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Sistema de busca e salvamento baseado em munhbox voidb@x

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1. anro anto anro p anoi Lanto anro anro eso zeo ven zzo L zo ozo szo vzo 0 TODA 0 Jos acc c2 Iva00glls OL om Motrsseda lt l an9 NS Lah an9a 1NOgdd q Mano ax Le aNdoI INS ES SCH SE 8 duoc enlgad e ein aNov svigH Hz srl ONE HL 110 43 nad 1NO ZHWSZ Laz gedanol IX s Fer zeg See ice A eeagAy EDDA ie e geg T LINI HN des oad 02 oy IN NMOG Md lt 18H N P EON NZZ 6e FZ N 13939 Es XOF Ss e 97 Na NYMO9 LOY 097 a ow o f EE E zl INVIGIIAS 031 oan Lar S ai ariosr q Ez a az ONVDINIT 031 oan Fe on mm Odo GIVAG SHO SHO Lar DAAT Hp aK 9 M0 xs Ler ez 6u IQON Wang XE Lee lt Ad SHO NINE Na XIQIA 83 XE Le S deser IT POVAHA E OXY Lae se aid N Usalb g317 E QVAHd OXY op S Leem ON 20VAHd4 L OXY ig x TS Es Elon LOVAHd O axe L t MIS od Xu Ou or ON 198 HE pe ON IQON Weg OXL Ce SE SS gu ON E ZU an oi L Wyn SS 10x OL Sr 09 0 OXL Le E og XL to K e srl AL Na XL LE IN Na XL ai ke zr aL WO XL r ce oly sin Ha as ain anto anto S oee lt 08 os lt os lt os os SS 0 seu deen ezo zu ozu seu Cred d e Ee E e ONG d A EDDA aoe dO E 90A L Z E Ed Ss 2 lt p gina trico da placa do STM32 c Esquema el Figura A 5 Esta p gina foi intencionalmente deixada em branco Refer ncias 11 Victor Adolfsson The state of the art in distributed mobile robotics Master s thesis Blekinge Institute o
2. Computador PEN C mara de bordo LO t CAN BUS Dispositivo de controlo e pot ncia Pandora Dispositivo de interface Sonar Y di pomore pee Pee Motor MEE Encoder targets energia motores trac o K Figura 5 4 Arquitectura de hardware projectada Para os sensores de odometria foi projectada a utilizac o de encoders incrementais nas 40 Projecto rodas dos ve culos ou no eixo do motor e a substitui o dos servo motores anal gicos por uns digitais que fornecem feedback da posi o da direc o do ve culo Projectou se para a comunica o entre os novos servo motores e o barramento CAN a utiliza o do mesmo dispositivo de interface Cap tulo 6 Sistema Desenvolvido Conte do 6 1 Plataforma LINCE o 41 6 1 1 Arquitectura de Hardware 42 6 1 2 Sensores ci hog ee eee hb ba Pee eRe E A ed a ay 43 6 1 3 Actuadores eee R ee aa eae er he G amp G a e 47 6 1 4 Comunica es e 48 6 1 5 Placa de Gest o de Energia 48 6 16 SIMIL zank kk AE AR eee SR TA CSL RA EEO e AR A 50 DL Pandora s NI EE EE A dhe HH Sh S T Tr A CR 52 6 1 8 Computador de Bodo 52 6 2 Consola de Operacoes o ee eee ee 53 6 3 Outros Testes e Resultados ee 54 6 3 1 Sensores IR rss eee ee eb bbe pee ADA E Mh d ed Md oy 54 032 SIMI ss aca sra A a 58 6 3 3 Servo motores Digitais e 59 Neste cap tulo descrita a constitui o dos v ri
3. o e se tornam essenciais em zonas de inexist ncia de informa o GPS A arquitectura aplicada nos rob s ter de permitir a partilha m tua de informa o da posi o de cada rob No entanto em casos de perda de comunica es os ve culos poder o utilizar algoritmos de reconhecimento da posi o dos membros da equipa A interac o entre os ve culos ser realizada com base em redes de comunica o wireless com topologias mesh para possibilitar a extens o da rede atrav s dos ve culos entre outras vantagens enunciadas na sec o 4 1 3 Para tal ser o aplicados dispositivos de rede com suporte da norma IEEE 802 11s draft Conceptualmente os ve culos utilizados ter o de permitir a utiliza o de arquitecturas hier rquicas gen ricas permitindo as comunica es de acordo com a Figura 5 2 Cada camada da arquitectura seja de supervis o coordena o ou funcional poder partilhar informa o com as camadas hom logas dos outros membros da equipa de forma a actu arem como um nico sistema e n o como uma equipa de rob s independentes Existira ainda outra camada de supervis o do sistema de n vel superior que comunica com todos 5 2 Plataforma LINCE 37 os rob s e que tanto poder ser realizada por sistemas aut nomos como pela actua o humana Supervis o Rob i Rob j N vel N vel Supervis o Supervis o N vel N vel Coordenac o Coordenac o N vel N vel Funcional Funciona
4. a sore tod a EHO HNILXE LLHYSN OLYd LE NYO z LOND z 99 quo RE sii ee od ZHO LS LLYYSN SYd Hoy LH en Eug K SE os ds T LE SSN nas Zod FET soa OOW IHO LO Ugeengeg SE LOL ama SODA SE SODA LOXL SOOA ONO s SINI ZLOQY SOd ZH ERUN ZLOQWISOW IdS ZVd md K AQ SHO IWH PINI 2L90V FOd IHO ENIU9NI 2LO0V OSIN HdS 9 d i Hun WN XL br 9d TA cin ztoavieod SNI ZLOQYMOS lds svd Hpg Yd sar tod ZINI ztoavizod PNI ZLOQVINO ZLHVSNISSN HdS bVd gz S d LINI ZLOQY LOd vHO ZNILIENI ZIOQYXY ZLYYSN EVd rrid K 19d 7 oun etoawiood HO ZWILZNI ZLOQY XL Lenz Eid OION ad 09d ZHO ZINILJLNI ZLOQVISLH ZLEVSIVIVA X19 499 INE a HI3 09 ZWILONI ZLOQY SLO SIONS y Ye e Ovd uo am anto anro anro anro anro zaon K 99A g SES 89 eLo 19 so so vo 9 S 99560 5 gt aeons A L 4 lt lt lt lt lt lt 1 G L an S 6 S a G 8 ES 8 2 2 lt an9 TNS lt E 1 lt p gina trico da placa do STM32 c Esquema el Figura A 4 67 A 2 STM32 Z To 1 rag 6002 60 lay EE ed lt epqopey gt lt 200 gt Y Ae JequinN lueuinoog azig lt en gt an v 0 D 0 0 anyo
5. cada rob mant m a sua posi o relativamente a um ou mais rob s na sua vizinhan a Esta ltima forma ser necess ria quando os rob s n o t m capa cidades de percep o total do grupo de rob s Restri es de estrutura As forma es podem ser r gidas preservando a mesma forma ao longo do tempo ou podem ser flex veis e Caracter sticas de Controlo Processos de decis o Podem ser utilizados diferentes tipos de processos de decis o quando utilizados sistemas descentralizados sendo estes processos ho mog neos quando todos os rob s usam as mesmas regras de decis o e hete rog neos quando os rob s utilizam diferentes regras de decis o Depend ncia de estados temporais Os rob s podem determinar as suas decis es baseadas nas informa es sensoriais recolhidas no instante ou de uma forma mais inteligente baseadas tamb m nas informa es adquiridas em instantes passados 4 3 Tele opera o 31 Estrat gia de controlo Podem ser abordadas algumas estrat gias de controlo umas baseadas em leis de controlo outras baseadas em comportamentos e tamb m h bridas que envolvem n veis de supervis o e n veis de execu o 4 2 2 Problemas de Coordena o Al m destas caracter sticas a coordena o de forma es de um sistema multi rob tico implica ainda a resolu o dos seguintes problemas 18 22 e Manter a forma o ao longo do movimento do grupo Crit rios com
6. es 6 2 Consola de Opera es 53 O gestor de miss es carrega ficheiros XML onde o utilizador define toda a estrat gia da miss o como as tarefas que o ve culo tem de executar e o que necessita de saber para completar as suas tarefas Os ficheiros XML est o organizados em manobras ac es e transi es Todas as manobras definidas s o as necess rias para a realiza o das tarefas e para que cada manobra seja implementada s o executadas uma ou mais ac es Durante a manobra caso se verifique que esta n o a mais indicada s o executadas transi es para outras manobras mais apropriadas 31 Um exemplo da utiliza o do gestor de miss es poder ser o seguinte atribu do ao ve culo uma localiza o a atingir Para alcan ar esse ponto o ve culo define a manobra atingir ponto mas durante a execu o depara se com um obst culo No ficheiro criado para a miss o est definida a transi o para outra manobra caso o ve culo se depare com o mesmo obst culo O ve culo transita ent o para a manobra circular obst culo que poder ser constitu da por diversas ac es rectas curvas etc Assim que terminada esta manobra volta a transitar para a manobra atingir ponto 6 2 Consola de Opera es Para a opera o dos ve culos LINCE utilizada a LINCE Mission Control uma aplica o gr fica desenvolvida no Laborat rio de Sistemas Aut nomos Esta aplica o permite aos operadores visualizar
7. veis quedas do ve culo Odometria O motor integrado no ve culo inclu um encoder incremental de 500 impulsos por rota o e os servo motores da direc o integram tamb m um protocolo digital de comu nica o que fornece feedback da posi o da direc o Estes dados permitem tamb m obter posi es relativas e velocidades de rota o e transla o do ve culo Laser Range Finder Foi tamb m adicionado um laser range finder colocado na frente do ve culo que se encontra ligado directamente ao PC por USB Este tipo de sensores emite um feixe laser e calcula a dist ncia a qualquer objecto onde o feixe incida Fazendo o mesmo feixe rodar sobre um plano permite nos obter um mapa 2D do cen rio envolvente 27 como ilustrado na Figura 6 3 b O LRF utilizado o UBG 04LX F01 da Hokuyo figura 6 3 a pesa apenas 260 g consome 4 5 Watt e faz varrimentos numa rea de 240 de 20 mm at 5 6 m de dist ncia com uma resolu o de 0 36 e precis o de 10 mm a uma taxa de 35 varrimentos por segundo 28 ms por varrimento No caso ideal cada ve culo deveria ter sensores que permitissem a detec o de obst culos em qualquer ngulo de incid ncia A melhor solu o para uma boa precis o e velocidade na aquisi o dos dados seria a utiliza o de dois LRF por ve culo um orientado para 6 1 Plataforma LINCE 45 a b Figura 6 3 a Hokuyo UBG 04LX F01 28 b Varrimento 2D de um LRF 29 a frente e outro
8. 04LX F01 b Varrimento 2D de um LRF Triangulac o dos sensores IR 2 e IR range finder lt lt cs saca aa data a ai Motor Pittman GM9236S021 e Servo motor HSR 5980SG 2 20 020002 ee ee Diagrama funcional da placa de gest o de energia o oo ooo aa Placa de gest o de energia ve ae ee ee ee ee ee ee ee ee Placa do STM32 suis be ba EN e RC R ag eh DS she hE ae adh gs es Diagrama funcional do STM32 e M dulo de controlo de motores Pandora Aplica o de opera o LINCE Mission Control Resposta do sensor Sharp GP2D02 20 2000 Gr fico de calibra o Le vo rusas da p ER eR eiee E gh be Gr ficos de calibra o 2 1 a Cen rio exterior b Resultado do varrimento 2D com 5 de resolu o a Cen rio interior b Resultado do varrimento 2D com 5 de resolu o a Cen rio exterior b Resultado do varrimento 2D com interfer ncia solar Placa de desenvolvimento validada e Layouts da placa de energie 57 57 58 LISTA DE FIGURAS A 2 Esquema el ctrico da placa de energia o o ooo a 64 A 3 Layouts da placa do SIM 65 A 4 Esquema el ctrico da placa do STM32 p gina 1 66 A 5 Esquema el ctrico da placa do STM32 p gina 21 67 Abreviaturas e S mbolos ADC AP CAN CCD EGNOS GGA GPS GSM GSV HMI DC IMU INS IR ISEP JTAG LAN LED LRF LSA PDA RC RMC SBAS SMR SPI UAV USART USB WAAS Analog t
