulo de “visão” do mesmo utilizando uma más-cara. Um fator de erro provocado pela adaptação desensores de presença é em relação a sua identificação

de fontes de calor: este sensor emite um sinal quandoencontra um corpo que emite uma quantidade mínimade radiação infravermelha predeterminada. Assim, fon-tes de calor como fogueiras e animais de grande portesão interpretados como se fossem um ser humano. Oideal seria utilizar uma câmera para buscar pessoas, po-rém esta é uma solução de alto custo, sendo descartadadevido a limitações financeiras do projeto.

5 CONCLUSÃO

Considera-se que o objetivo principal do protótipo foi alcan-çado com sucesso. Porém, há várias melhorias que não pude-ram ser realizadas devido a falta de recursos financeiros. Sãoelas: substituição do sensor PIR por uma câmera térmica, quepossui maior precisão na identificação do calor emitido peloscorpos, podendo distinguir seres humanos de outras fontes decalor, ou até mesmo uma câmera comum, utilizando técnicasde processamento de imagens na identificação de seres hu-manos; utilização de pelo menos mais um sonar para abran-ger uma maior área ao redor do robô, evitando assim a ocor-rência de pontos cegos e erros de leitura do sonar quando ageometria do objeto reflete o sinal para longe do sensor ou asuperfície a ser analisada estiver inclinada em relação à facedo sensor. Essa melhoria também poderia evitar a perda deprecisão das medidas devido à trepidação durante a locomo-ção.

Tendo em vista que a motivação desde projeto é o auxílioà equipes de busca de sobreviventes em desastres, sugere-secomo possíveis implementações o mapeamento do caminhorealizado pelo robô até encontrar o alvo, bem como da áreaao redor dele. Seria interessante também se, ao invés de emi-tir um sinal sonoro quando encontrar o alvo, o robô enviasse,por comunicação sem fio, a localização do ser humano paraum computador ou outro dispositivo eletrônico, o que pode-ria ser feito com o auxílio de um GPS.

6 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao professor Miguel Antonio Sovier-zoski por orientar este projeto, bem como aos professoresHugo Vieira Neto e Mário Sérgio Teixeira de Freitas por suadisposição em auxiliar o grupo da melhor maneira possível.Os autores agradecem também à professora Leyza Baldo Do-rini por ajudar na estruturação e revisão deste artigo.

REFERÊNCIAS

Arduino UNO (2012).URL: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno

Cook, D. (2010). Intermediate Robot Building, 2 edn,APRESS.

4 Revista Controle & Automação/Vol.X no.X/Out 2012

Jones, J. L., Seiger, B. A. and Flynn, A. M. (1999). MobileRobots: Inspiration to Implementation, 2 edn.

L293, L293D quadruple half-H drivers (2002).

Moore, A. (2008). Lithium polymer (lipo) battery guide.URL: prototalk.net/

Siegwart, R. and Nourbakhsh, I. R. (2004). Introduction toAutonomous Mobile Robots, Vol. 1, 1 edn, The MITPress.

Tracked Vehicle Chassis kit (2001). Manual.URL: http://www.tamiyausa.com/pdf/manuals/70108ml.pdf

Twin-Motor Gearbox (1995). Manual.URL: http://www.tamiyausa.com/product/itemphp?product-id=70097

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