9. Advanced Robotics 19 3 221 248 2005 L P Reis Coordena o em sistemas multi Agente Aplica es na gest o univer sit ria e futebol rob tico PhD thesis Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 2003 Patricio Nebot Rogl Agent Based Architecture for Multirobot Cooperative Tasks Design and Applications PhD thesis UNIVERSITAT JAUME I 2007 Gustavo Pessin Evoluc o de estrat gias e controle inteligente em sistemas multi rob ticos robustos Master s thesis Universidade do Vale do Rio dos Sinos 2008 Y Uny Cao Alex S Fukunaga and A B Kahng Cooperative mobile robotics Antecedents and directions Autonomous Robots 4 226 234 1997 Robert Poor and Cliff Bowman Designing distributed sensor applications for wireless mesh networks In S Sitharama Iyengar and Richard R Brooks editors Distributed Sensor Networks pages 1049 1066 Chapman amp Hall CRC 2005 F Michaud D Letourneau M Guilbert and J M Valin Dynamic robot formati ons using directional visual perception Intelligent Robots and Systems IEEE RSJ International Conference on 2002 John T Feddema Chris Lewis and David A Schoenwald Decentralized control of cooperative robotic vehicles Theory and application IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS AND AUTOMATION VOL 18 NO 5 October 2002 Jos Almeida Alfredo Martins Eduardo Silva Luis Lima Carlos Almeida Nuno Dias Andr Dias and Hugo Silva Iseporto robotic soccer team for
10. Disserta o 1 2 Motiva o e Enquadramento ee ee ee ee ee ee ee L3 ODJECLIVOS A ae ba ee Pa que a Dado SB ot e S So R de A ge Teas 1 4 Estrutura da Disserta o ee ee ee 2 Estado da Arte 2 1 Sistema COMET 2 2 Projecto MARS 2 3 Sistema MERLIN raean a n RI ee 2 4 Plataformas Argo Rover 2 5 Projecto RESCUE ee ee 3 Casos de Estudo 3 1 Busca e Salvamento v ve ee ee ee Sil User Cases Acte EE aoe A ah cht a air ie Ah a S ag cg 3 1 2 Exemplo de Utiliza o ee ee ee ee ee ee ee ee 3 2 Requisitos de Hardware 4 Sistemas Multi Rob ticos 4 1 Caracter sticas dos SMR 4 1 1 Controlo Centralizado Descentralizado 4 1 2 Rob s Homog neos Heterog neos 4 1 3 Estruturas de Interac o e 41 4 Modelizac o de Comportamentos Mitua 4 2 Coordena o de Forma es aoaaa 4 2 1 Caracter sticas das Formacoes e 4 2 2 Problemas de Coordena o e 4 3 Tele opera o 4 3 1 Modelos de Controlo e 5 Projecto 5 1 Sistema Multi Rob tico ee ee ee ee is 5 2 Plataforma LINCE RR R AB SR SRL a S ig OR SR T a 5 2 1 Arquitectura Funcional v v vs ee ee ee ee ee ee 5 2 2 Arquitectura de Hardware vii 13 13 15 20 21 23 24 24 25 25 28 29 29 31 31 32 viii 6 Sistema Desenvolvido 6 1 Plataforma LINCE Arquitectura de Hardware DETSOEES 2 4 se A
11. a utiliza o de energias renov veis mecanismos de auto carregamento de baterias dispositivos de comunica o Mesh e ainda proceder a altera es na plataforma mec nica que garantam a estanquidade da mesma No que diz respeito ao sistema multi rob tico ser tamb m necess rio desenvolver a camada de supervis o respons vel pela coordena o e coopera o da equipa Anexo Esquemas e Layouts A 1 Placa de Gest o de Energia Figura A 1 Layouts da placa de energia 63 Esquemas e Layouts 64 zept T r wg CP 5002 80 NEN REPU sed eur lt sog gt ev no aaun weunsog eg enue Leed Das mm US Ma Mis em Ur 101 AG YOUN 104 AS Yous n AG Yous io H w zio lL ano FT am a o de Bo K ES HO E 9 van zm ea Ze I mem ZN Le9004 ES UM N ZNALEBD04 ZS YMN ZN8Ze90d3 TS EM N o 0 SN3SI VA sal HO og 60 T T y 29A al E 1 w se uaNa2 waT sn ES UND TS OND TS GND ge HaN32 E E x sa va As ISNISZIA BSN
12. actua sobre os motores do ve culo para fazer com que o mesmo se desloque segundo as traject rias determinadas 5 2 Plataforma LINCE 39 5 2 2 Arquitectura de Hardware A plataforma j existente inclu a no seu hardware um computador de bordo c mara de v deo com uma base pan amp tilt uma placa de controlo de motores Pandora 6 1 7 motores DC para a trac o servo motores anal gicos de RC para a direc o e um AP que garantia comunica es com uma consola de opera o O computador de bordo tinha como fun o receber os dados operacionais atrav s da consola e aplicar todas as instru es nos motores e no pan ztilt da c mara para permitir a tele opera o do ve culo O controlo do motor de trac o bem como dos servo motores da direc o e da ilumina o do ve culo era efectuado pela Pandora 6 1 7 Foi projectada a introdu o dos sensores j referenciados e para a liga o dos mesmos foi desenhada a arquitectura da Figura 5 4 baseada num barramento CAN que permite uma comunica o r pida 1 Mb s e de baixa lat ncia entre os sensores actuadores e as unidades de processamento Como grande parte dos sensores n o possui capacidade de comunica o pelo barramento CAN foi tamb m projectado um dispositivo de interface entre os sensores e o barramento Com a necessidade de introdu o de novos dispositivos surgiu tamb m a necessidade de um novo dispositivo de distribui o e gest o de energia do ve culo
13. capacidades aut nomas dos sistemas rob ticos implicam a utiliza o de processos elaborados de controlo e navega o no entanto estes s podem ser executados quando os 1 4 Estrutura da Disserta o 3 rob s possuem capacidades de mapeamento da estrutura do meio em que se movimentam Essa necessidade surge para que os rob s possam definir as suas sub tarefas em fun o dos objectivos fornecidos e da estrutura do meio Como tal para a prepara o do sistema multi rob tico em causa foram definidos os seguintes objectivos e Realizar uma an lise dos poss veis cen rios de aplica o e das poss veis miss es a realizar pelo sistema de rob s LINCE especificando todas a necessidades que as miss es exigem do sistema de rob s de cada plataforma rob tica individual e da equipa de operadores do sistema e Desenhar uma arquitectura conceptual para o sistema de busca e salvamento e Definir quais os requisitos de hardware dos rob s para que os mesmos possam cum prir as necessidades das miss es analisadas e Elaborar um estudo das melhores solu es para os requisitos de hardware definidos e Desenhar uma arquitectura que permita a interliga o de todos os sensores actua dores e unidades de processamento dos rob s e Aplicar nas plataformas todos os perif ricos escolhidos segundo a arquitectura dese nhada e construir as bibliotecas necess rias para o controlo dos mesmos e Preparar o sistema computacional do
14. culos devido complexidade dos terrenos e poss vel inexist ncia de informa o de GPS como por exemplo no interior de edif cios 18 Casos de Estudo Quando atribu da uma rea de pesquisa recorrendo a um planeador ter de ser calculada a melhor traject ria a realizar de forma a cobrir a maior rea poss vel O planeador poder ser o pr prio ve culo ou o operador Os rob s iniciam a sua pesquisa apenas quando o operador definir o in cio da tarefa na consola de opera o Quando localizados em zonas definidas para tele opera o os ve culos aguardam pela interven o do operador Assim que terminadas as tarefas pelos ve culos os operadores atribuem novas tarefas at que se cubra toda a rea do cen rio A qualquer momento os operadores podem abortar as tarefas ou mesmo a miss o Survey Ap s a atribui o das tarefas aos ve culos os operadores declaram in cio da miss o nas consolas de opera o Os ve culos iniciam as suas pesquisas Os ve culos disponibilizam continuamente aos operadores dados das suas c maras de v deo e outros sensores informa es sobre o estado das suas baterias anomalias e sobre qual a tarefa que est o a executar calcular traject ria seguir traject ria contornar obst culo etc Sempre que ocorra uma anomalia o estado das baterias seja insuficiente ou os rob s se deparem com problemas que n o conseguem ultrapassar sozinhos obst culos instabili
15. de bordo uma vez que possuem comunica o RS 232 e USB respectivamente retirando tamb m carga excessiva sobre o STM32 O m dulo INS integra j comunica o CAN n o necessitando assim do interface adicional A Pandora 6 1 7 comunica tamb m 6 1 Plataforma LINCE 43 com o computador pelo barramento CAN disp e de drivers para controlo do motor de trac o e da ilumina o do ve culo e l os dados do encoder incremental Para o controlo dos servo motores digitais pelo STM32 utilizado o protocolo digital HMI que utiliza uma liga o f sica RS 232 Daisy Chain de uma linha e os sensores IR retornam sinais anal gicos O STM32 actua tamb m sobre a placa de gest o de energia atrav s de sinais digitais e recebe da mesma informa o atrav s de sinais anal gicos Uma melhor descri o das comunica es do STM32 desenvolvida na sec o 6 1 6 6 1 2 Sensores GPS Foi integrado um m dulo de GPS SUPERTAR II da Novatel Este receptor de 12 canais suporta a recep o da fase da portadora para uma posi o mais precisa e fornece as informa es de posi o velocidade e tempo a uma frequ ncia de 1 Hz com um consumo de 0 8 Watt Embora algumas das vers es do mesmo suportem uma frequ ncia de 5 Hz utiliza se a vers o de 1 Hz uma vez que o ve culo possu uma velocidade reduzida Este suporta tamb m sistemas de correc o SBAS como o WAAS e o EGNOS Para interface este m dulo disponibiliza o protocolo bin rio L
16. especializados 18 4 1 3 Estruturas de Interac o Normalmente por abstrac o inconsciente pensa se na interac o entre rob s como uma comunica o protocolar nos dois sentidos No entanto segundo 18 e 20 a inte rac o entre rob s n o exige uma comunica o Os mesmos podem interagir atrav s do meio Environment interaction atrav s das capacidades de detec o Sensorized interac tion e atrav s de comunica o Communication interaction 26 Sistemas Multi Rob ticos e Environment interaction o modo de interac o mais simples e limitado pois n o existe comunica o expl cita interagindo apenas todos os rob s com o mesmo meio Muitos referem estes sistemas como sendo de coopera o sem comunica o Sensorized interaction o modo em que a interac o ocorre quando os rob s se conseguem detectar e identificar atrav s dos sensores tamb m sem a exist ncia de comunica o explicita Muitos dos sistemas que utilizam este tipo de interac o utilizam sensores de vis o para detectar as posi es dos rob s do sistema de forma a executar forma es e calcular as suas rotas Communication interaction o tipo de interac o em que os rob s utilizam comu nica o expl cita enviando mensagens directamente entre eles ou atrav s de broad cast e utilizando diversas topologias de comunica o Arquitecturas de Comunica o Segundo 17 na exist ncia de uma comun
17. indispens vel Nesta disserta o apresentada uma solu o para um sistema de busca e salvamento pensada principalmente para a utiliza o em cen rios de cat strofe A solu o parte do estudo das metodologias de actua o do sistema na miss o resultando no projecto de uma arquitectura conceptual para o mesmo e no desenho de solu es de hardware para os ve culos que constituem o sistema 1 2 Motiva o e Enquadramento O Laborat rio de Sistemas Aut nomos uma unidade de I amp D do Instituto Superior de Engenharia do Porto tem vindo a desenvolver v rios projectos com base em ve culos aut nomos direccionados para aplica es em ambiente terrestre a reo e mar timo O projecto LINCE consiste no desenvolvimento de equipas de rob s terrestres para explora o Os LINCE Rover s o os rob s deste projecto desenvolvidos com capacidade de se movimentarem em diferentes tipos de ambientes e que permitem a explora o e ins pec o em cen rios n o estruturados com condi es vari veis utilizando para tal t cnicas de tele opera o Este projecto inclu nos seus objectivos o desenvolvimento das capacidades aut nomas dos rob s tanto numa vertente individual como numa vertente de coopera o em equipa Consequentemente foi definido para esta disserta o o projecto e implementa o das altera es necess rias no sistema de ve culos para possibilitar o cumprimento deste ob jectivo 1 3 Objectivos As
18. rob para poder receber as especifica es das miss es a concretizar definidas pelos operadores 1 4 Estrutura da Disserta o Para al m da introdu o esta disserta o cont m mais seis cap tulos No cap tulo 2 est descrito o estado da arte onde s o apresentados alguns projectos de sistemas multi rob ticos existentes sendo dada nfase aos projectos que mais se assemelham com o projecto abordado nesta disserta o descrevendo os temas que mais se relacionam com os objectivos da mesma No cap tulo 3 s o descritas poss veis miss es s o evidenciadas as funcionalidades que se esperam do sistema de rob s e como resultado os requisitos que essas funcionalidades imp em aos rob s 4 Introdu o No cap tulo 4 s o descritos alguns conceitos te ricos sobre sistemas multi rob ticos que fazem refer ncia s diferentes caracter sticas que estes podem apresentar A descri o do projecto conceptual do sistema multi rob tico assim como o projecto da arquitectura de hardware das plataformas rob ticas encontram se no cap tulo 5 De seguida no cap tulo 6 descrita a constitui o das plataformas rob ticas sendo referenciadas todas as solu es tomadas apresentada a arquitectura de liga o dos perif ricos integrados s o relatados os aspectos funcionais dos perif ricos desenvolvidos e apresentados alguns resultados adicionais Por fim na conclus o cap tulo 7 s o apresentados os coment rios
19. robocup 2009 im proving perception Robocup 2009 Austria E J P Earon T D Barfoot and G M T D Eleuterio Development of a multiagent robotic system with application to space exploration Advanced Intelligent Mechatro nics IEEE ASME International Conference on July 2001 Thomas Br unl Embedded Robotics Mobile Robot Design and Applications with Embedded Systems Springer July 2006 REFER NCIAS 71 27 28 29 30 31 Roland Siegwart and Ilah R Nourbakhsh Introduction to Autonomous Mobile Ro bots Bradford Book 2004 Hokuyo Hokuyo sensors 2009 http www hokuyo aut jp 02sensor 07scanner ubg_041x_f01 htm1 SICK SICK LMS100 111 120 151 Laser Measurement Systems Operating Instruc tions SICK AG Germany 2009 Acroname Sharp ir rangers information 2008 http www acroname com robotics info articles sharp sharp html Jos Nunes Gestor de Miss es Manual T cnico Laborat rio de Sistemas Aut nomos Instituto Superior de Engenharia do Porto 2006
20. sobre o trabalho desenvolvido sobre a contribui o deste trabalho e as perspectivas de trabalho futuro S o fornecidos tamb m em anexo alguns esquemas el ctricos e layouts do principal hardware desenvolvido Cap tulo 2 Estado da Arte Conte do 2 1 Sistema COMET is cere aere parea wa ss EE EE E 5 2 2 Projecto MARS oo 7 2 3 Sistema MERL N o ee 8 2 4 Plataformas Argo Rover o o 10 2 5 Projecto RESCUE o 11 2 1 Sistema COMET O MARHES Laboratory pertencente Escola de Engenharia Electrot cnica e de Com putadores da Universidade do Estado de Oklahoma integra a equipa COMET com plata formas m veis para o desenvolvimento de redes de m ltiplos rob s Algumas das aplica es que motivam o seu desenvolvimento s o a seguran a em multi pontos localiza o e mapea mento distribu do transporte cooperativo monitoriza o ambiental busca e salvamento avalia o de infraestruturas civis e opera es militares 2 3 Esta equipa COMET constitu da por dez agentes m veis sensoriais cada um equipado com um computador embebido que interliga todos os sensores e actuadores do rob Todos os ve culos t m acesso a uma rede wireless que permite a comunica o da equipa que a mesma seja controlada por uma LAN ou mesmo pela Internet A equipa tamb m 6 Estado da Arte modular permitindo que sejam utilizados n
21. t pico de tele opera o constitu do pelos seguintes componentes 9 18 32 Sistemas Multi Rob ticos e O operador humano que controla o sistema dist ncia executando os comandos atrav s de perif ricos de controlo e recebendo informa es do estado do sistema O seu controlo pode ser cont nuo ou intermitente para controlar monitorizar e realizar o planeamento da miss o e O sistema remoto que poder ser um rob uma equipa de rob s ou outro equi pamento E o elemento do sistema de tele opera o que executa os comandos do operador na zona da miss o estando normalmente equipado com actuadores e sen sores que devolvem ao operador o estado do meio e O canal de comunica es constitu do por dispositivos que modelam transmitem e adaptam os sinais entre o operador e o sistema remoto Normalmente s o utilizadas redes wireless ou redes comerciais de GSM para grandes dist ncias e interface de opera o constitu da pelos perif ricos que permitem ao operador controlar o sistema remoto Normalmente constitu da por joysticks ratos teclados e dispositivos t cteis e ecr s que permitem visualizar a informa o enviada pelo sistema remoto como v deo leituras de sensores de dist ncia entre outros 4 3 1 Modelos de Controlo Existem segundo 18 tr s modelos de controlo para a tele opera o cada um de acordo com o n vel de autonomia do rob e com o n vel de decis o atribu da ao operado
22. um mapa devidamente calibrado com as posi es GPS do local e com a localiza o e orienta o actual dos ve culos uma imagem em tempo real obtida pela c mara dos ve culos e os estados dos v rios sensores O painel de instrumentos est divido no painel de tele opera o painel de monito riza o e painel da miss o No painel de tele opera o s o definidos os comandos que actuam na locomo o do ve culo estando estes tamb m dispon veis no joystick No painel de monitoriza o ilustrada a velocidade do ve culo o estado de cada componente do sensor inercial o estado das comunica es com o ve culo e o estado das baterias Ter o ainda de ser adaptados componentes para a visualiza o do estado dos novos sensores adaptados nos ve culos O operador pode definir directamente no ecr os waypoints da traject ria pretendida rectas a cumprir pelos ve culos e reas de pesquisa No painel da miss o quando definido o inicio da miss o s o enviados para os ve culos os dados da miss o planeados no ecr em formato XML No ve culo o gestor de miss es encarrega se de processar esses dados Com 54 File Tools Help a LINCE Mission Control ni GPS 41 10 46 9738 N 8 36 18 7389 W uas n Control KIK V Monitor GPS IMU EE Roll Sistema Desenvolvido Back Front Left Right Warnings Lights ON e OFF Pitch Range Detection Level Network Ping t
23. 1 da Novatel ou o protocolo standard NMEA em sinais TTL Foi ent o acrescentado ao mesmo um transceiver de RS232 para a comunica o directa com o PC pela porta COM estando o m dulo de GPS configurado para enviar as informa es GGA GVS e RMC do protocolo NMEA A posi o global orienta o e velocidade do ve culo ser o dadas por este m dulo ao sis tema no entanto este ir fundir todos esses dados com os dados do sensor inercial encoder e realimenta o dos servo motores caso os mesmos se encontrem ligados ao sistema Figura 6 2 M dulo de GPS SUPERSTAR II 44 Sistema Desenvolvido INS O m dulo de navega o inercial integrado foi desenvolvido no Laborat rio de Sistemas Aut nomos e composto por um microprocessador ARMY LPC2129 com interface CAN aceler metros de tr s eixos LIS3LV02 da ST girosc pios CRS10 da Silicon Sensing e sensores de campo magn tico de tr s eixos MicroMag da PNICorp 24 Com as medidas destes sensores s o calculados dados de velocidade posi o e ori enta o do ve culo a partir de um ponto inicial no entanto como se tratam de dados incrementais obtidos em rela o aos dados do instante anterior os erros tendem a au mentar exponencialmente com o tempo 25 26 Sendo assim os dados obtidos desde sensor ser o sempre alvo de fus o com dados de sensores absolutos como o GPS Per mitem tamb m dar ao ve culo e ao operador informa o da sua inclina o para prever poss
24. ASVEA aer 00 o ted osy exnv neg vara o E e mae Ee e 001 en 001 en zer o nR 3 tele jul fid o or AS 100 y o oz OL NOpS6z8l l 22 Tea Ave seu so anose anzz qe sms 19 LOLAS 10001 so SNI zNacesod4 GREEN ara o 6 70 o vem IND esus OA Fee L zng O prog dug isMPYON ser s OA As j NL S 109 Abe AA ser T ven o Leg anozy ver pemozogzuia 10 Ave xne o 10 AS euH o oz pra F ceu cer PRO Ave ereo zNazesoas dn EM N Zar so ooz en o am ozy m As o wee o 0 0 SS SS seio u noes CAS Ma anzz o 101 AS mun 8bso8 vo VAOLWAS EMS anoo so SES woe zms TOW EMAN ES E sty OLINBYZAHI es zNaLesoda e de lg me ames ON An Z po are Ei ei MOL Sean ely AVL fe 16189 AVE eim T R ven ras amp pemozoszua oer was Ave AVL air ba HIER H 0 101 AS ou 4 Hr ENE SECA eLuvn woz ASNASZIA uy SNS ENOO ENOO ENOO ENOO OM MN Ld Ex els znazesoa4 ES OND AA zo ooz ou 5 ES UMN E sois E sois zoIs Zos SL R sao HE As ita CH PL PL T AS NEE eu TES GND TES og T e GN Tes OND Ra La EE dO umd ar ar sir vir az T As T Sd9 HR DEN Ei Er Edy Man Noo ENOO y su o As E ES DER INOO Es Gas e AA anoss anzz zr PL PL aL to x o VAOLWAS zo o 10 AS 300 J c r T is UNO T is GND r AS MEE SY an S yoz ur oir er ig an9 sung OA m m E ANG TOR ZNALE9004 dv EM N ENOO sho LLEVA nL io NOD inoa lt J pu Y log ssooov o z z E As TES Ave ES TIS TIS T T EZ E Laal vin aah T is ano T is ano x pemozogzuja Tas ano sr sr A
25. As consolas poder o ter como base computadores port teis PDA s ou outros sistemas computacionais e equipa dever ser constitu da por um n mero de rob s de acordo com a rea a analisar e com o n mero de operadores envolvidos Quanto maior for a equipa de rob s mais rapidamente se concluir a miss o no entanto maior ser tamb m a exig ncia de coordena o na opera o dos ve culos e Os ve culos ser o colocados na zona da esta o de opera o onde os operadores os ligam Estes inicializam automaticamente e aguardam por novas instru es e Os operadores verificam as comunica es com os rob s o estado dos seus sensores e baterias e se possuem anomalias Detectadas anomalias guardada informa o sobre as mesmas na consola Assim que conclu das todas as verifica es terminada a fase de setup da miss o Briefing e equipa de opera o poder receber do sistema a reo o mapa actualizado que indica as zonas onde existe maior probabilidade da exist ncia de v timas e Os operadores analisam o mapa e definem qual o tipo de estrat gia de pesquisa a utilizar em cada zona do cen rio e Como tarefas podem ser definidas reas de pesquisa para cada ve culo onde estes ir o pesquisar autonomamente um ponto que o ve culo ter de atingir ou uma traject ria especifica a cumprir e Os operadores podem definir nas consolas de opera o as reas onde se ter de tele operar os ve
26. EDV de ED see Ring Fully Connected Bus Mesh Figura 4 1 Topologias de redes de comunica o e Estrela Nesta topologia cada mensagem transmitida entre dois membros passa sempre por um elemento coordenador hub switch que encaminha as mensagens 28 Sistemas Multi Rob ticos para o destino e controla quem pode transmitir Estas redes apresentam vulnerabi lidades pois no caso da liga o de um dos membros com o elemento coordenador se quebrar este deixa de poder comunicar com qualquer membro da rede No caso de falha do elemento coordenador toda a rede deixar de funcionar 21 Na implementa o de uma rede wireless com este tipo de topologia num sistema multi rob tico todos os rob s t m de ter conex o directa com o access point coor denador limitando o sistema a navegar a dist ncias curtas da esta o de controlo e Mesh Numa topologia mesh todos os membros possuem liga es entre eles quando poss vel e as mensagens podem ser transmitidas por diversos caminhos Conside rando quatro elementos A B C e D numa transmiss o de A para D a mensagem pode percorrer qualquer caminho como A C D A B D A B C D ou A D desde que todos os elementos possuam liga es entre eles Esta capacidade fornece rede uma elevada fiabilidade pois no caso da falha de um membro este o nico afectado podendo as mensagens ser transmitidas por percursos que n o o incluem No caso de quebra da liga o directa entre dois element
27. Instituto Superior de Engenharia do Porto l Instituto Superior de Engenharia do Porto Sistema de busca e salvamento baseado em m ltiplos ve culos terrestres Lu s Miguel Sousa Moreira Tese submetida no mbito do Mestrado em Engenharia Electrot cnica e de Computadores Orientador Eduardo Alexandre Pereira da Silva Doutor Orientador Jo o Paulo da Costa Baptista Mestre Dezembro de 2009 Lu s Moreira 2009 Resumo Esta disserta o visa o desenvolvimento de um sistema de busca e salvamento baseado em m ltiplos ve culos terrestres utilizando para tal os ve culos LINCE do Laborat rio de Sistemas Aut nomos Tendo como principal prop sito conferir autonomia aos ve culos foram estudados poss veis cen rios de actua o para determinar as principais funcionali dades requeridas do sistema Foram tamb m estudadas metodologias de an lise e caracteriza o de sistemas multi rob ticos baseadas no estado da arte existente e foi elaborada a arquitectura conceptual do sistema e dos ve culos a desenvolver A prepara o dos ve culos abordou o estudo das poss veis solu es sensoriais e de ac tua o e o desenvolvimento de uma arquitectura de hardware capaz de interligar todos os perif ricos dos mesmos Foram adaptados novos sensores e actuadores e desenvolvidos alguns desses sensores Para a interliga o e manuten o dos mesmos foram ainda desen volvidos novos perif ricos de interface e contr
28. S wer mm ar vr er tr Esquema el ctrico da placa de energia Figura A 2 A 2 STM32 65 A 2 STM32 107 OJOJOLOJOJOLO gt E Be 0000 ml E SG O E Sime Figura A 3 Layouts da placa do STM32 Esquemas e Layouts 66 lt op T z E T E I oe eg 8002 0 HOY APP ed BD voa g Ae 4SQUINN lusuinoog El LLEE XVIN LLES XVIN LLES XW lt p gt exvN Xy SI H q Luft XE SR 5 53 zit XE ST Ze anto anyo anyo e Ro Mike S waa E UEL ML Ta OL Nisa a anyo 4 anyo S anyo A NAH A NOH A NOH ano IN N SHS on ano A N HS Coon ONS N g Kee SOON Y seo sto ato ka S SI SV Se 2 39 119 gi a y 38 D Sr HRS amp qua or OND DA seo aus O ONO OA sto aus ar OND oke sto uadwnr HA an sn en Q anyo anyo y DEZOAHSINS Ji iS le IS lt a A y arin anyo veo S Lo e 8 E 1741 19 a a E E99A 06 pis HNVO GND we TE Bb HaavaH 8
29. a miss o atribuem as tarefas aos ve culos supervisionam e tele operam quando necess rio A equipa ainda apoiada por um rob a reo quadrotor controlado por outra equipa de opera o que percorre o cen rio criando mapas fotogr ficos com informa o das zonas de maior probabilidade de exist ncia de v timas Toda a equipa de salvamento orientada por um agente que coordena as diferentes opera es realizadas pelas equipas humanas e rob ticas Nestas miss es importante que exista uma rede de comunica es entre todos os ve culos e a esta o de opera o No caso de uma rea reduzida prov vel que a esta o de opera o consiga fornecer a rede a todos os ve culos no entanto em maiores reas ser necess rio que os ve culos sirvam tamb m de infraestrutura de comunica o n o s para as comunica es entre a equipa mas tamb m para disponibilizar comunica es s restantes equipas de salvamento A an lise dos m todos de actua o das equipas de salvamento bem como dos compor tamentos esperados pela equipa de rob s ser aqui divida em cinco fases no Setup s o 16 Casos de Estudo Figura 3 2 Diagrama de opera o das equipas de salvamento abordadas as inicializa es da miss o no Briefing realizado o planeamento da miss o no Survey analisam se os comportamentos durante a pesquisa no Debriefing relatam se e analisam se os resultados da miss o no Close finaliza se a miss o Setu
30. ac o dos ve culos s o utilizados motores com caixa redutora com uma rela o 6 1 garantindo aos ve culos uma velocidade de 0 5 m s Cada ve culo cont m um encoder incremental em cada roda para possibilitar a navega o odom trica um sistema de vis o stereo com cinco graus de liberdade oito sonar range finders um magnet metro um inclin metro de dois eixos e suspens o activa com quatro graus de liberdade Est o ainda preparados para a integra o de radares um bra o rob tico uma broca de perfura o e c maras laser 11 12 2 5 Projecto RESCUE O Projecto RESCUE Cooperative Navigation for Rescue Robots um projecto de senvolvido pelos grupos de investiga o de Sistemas Inteligentes Vis o Computacional e Rob tica M vel do Instituto de Sistemas e Rob tica do Instituto Superior T cnico em Lisboa Este projecto tem como principal objectivo desenvolver solu es integradas para o desenho de equipas cooperativas de rob s para opera o em ambientes outdoor perigo sos nomeadamente cen rios de busca e salvamento combate de inc ndios e detec o de minas cen rios de monitoriza o e vigil ncia ambiental e cen rios de produ o agr cola em massa Para tal o projecto visa desenvolver solu es para mapeamento do cen rio navega o cooperativa de multi rob s e coordena o e gest o de tarefas multi rob ticas 13 14 b Figura 2 5 Rob s do Projecto RESCUE 14 12 Estado da Ar
31. altera o do esquema el ctrico da mesma renovando os circuitos de alimenta o e de reset introduzindo um circuito de comuta o para modo de programa o atrav s da porta s rie e alterando o conector de JTAG incompleto Figura 6 20 Placa de desenvolvimento validada 6 3 Outros Testes e Resultados 59 Com a introdu o do novo microprocessador da Connectivity line foi adicionado o circuito com o transceiver de Ethernet e alterados outros circuitos para garantir a com patibilidade de todos os perif ricos da placa com os dois microprocessadores Todas as altera es realizadas levaram ao desenho de raiz de um novo layout de quatro camadas ilustrado no Anexo A 2 6 3 3 Servo motores Digitais Durante o desenvolvimento das bibliotecas de controlo dos servo motores digitais verificou se que o feedback de corrente disponibilizado pelo protocolo HMI incompat vel com a exist ncia de mais do que um servo motor no barramento O protocolo n o especi fica qual o servo motor a qual pede a informa o respondendo todos ao mesmo tempo Verificou se tamb m que no momento em que se requer informa o dos servo motores sobre dados de posi o tens o ou corrente os servo motores perdem for a por um tempo muito reduzido impossibilitando apenas a aquisi o de dados a grandes frequ ncias Esta p gina foi intencionalmente deixada em branco Cap tulo 7 Conclus o e Trabalho Futuro Nesta disserta o apresenta s
32. ara a ltima localiza o alcan ada onde garantida a exist ncia de comunica es ou continuar a executar a tarefa transmitindo mais tarde os dados adquiridos Na consola de opera es apresentado um aviso de alerta e Os ve culos terminam a tarefa atribu da Avisam o operador e aguardam novas ordens O operador decide se define uma nova rea traject ria ou ponto de pesquisa ou se d por terminada a miss o Debriefing e Os mapas criados durante a pesquisa pela equipa multi rob tica s o guardados analisados e disponibilizados s equipas de salvamento e Caso seja detectada alguma falha na cria o dos mapas os operadores decidem se ser necess ria uma nova pesquisa e Ap s a finaliza o da pesquisa em toda a rea do cen rio os ve culos regressam esta o de opera o Close e Dada como terminada a miss o pelos operadores reavaliado o estado dos ve culos e anotados poss veis danos 20 Casos de Estudo e Os ve culos s o desligados desmontada toda a esta o de opera o e guardado todo material para o regresso 3 1 2 Exemplo de Utiliza o Iniciando uma miss o de resgate no local ilustrado na Figura 3 3 uma equipa de dois operadores chega ao local e monta a esta o de opera o no ponto E esta o constitu da por duas consolas de opera o que possibilitam o controlo dos ve culos terrestres de pesquisa 1 2 e 3 O ve culo 3 integra um bra o
33. argets EB componentes de controlo EB componentes de percep o IE Actuadores DD sensores Figura 5 3 Diagrama funcional da plataforma LINCE blocos e tamb m para o mapeamento de targets como por exemplo para a localiza o de v timas Sensores de posi o absolutos como GPS ou sensores relativos como INS e sen sores de odometria fornecem informa o que apoiam o ve culo na sua localiza o e esta ir permitir a navega o do mesmo Outros sensores apropriados para miss es especificas como detectores de metais para a pesquisa de minas ou sensores de subst ncias qu micas poder o tamb m fornecer informa o para a detec o dos targets A detec o de obst culos fornece informa o para o mapeamento do terreno mas tamb m directamente para o c lculo de traject rias quando se detectam obst culos din micos em movimento O mapeamento do terreno fornece informa o tanto para o c lculo de tra ject rias como para a navega o do ve culo e apoia se tamb m nos dados da localiza o e orienta o do ve culo provenientes da navega o para a cria o dos mapas O pla neamento apoiado pelas informa es dos targets mapeados toma decis es quanto aos pr ximos pontos a atingir O c lculo de traject rias tendo a informa o desses pontos apoia se nos mapas localiza o do ve culos e nos obst culos din micos para actualizar as traject rias esperadas ao longo do deslocamento Por fim um ltimo bloco
34. bom n vel de indiferen a cor dos objectos re flectidos e boa imunidade interfer ncia da luz solar quando o sensor se encontra fixo no espa o no entanto quando em movimento por vezes a luz solar provoca algumas dis tor es nos resultados A Figura 6 19 ilustra o resultado de um varrimento efectuado com a distor o causada pela interfer ncia solar vis vel do lado direito da imagem Os sensores IR t m uma taxa de sa da de dados aproximada de 25 Hz limitando assim a velocidade de rota o do IR Range Finder Quanto maior a resolu o desejada maior ser o tempo de rota o do sensor contudo com uma resolu o de 5 que j disponibiliza 58 Sistema Desenvolvido Figura 6 19 a Cen rio exterior b Resultado do varrimento 2D com interfer ncia solar uma boa percep o do estrutura do meio um varrimento de 180 realizado em cerca de 1 5 segundos Com a movimenta o do ve culo os dados do varrimento poder o ficar distorcidos no entanto o STM32 medida que adquire os dados de cada medida poder envia los directamente para o computador onde cada dist ncia detectada ser associada posi o actual do ve culo 6 3 2 STM32 Como referido anteriormente para realizar o interface entre alguns dispositivos e o computador da plataforma LINCE foi necess rio proceder valida o de uma placa de desenvolvimento baseada no STM32 j existente no laborat rio A valida o resultou na
35. cter sticas s o agrupadas nas tr s seguintes categorias e Caracter sticas Perceptuais Visibilidade dos outros rob s A visibilidade dos outros rob s de um sistema pode ser completa ou limitada Referencial Os rob s podem se apoiar em referenciais globais absolutos ou em referenciais relativos ao pr prio sistema Sistemas Multi Rob ticos Capacidade de comunica o Podem n o utilizar comunica es podem utili zar comunica o de informa o global de todo o sistema ou comunica o de informa o local de apenas um rob As comunica es podem compensar in sufici ncias nas capacidades sensoriais a um n vel global para coordenar toda a forma o ou a um n vel local como por exemplo a posi o de outros rob s que utilizam um referencial absoluto e Caracter sticas de Forma o Geometria da forma o Podem estar organizados em diversas formas geom tricas como em c rculo linha tri ngulo rect ngulo grelha entre outras como em formas arbitr rias Determina o da posi o O rob s podem calcular a sua posi o relativamente forma o de tr s formas unit center referenced onde o ponto de refer ncia utilizado por cada rob a m dia das posi es x e y de todos os rob s point referenced onde o ponto de refer ncia um ponto nico que poder ser a posi o do ve culo l der ou outro ponto virtual neighbor referenced onde
36. dade f sica ou perda de posi o orienta o emitido um alarme Nas consolas de opera o estes alarmes s o representados com avisos sonoros e visuais Os ve culos aguardam por novas instru es Caso o n vel das baterias dos ve culos seja insuficiente para concluir a tarefa actual e regressar esta o de opera o os ve culos podem a meio da tarefa regressar para se auto recarregar pedindo autoriza o aos operadores O operador deve ter em conta na sua decis o de autoriza o se as comunica es dos restantes ve culos n o ser o afectadas com a retirada do rob 3 1 Busca e Salvamento 19 e Os ve culos t m de ser capazes de mapear o terreno detectar v timas e detectar subst ncias qu micas e em equipa criar um mapa das poss veis localiza es para informa o das equipas de salvamento e Sempre que um dos ve culos detecta ou suspeita da poss vel exist ncia de uma v tima avisa o operador fornece informa es audiovisuais da v tima e aguarda novas ins tru es O operador analisa a informa o recebida do rob faz os poss veis para 0 apoio v tima informa as equipas de salvamento e define novas tarefas ao rob e A qualquer momento da miss o o operador pode desejar tele operar qualquer um dos ve culos da equipa tendo assim estes de suportar a comuta o aut nomo tele operado e A qualquer momento os ve culos perdem comunica es Neste momento podem tentar voltar p
37. dos s o arquivados em memoria partilhada sendo alguns dos mesmos utilizados apenas pelo rob em causa e outros enviados para toda a equipa A arquitectura funcional do sistema inclu o planeamento de tarefas coordena o de tarefas e gest o de comportamentos 13 14 Cap tulo 3 Casos de Estudo Conte do 3 1 Busca e Salvamento lt xs ss s s s s RR RR ee R 13 LL User Case es Be els ae ES ar an eae ee ia eb we are an a 15 3 1 2 Exemplo de Utiliza o e 20 3 2 Requisitos de Hardware o 21 3 1 Busca e Salvamento Os cen rios p s cat strofe de desastres como tremores de terra tsunamis enxurra das ou deslizamento de terras onde o n vel de destruic o elevado dificultam e tornam perigosa a actua o do ser humano Os perigos devem se principalmente poss vel instabi lidade do terreno exist ncia de fugas de g s s explos es e s queda das infraestruturas Para al m do perigo a destrui o dos meios de comunica o locais dificulta o planeamento e a actua o das equipas de salvamento A Figura 3 1 ilustra um cen rio real de cat strofe numa ilha provocado por sucessivos tremores de terra e um tsunami que destru ram casas e pontes e provocaram inc ndios no local Estes cen rios s o prop cios utiliza o de ferramentas avan adas auxiliares da miss o de busca e salvamento que permitem o aumento da efic cia destas ac es sem p r em risco vidas
38. e uma solu o para um sistema de busca e salvamento para actua o em diversos cen rios sendo dado nfase aos cen rios de cat strofes naturais Com base no cen rio analisado foi desenvolvida uma proposta de utiliza o do sistema onde foram especificadas as funcionalidades a implementar na equipa de ve culos Defini das essas funcionalidades foram especificados os requisitos para o hardware dos ve culos terrestres Foi tamb m projectada uma arquitectura conceptual do sistema de m ltiplos rob s a implementar tendo como base a utiliza o das plataformas LINCE desenvolvidas no LSA em fun o dos requisitos das miss es analisadas Para as plataformas foram desenvolvidas solu es que respondem aos requisitos de hardware definidos tendo em considera o a dis ponibilidade do hardware as exig ncias de processamento que o mesmo poderia causar no sistema dos ve culos e as respectivas capacidades f sicas Foi desenhada uma arquitectura para a interliga o de todo o hardware aplicada nas plataformas Na implementa o dessa arquitectura foram adaptados novos actuadores e sensores dos quais foi desenvolvido um IR Range Finder Foi tamb m desenvolvida e adaptada nos ve culos uma placa de interface baseada num microprocessador STM32 que garante a interliga o de alguns dos sensores actuadores e unidades de processamento e uma placa de distribui o e gest o de energia para todos os perif ricos Na interliga o dos peri
39. ennsylvania K Schilling and F Driewer Remote control of mobile robots for emergencies Daniel Eck Manuel Stahl and Klaus Schilling The Small Outdoor Rover MERLIN and its Assistance System for Tele Operations In 6th International Conference on Field and Service Robotics FSR 2007 Field and Service Robotics Springer Tracts in Advanced Robotics Chamonix France 2007 Springer Joshua A Marshall Terence Fung Mireille E Broucke Gabriele M T D Eleuterio and Bruce A Francis Experiments in multirobot coordination Robotics and Auto nomous Systems 54 2006 69 70 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 REFER NCIAS UTIAS Marsdome project home Setembro 2009 http sr utias utoronto ca marsdome htm P Lima M Isabel Ribeiro Luis Custodio and Jose Santos Victor The rescue project cooperative navigation for rescue robots In Proc of ASER 03 1st International Workshop on Advances in Service Robotics Bardolino Italy Mar o 13 15 2003 ISR Rescue project home Setembro 2009 http rescue isr ist utl pt index php JC Aeiou quiosque em foco sismo na china 71 mil mortos 200 socorristas soterra dos Maio 2008 http quiosque aeiou pt gen pl p storieskop viewkf okey ae stories 9780 Alon Wolf Howie Choset Benjamin H Brown and Randall W Casciola Design and control of a mobile hyper redundant urban search and rescue robot
40. ensagens entre os rob s A passagem de mensagens o modo mais utilizado pois a rapidez e privacidade com que as mensagens s o transmitidas garantem uma maior efic cia A utiliza o de mem ria partilhada normalmente de mais dif cil implementa o pois exige metodologias adicio nais para a sincroniza o dos rob s especificamente no controlo de acesso informa o mas por exemplo no caso de partilha de mapas digitais entre os rob s tem a vantagem de todos poderem construir o mesmo mapa Utilizando a passagem de mensagens ne cess rio considerar a arquitectura de comunica o definida No caso duma arquitectura de comunica o directa necess rio assegurar que os rob s podem receber mensagens constantemente e inversamente prever a possibilidade de uma mensagem enviada n o ser recebida pelo rob de destino A arquitectura de comunica o assistida pode j resolver este problema caso o elemento intermedi rio esteja munido de capacidade de manter as mensagens e reenvi las at que o destinat rio as receba Topologias de Comunica o No caso da utiliza o de redes de comunica o estas podem seguir diferentes topolo gias Uma topologia define a forma de uma rede e as rela es existentes entre os membros da mesma A Figura 4 1 ilustra algumas das variadas topologias existentes tanto para as liga es de dados f sica como l gica sendo as mais comuns e importantes para sistemas multi rob ticos
41. erer cp R T KR eer BR Ch Actuadores 6 1 1 6 1 2 6 1 3 6 1 4 6 1 5 6 1 6 6 1 7 6 1 8 6 3 1 6 3 2 7 Conclus o e Trabalho Futuro Comunica es Placa de Gest o de Energia e KEE KEE Pandora su asas des Computador de Bordo 6 2 Consola de Opera es 6 3 Outros Testes e Resultados Sensores IR SEM32 mim poe goa kop roa a E 6 3 3 Servo motores Digitais A Esquemas e Layouts A 1 Placa de Gest o de Energia A 2 STM32 Refer ncias CONTE DO Lista de Figuras 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 3 1 3 2 3 3 4 1 5 1 5 2 5 3 5 4 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 6 7 6 8 6 9 6 10 6 11 6 12 6 13 6 14 6 15 6 16 6 17 6 18 6 19 6 20 Al Sistema de agentes COMET 2 0 0 00 ee ees Equipa de rob s MARS Rob s MERLIN e Rob ATEO ROVER pus dm we eae gh RCB R RR eo ac S o BO RCE R gh Ons Rob s do Projecto RESCUE 20 e Cen rio de cat strofe ee ee ee ee ee ee ee ee is Diagrama de opera o das equipas de salvamento Planeamento da miss o e Topologias de redes de comunica o e Sistema multi rob tico projectado svae ee ee ee ee ee Diagrama conceptual de partilha de dados do sistema Diagrama funcional da plataforma LINCE ee ee ea Arquitectura de hardware projectada o ee ee 00000 Diagrama de comunica es do hardware do LINCE M dulo de GPS SUPERSTAR HU a Hokuyo UBG
42. ervo fazendo a interface com o PC 48 Sistema Desenvolvido Figura 6 7 Servo motor HSR 5980SG 6 1 4 Comunica es At data para a comunica o entre os ve culos e a consola de opera es utili zada uma rede de topologia em estrela possuindo cada ve culo um Access Point AirLive WLA 5000AP com suporte das normas IEEE 802 11a b g No entanto encontra se j em desenvolvimento no Laborat rio de Sistemas Aut nomos um projecto para a imple menta o de comunica es de topologia mesh norma IEEE 802 11s para integra o nestes ve culos 6 1 5 Placa de Gest o de Energia Para atender aos requisitos de hardware foi tamb m desenhada um nova placa de gest o de energia visto que a anterior apenas regulava e distribu a as tens es para os v rios dispositivos Esta possui agora um DC DC de 24 V para 5 V um DC DC de 24 V para 7 4 V corte individual das linhas de alimenta o de cada dispositivo corte manual de emerg ncia do motor e leitura das correntes consumidas e das tens es das baterias Os 5 V s o distribu dos pelo AP GPS Sensores IR INS e STM32 e os 7 4 V alimentam os circuitos dos servo motores Est tamb m dispon vel uma slot adicional para um terceiro DC DC de 7 4 V no caso da utiliza o de dois servo motores para a direc o que podem consumir correntes elevadas Os mecanismos de corte individual da alimenta o de cada dispositivo ir o possibilitar a redu o dos consumos no caso da in
43. f ricos foram implementados protocolos de comunica o HMI e CAN bus Por ltimo e apesar de ainda n o estar totalmente configurado foi introduzido no software do ve culo um gestor de miss es que possibilita uma f cil defini o das miss es a realizar A elabora o desta disserta o contribuiu para a implementa o do projecto LINCE 61 62 Conclus o e Trabalho Futuro na medida em que foi elaborado um estudo de poss veis miss es e dos requisitos das mesmas que possibilita assim a futuros utilizadores o acesso informa o necess ria para a realiza o de uma determinada miss o assim como a arquitectura conceptual desenhada permitir que o sistema realize as mesmas miss es Os ve culos encontram se tamb m preparados para permitir a sua utiliza o com elevado grau de autonomia Agora que existe definida uma arquitectura para o sistema torna se assim poss vel desenvolver o software de processamento de dados dos sensores e criar e ou integrar algoritmos de navega o e controlo que permitam a execu o de manobras aut nomas Para a execu o das miss es ser ainda necess rio proceder devida configura o do gestor de miss es e alterar a aplica o LINCE Mission Control de forma a permitir a representa o dos resultados dos novos sensores introduzidos Nos ve culos ter o de ser integrados mecanismos adaptados a miss es especificas bra os rob ticos detectores de metais etc dispositivos para
44. f Technology 2001 Daniel Cruz James McClintock Brent Perteet Omar A A Orqueda Yuan Cao and Rafael Fierro Decentralized cooperative systems a multivehicle platform for research in networked embedded systems IEEE Control Systems Magazine Junho 2007 Justin Clark and Rafael Fierro Mobile robotic sensors for perimeter detection and tracking ISA Transactions 46 Fevereiro 2007 MARS Mars project home Setembro 2009 http www cis upenn edu mars home html R Fierro A Das J Spletzer Y Hur R Alur J Esposito G Grudic V Kumar I Lee J P Ostrowski G Pappas J Southall and C J Taylor A framework and architecture for multirobot coordination International Journal of Robotics Research 21 10 11 977 995 2002 J Spletzer A K Das R Fierro C J Taylor V Kumar and J P Ostrowski Cooperative localization and control for multi robot manipulation In Proceedings of the Conference on Intelligent Robot Systems IROS 01 Maui Hawaii October 29 November 3 2001 R Alur A Das J Esposito R Fierro Y Hur G Grudic V Kumar I Lee J P Ostrowski G Pappas J Southall J Spletzer and C J Taylor A framework and architecture for multirobot coordination In Experimental Robotics Lecture Notes in Computer Science Waikiki Hawaii December 10 13 2001 Springer Verlag Sameer Qudsi Kamela Watson and April Harper Clodbuster Robot Building Docu mentation GRASP Laboratory University of P
45. ferido Este motor capaz de fornecer um bin rio cont nuo de 11 Kg cm e um bin rio de pico de 62 Kg cm com uma tens o de alimenta o de 24 V O controlo deste motor bem como a leitura do encoder do mesmo feito pela Pandora Figura 6 6 Motor Pittman GM92365021 Servo motores Os servo motores anal gicos de RC foram substitu dos por servo motores digitais devido necessidade de realimenta o da direc o do ve culo e tamb m pelo bin rio dos mesmos Os servo motores anal gicos utilizados forneciam um bin rio m ximo de 9 6 Kg cm que por vezes n o era suficiente para o ve culo navegar em terrenos acidentados chegando muitas vezes ruptura dos servos por insist ncia do tele operador Os servo motores digitais Hitec HSR 5980SG adaptados al m de fornecerem um bin rio m ximo de 30 Kg cm com uma tens o de alimenta o de 7 4 V possuem uma protec o anti ruptura que desliga o servo ap s 10 segundos de bloqueio A sua interface feita atrav s do protocolo de alto n vel HMI Hitec Multi protocol Interface propriet rio da Hitec que permite a liga o de at 128 servo motores num barramento RS 232C Daisy Chain utilizando apenas uma linha de dados Este protocolo permite obter feedback de posi o corrente e tens o de alimenta o de cada servo motor Os servo motores fazem internamente o controlo de velocidade e posi o estando o STM32 a fornecer os setpoints das posi es e a receber o feedback do s
46. humanas Um dos principais problemas que se colocam frequentemente neste tipo de cen rio a r pida localiza o das v timas e a chegada de uma primeira ajuda queles que ainda se encontram com vida sem colocar tamb m em risco a vida dos socorristas basta pensar 13 14 Casos de Estudo a DSDOD Miinoh Figura 3 1 Cen rio de cat strofe que nos dois dias subsequentes ao terramoto que ocorreu na China em 2008 morreram mais de 200 pessoas em opera es de aux lio 15 Neste cap tulo ser analisado e especificado o uso de uma ferramenta auxiliar de busca e salvamento baseada numa equipa de rob s m veis Esta equipa ser constitu da por dois segmentos o a reo e o terrestre ferramenta a ser projectada ir ser equacionada para utiliza o nos seguintes quatro diferentes tipos de miss es e Risk Assessment Esta miss o consiste em mapear os diversos riscos existentes no terreno Os ve culos t m como objectivo final a constru o de mapas de imagens georreferenciadas mapas digitais da estrutura do terreno e mapas de localiza o de subst ncias qu micas que poder o ser t xicas ou explosivas e Resgate Onde os ve culos pesquisam o terreno para criar mapas de localiza o das v timas para informa o das equipas de salvamento e onde embora limitado os operadores poder o dar algum apoio atrav s da interac o com as v timas utilizando os rob s para tal e Mula Onde se d apoio
47. ica o expl cita entre rob s esta pode ter uma arquitectura directa ou assistida e Nas comunica es directas os rob s tratam da sua pr pria comunica o sem in terven o de qualquer outro agente partilhando as especifica es que permitem a comunica o Um dos principais problemas deste tipo de comunica es consiste na inexist ncia de um elemento que coordene a comunica o para evitar conflitos na tentativa de transmiss o de dados simult nea Nas comunica es assistidas os rob s recorrem a um elemento intermedi rio que faci lita a comunica o Este elemento recebe as mensagens dos rob s e ir reencaminha las para o destino fazendo assim a coordena o de envio das mensagens para evitar os conflitos referidos Deste modo diminu da tamb m a complexidade exigida aos rob s para realizar as comunica es pois estes n o necessitam de armazenar informa es detalhadas sobre os outros rob s Este tipo de comunica es pode in troduzir no sistema uma certa centraliza o e estrangulamento das comunica es no agente intermedi rio e no caso de falha deste agente todas as comunica es deixam de funcionar De um ponto de vista do n vel de implementa o as comunica es podem ser realizadas de duas formas 4 1 Caracter sticas dos SMR 27 e Todos os dados s o transmitidos para uma mem ria partilhada Blackboard onde os rob s acedem para descarregar os mesmos e Passagem de m
48. ime ms Last ping s Last message s Y Mission Mission Control Start Stop Continue Tele send clean stop Figura 6 13 Aplica o de opera o LINCE Mission Control a utiliza o deste formato permite se que a miss o tanto possa ser definida no local pelos operadores como possa ser definida previamente encarregando se o operador apenas de supervisionar a execu o da miss o 6 3 Outros Testes e Resultados 6 3 1 Sensores IR An lise Para o desenvolvimento do IR range finder foram validados diferentes modelos de sensores Foram analisados os sensores Sharp GP2D02 um modelo j descontinuado mas com stock existente no Laborat rio de Sistemas Aut nomos Este sensores apresentam uma vantagem em rela o aos sensores utilizados visto que utilizam um protocolo digital especificado pela Sharp que fornece a capacidade de sincronismo do sensor O utilizador especifica o instante em que o sensor emite o sinal IR atrav s de uma linha de clock e recebe na linha de dados o valor correspondente dist ncia detectada No entanto detectou se um problema nos limites de detec o do sensor Quando o sensor n o detecta qualquer obst culo o valor retornado superior aos valores de detec o para as dist ncias m ximas especificadas impossibilitando a detec o de dist ncias superiores a 50 60 em 6 3 Outros Testes e Resultados 55 A Figura 6 14 ilustra o gr fic
49. integrado adequado para uma categoria de motores suportando tamb m a adi o de componentes de pot ncia ex ternos para se adaptar a motores de pot ncias mais elevadas Integra tamb m sensores de corrente que fornecem uma capacidade diagn stico e controlo em bin rio e um desco dificador de quadratura para encoders incrementais Nesta plataforma al m do controlo do motor de trac o este m dulo era tamb m respons vel pela actua o na ilumina o do ve culo e pela actua o dos servo motores anal gicos sendo esta ltima funcionalidade desactivada pela integra o dos novos servo motores digitais Figura 6 12 M dulo de controlo de motores Pandora 6 1 8 Computador de Bordo O computador integrado nos ve culos possu um processador Via C7 de 1 5Ghz e para al m dos perif ricos gen ricos como portas s rie USB e ethernet inclui um conversor de porta paralela para o barramento CAN de forma a comunicar com o restante sistema do ve culo inclu do ainda um adaptador que permite ligar um cart o Compact Flash no barramento IDE onde guardado todo o software O computador corre o sistema operativo Fedora Core baseado em Linux onde execu tado o programa desenvolvido no Laborat rio de Sistemas Aut nomos que realiza todas as opera es definidas pelo utilizador numa consola operacional No mbito deste trabalho foi integrado na plataforma uma nova vers o do software que possu agora um gestor de miss
50. interface entre o barramento de sensores CAN e o Player actualizando as informa es dos sensores a uma taxa de 1KHz Atrav s de uma interface gr fica o operador pode controlar a equipa em v rios n veis diferentes Pode controlar cada ve culo individualmente regulando as suas velocidades e 2 2 Projecto MARS 7 orienta es ou atribuir waypoints onde o ve culo trata neste modo de calcular as suas traject rias Para controlar a equipa completa o operador apenas define uma posi o final ou v rios waypoints a toda a equipa escolhendo uma forma o r gida ou uma forma o de persegui o do l der Para estas forma es a equipa pode utilizar estrat gias de coor dena o centralizada em que os algoritmos de controlo de cada ve culo correm na consola de opera es ou estrat gias de coordena o descentralizada em que cada ve culo processa as suas ac es de controlo sendo a consola utilizada apenas para monitoriza o do estado dos v rios ve culos O conhecimento das posi es dos ve culos para poderem respeitar as forma es tanto pode ser adquirido atrav s de algoritmos de reconhecimento com base nos m dulos de vis o de cada ve culo como ser adquirido atrav s das comunica es 2 2 2 Projecto MARS O projecto MARS Multiple Autonomous Robots desenvolvido no GRASP Labora tory da Universidade da Pensilv nia em Filad lfia EUA um projecto j conclu do que teve como principais objectivos de
51. l Vi j iF Figura 5 2 Diagrama conceptual de partilha de dados do sistema 5 2 Plataforma LINCE 5 2 1 Arquitectura Funcional Embora a plataforma LINCE Rover se encontrasse j em funcionamento no in cio deste trabalho as suas funcionalidades limitavam na utiliza o tele operada Para atender aos requisitos do trabalho fazendo com que os ve culos adquirissem autonomia foram projec tadas algumas altera es A Figura 5 3 ilustra o diagrama funcional dos ve culos LINCE de acordo com as altera es necess rias Estas consistem principalmente na introdu o dos sensores ilustrados que fornecem informa o que permite que os ve culos processem as componentes de planeamento percep o navega o e controlo que o tornam aut nomo O dados brutos de cada sensor numa primeira fase passam por processos que trans formam os mesmos em informa o Poss veis sensores de dist ncias como sensores de Sonar sensores de IR e Laser Range Finders fornecem informa o para a detec o de obst culos e tamb m para navega o do ve culo pois o ve culo pode se apoiar nessa in forma o para se localizar c mara de v deo poder fornecer informa o para os mesmos 38 Projecto Servo C lculo Motores nto ject ri Planeame traject rias Actua o Motores trac o A Processamento Mapeamento Detec o Terreno Obst culos Navegacao 7 mi Odometria GPS INS Mapeamento T
52. m ser utilizados em diversos tipos de miss es sendo a sua utiliza o fundamental em miss es que colocam o ser humano em risco como aplica es em ambientes nucleares miss es planet rias miss es militares e de busca e salvamento Existem ainda outras aplica es que n o implicam o risco humano mas onde a utiliza o destes sistemas uma mais valia 1 S o exemplos de algumas aplica es miss es de explora o para a detec o de minas detec o de inc ndios e detec o de subst ncias qu micas ou nucleares explora o pla net ria e explora o para fins de mapeamento inspec o de canaliza es metropolitanas oleodutos e gasodutos Miss es de limpeza de grandes superf cies e de manuten o de ter renos agr colas miss es de seguran a de um per metro e escolta de ve culos monitoriza o ambiental e recupera o de cat strofes 2 Introdu o Os cen rios p s cat strofe de desastres como tremores de terra tsunamis enxurra das ou deslizamento de terras onde o n vel de destrui o elevado dificultam e tornam perigosa a actua o do ser humano Os perigos devem se principalmente poss vel instabi lidade do terreno exist ncia de fugas de g s s explos es e s queda das infraestruturas Para al m do perigo a destrui o dos meios de comunica o locais dificulta o planeamento e a actua o das equipas de salvamento Nestes casos a utiliza o de sistemas rob ticos torna se
53. mas durante a miss o este respons vel por procurar solu es e planear novas tarefas para os rob s A sua opera o n o necessita de ser totalmente de supervis o podendo este quando achar necess rio controlar directamente o rob ou controlar apenas alguns dispositivos de um rob enquanto este se move autonomamente Um dos problemas deste modelo poder ser a exist ncia de falhas na miss o caso o operador n o perceba que um determinado rob desadequado para a tarefa atribu da O operador est tamb m limitado a controlar um reduzido n mero de rob s embora no controlo directo este problema seja ainda mais elevado pelo facto de no controlo supervisio nado o rob s j realizarem algumas tarefas autonomamente Outro problema consiste na habilidade do operador para ter a no o do meio em que se encontra o rob O operador necessita de ter sensibilidade para perceber o que o rob est a fazer e para saber quando o mesmo se encontra com problemas Se a interface de opera o for fraca o operador pode criar uma imagem incorrecta do estado dos rob s podendo esta resultar em danos no sistema Controlo Aut nomo Neste tipo de modelo o operador atribu tarefas de alto n vel ao sistema de rob s que estes realizam autonomamente Os rob s s o capazes de planear as suas pequenas tarefas determinando as melhores rotas formas de actua o e distribui o de tarefas antes e durante a execu o o modelo que qualq
54. mec nico com uma c mara de v deo na extremidade que possibilita a busca em locais mais retirados e deteriorados 16 Figura 3 3 Planeamento da miss o Juntamente com a equipa de ve culos terrestres operam equipas de salvamento huma nas e uma equipa com ve culos a reos Esta equipa fornece s restantes mapas actualizados do cen rio destru do onde est o j representadas as zonas Al e A2 de maior probabili dade de exist ncia de v timas humanas com vida Assim que verificada a integridade das infraestruturas dessas zonas para que n o exista perigo para os humanos os mesmos s o enviados para essas zonas Durante a sua pesquisa s o definidas para os ve culos terrestres outras tarefas Os operadores definem nas consolas de opera o as zonas C1 C2 e C3 onde se ter de tele operar os ve culos devido complexidade dos terrenos e poss vel inexist ncia de informa o de GPS Aos dois rob s homog neos s o atribu das as zonas Bl e B2 onde 3 2 Requisitos de Hardware 21 estes realizar o as suas pesquisas autonomamente e ao terceiro dada a ordem para se deslocar at ao ponto P1 onde ir ser tele operado directamente para busca dentro das casas Assim que os operadores definem o in cio da tarefa na consola os rob s 1 e 2 deslocam se para os pontos iniciais das traject rias definidas determinadas para a maior cobertura poss vel das reas definidas ilustradas nas zonas Bl e B2 Quando terminadas as
55. meros arbitr rios de agentes adequados a cada miss o Figura 2 1 Sistema de agentes COMET 2 Os rob s baseiam se na plataforma mec nica TXT 1 da Tamiya com trac o e di rec o integral com encoders embutidos nas rodas dianteiras para calcular a velocidade de transla o e rota o do ve culo O motor de trac o accionado por um controlador de motores RC e para a direc o s o tamb m utilizados servo motores RC sem qualquer tipo de realimenta o A placa CANBot Control Module faz o interface entre estes dispositivos e o computador de bordo atrav s de um barramento CAN Ligado ao mesmo barramento CAN est tamb m um m dulo de GPS e um IMU para a navega o e m dulos com sen sores IR para detec o de obst culos Ligados directamente ao PC est um dispositivo de vis o est reo e um Laser Range Finder Cada ve culo corre uma vers o do Player um software open source que fornece a interface entre todos os sensores e actuadores do rob e que permite que v rios clientes acedam aos seus recursos ao mesmo tempo Sem qualquer altera o do Player este tanto pode correr nas plataformas rob ticas actuando directamente com os perif ricos do ve culo que interagem com o mundo como pode correr em simula o em conjunto com o Gazebo um software que simula um ambiente 3D e que fornece ao Player os dados simulados da aquisi o dos sensores Juntamente com o Player os ve culos correm uma aplica o que faz o
56. n vel de complexidade mas al m da maior robustez e fiabilidade j referida s o tamb m facilmente escal veis 1 18 4 1 2 Rob s Homog neos Heterog neos Um grupo de rob s homog neo quando todos os rob s possuem as mesmas capacida des e heterog neo caso possuam capacidades diferentes Um sistema de rob s heterog neo mais complexo pois a atribui o de tarefas a cada rob ir depender das suas capacida des para assegurar uma melhor performance Esta atribui o exige que os rob s consigam modelizar os membros da equipa no caso da utiliza o de uma arquitectura distribu da A cobertura de tarefas task coverage representa segundo 20 a capacidade que um determinado sistema multi rob tico tem para executar uma determinada tarefa e esta cobertura ndice da exig ncia de coopera o de um sistema Quando a cobertura de uma tarefa grande as tarefas podem ser executadas com pouca coopera o da equipa sendo no caso contr rio necess ria mais coopera o Isto indica que quanto mais homog neo for um sistema multi rob tico maior ser a necessidade de coopera o para executar uma tarefa e quanto mais heterog neo menor ser a coopera o No caso extremo de heterogeneidade apenas um agente poder realizar uma determinada tarefa n o existindo coopera o alguma com os outros agentes Os sistemas homog neos apresentam ainda uma maior toler ncia a falhas pelo facto dos rob s n o serem
57. ntrolo dos Sistemas Multi Rob ticos podem ser caracterizadas pela sua actividade centralizada descentralizada pela integra o de rob s homog neos ou heterog neos pelas estruturas de comunica o utilizadas e pela capacidade que cada rob tem de modelizar os comportamentos dos parceiros 18 Estas s o importantes ca racter sticas a analisar durante a especifica o de um sistema multi rob tico para realizar uma determinada fun o 4 1 1 Controlo Centralizado Descentralizado Segundo 18 os sistemas multi rob ticos podem ser divididos em sistemas e Centralizados e Descentralizados Distribu dos Hier rquicos Os sistemas centralizados s o aqueles em que apenas um dos agentes tem capacidade de controlo definindo este os objectivos de todos os restantes agentes Este tipo de sistemas apresenta normalmente uma sobrecarga sobre o agente que controla o sistema e perde 4 1 Caracter sticas dos SMR 25 tamb m a sua robustez pois no caso de uma falha no agente central todos os rob s ficam inoperacionais Por m tem a vantagem de produzir planos de actua o mais precisos do que um sistema descentralizado 19 Os sistemas descentralizados e distribu dos s o aqueles em que todos os agentes pos suem as mesmas capacidades de controlo e os sistemas descentralizados e hier rquicos s o aqueles onde todos possuem capacidades de controlo mas com uma hierarquia entre os agentes Este sistemas t m um maior
58. o Digital Converter Access Point Controller Area Network Charge Coupled Device European Geostationary Navigation Overlay Service Global Positioning System Fix Data Global Positioning System Global System for Mobile communications Satellites in view Hitec Multi protocol Interface Inter Integrated Circuit Inertial Measurement Unit Inertial Navigation System Infrared Instituto Superior de Engenharia do Porto Joint Test Action Group Local Area Network Light Emitting Diode Laser Range Finder Laborat rio de Sistemas Aut nomos Personal Digital Assistant Radio Controlled Recommended Minimum sentence C Posi o velocidade e tempo Satellite Based Augmentation System Sistemas Multi Rob ticos Serial Peripheral Interface Unmanned Aerial Vehicle Universal synchronous asynchronous receiver transmitter Universal Serial Bus Wide Area Augmentation System xi Esta p gina foi intencionalmente deixada em branco Cap tulo 1 Introdu o Conte do 1 1 mbito da Disserta o 1 1 2 Motiva o e Enquadramento ss ee ee ee ee ee ee ei ee 2 1 3 Objectivos ie A AN e el Rer ew Ree ee 2 1 4 Estrutura da Dissertac o o 3 1 1 mbito da Disserta o A utiliza o de sistemas de m ltiplos ve culos aut nomos na realiza o de uma deter minada miss o contribui para o aumento da robustez fiabilidade e capacidade de execu o das tarefas Estes sistemas pode
59. o da Arte Figura 2 2 Equipa de rob s MARS 4 o Clodbuster II foi introduzido um computador com um processador PIII a 850MHz e 128MB de RAM e um perif rico de comunica o wireless 802 11B podendo tornar assim o sistema descentralizado A ultima vers o desta plataforma o Clodbuster III al m de pequenas melhorias no sistema computacional integra duas c maras de v deo colocadas nas direc es frontal e traseira do ve culo e 12 sensores de dist ncia IR colocados tr s em cada canto do ve culo Um m dulo baseado numa FPGA controla todos os sensores IR recebe os seus dados e faz a interface com o computador atrav s de uma comunica o RS 232 Este mesmo m dulo integra ainda um aceler metro de dois eixos e faz tamb m a interface entre o computador e os servo motores do ve culo 5 6 7 8 2 3 Sistema MERLIN Os ve culos MERLIN Mobile Experimental Rover for Locomotion and Intelligent Na vigation s o pequenos rob s outdoor tele operados preparados para opera es robustas em ambientes climat ricos inst veis Os seus criadores da Universidade de Wurzburg Ale manha desenvolvem as plataformas para a utiliza o em miss es de busca e salvamento dando suporte a emerg ncias miss es de seguran a e vigil ncia especialmente em zonas de perigo para o ser humano e para inspec o de canaliza es 9 Apostam em platafor mas de pequeno porte para aceder a zonas mais apertadas podendo estas com os avan os
60. o de resposta do sensor onde poss vel verificar a vermelho a resposta aproximada nos momentos de inexist ncia de obst culos H White paper KODAK made gray chart R 27 KH white surface reflectivity 90 Gray paper KODAK made gray chart R 27 gray surface reflectivity 18 Distance measuring output DEC 0 40 60 80 100 120 140 Distance to reflective object L cm Figura 6 14 Resposta do sensor Sharp GP2D02 Devido ao problema encontrado com este sensor adquiriram se os novos sensores re ferenciados na sec o 6 1 2 que n o apresentam o mesmo problema mas que disp em apenas de sa da anal gica e ass ncrona Em qualquer um dos sensores referenciados existe sempre a gama de dist ncias abaixo da dist ncia m nima especificada pelo fabricante onde o resultado do sensor volta a ser inadequado exigindo uma aten o redobrada para n o permitir que o ve culo se aproxime de mais dos obst culos Esta resposta a dist ncias reduzidas tamb m vis vel na Figura 6 14 Calibra o Uma vez que os sensores disp em de uma sa da anal gica n o linear referente dist ncia detectada no STM32 realizada a convers o dos valores obtidos para as dist ncias reais O gr fico da Figura 6 15 ilustra os resultados obtidos da calibra o de um dos sen sores utilizando a m dia de v rias medi es realizadas para dist ncias fixas A fun
61. o decis es que levam con cretiza o dos seus objectivos e serem capazes de interagir com outros rob s do sistema garantindo funcionalidades de coordena o coopera o competi o e ou negocia o que Para a satisfa o do sistema estes rob s apresentam duas caracter sticas levam concretiza o dos objectivos de todo o sistema 17 23 24 Sistemas Multi Rob ticos A utiliza o destes sistemas em rela o a um nico rob vantajoso pelas seguintes raz es fornece uma maior robustez e fiabilidade pois no caso de avaria de um rob o sistema poder continuar a realizar a sua tarefa fornece uma maior capacidade de an lise do ambiente com a utiliza o de diferentes tipos de sensores nos v rios rob s poder permitir uma redu o de custos pela utiliza o de apenas um sistema para v rias tare fas diferentes leva ao desenvolvimento de novas tecnologias pois estes sistemas utilizam processos de maior complexidade Os principais problemas inerentes ao desenvolvimento destes sistemas consistem na atribui o das diferentes tarefas aos rob s Task Allocation na coordena o das movi menta es dos rob s Motion Coordination na capacidade de partilha de mapas e outros dispositivos de navega o entre os rob s Cooperative Navigation e na capacidade de detec o de obst culos e desvio de traject ria dos mesmos Sense amp Avoid 4 1 Caracter sticas dos SMR As arquitecturas de co
62. o manter a estabilidade durante a movimenta o em forma o e uma resposta robusta a falhas dos rob s s o importantes e Desvio de obst culos encontrados nas traject rias desenhadas Uma das solu es pode ser a desintegra o da forma o apenas pelos membros necess rios restabe lecendo essa forma o ap s o contorno do obst culo Outra solu o poder ser o desvio de toda a forma o sem que esta se desintegre e Modifica o da geometria da forma o ao longo da movimenta o e Modo de inicializa o e constru o da forma o Os ve culos poder o organizar se autonomamente criando a forma o ou ter de existir interven o dos operadores colocando os rob s nas posi es da forma o ou em posi es que permitam aos rob s criar a forma o posteriormente 23 e Determinar quais as forma es vi veis de construir utilizando um determinado sis tema multi rob tico em que cada rob poder ter restri es cinem ticas diferentes 4 3 Tele operacao A tele opera o um forma de controlo de sistemas rob ticos e multi rob ticos onde um ou mais operadores controlam os ve culos dist ncia Os sistemas tele operados t m vindo a ser cada vez mais utilizados especialmente em miss es de perigo eminente para o ser humano nomeadamente em aplica es espaciais nucleares submarinas militares m dicas e outras aplica es civis como manuten o de linhas de alta tens o O modelo
63. o obtida pela regress o dos valores do gr fico da Figura 6 15 apresenta alguns desvios dos valores obtidos que introduzem um erro consider vel De forma a diminuir esse erro dividiram se os valores obtidos e constru ram se os dois novos gr ficos da Figura 6 16 passando a ter uma fun o diferente para cada gama de valores em que estas t m j um coeficiente de correla o superior 96 Dist ncia cm Sistema Desenvolvido 180 f x 182083 43 x 1 12 R 0 98 160 140 120 100 80 60 40 20 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Medida 12 bits Figura 6 15 Gr fico de calibracao 1 180 160 f x 89450 6110 x 1 0174 R2 0 9989 140 Dist ncia cm co o 60 40 20 0 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Medida 12 bits a 45 f x 0 0150x 69 5914 R2 0 9953 Dist ncia cm N o 15 10 5 0 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 Medida 12 bits b Figura 6 16 Gr ficos de calibra o 2 6 3 Outros Testes e Resultados 57 Resultados IR Range Finder Durante o desenvolvimento deste sensor foram analisados os seus resultados em di ferentes condi es As figuras 6 17 e 6 18 ilustram alguns dos resultados obtidos nos varrimentos com o sensor IR de maior alcance a b Figura 6 18 a Cen rio interior b Resultado do varrimento 2D com 5 de resolu o Verificou se que os sensores t m um
64. olo e perif ricos de gest o de energia Por fim foi ainda adaptado um gestor de miss es nos ve culos capaz de receber a especifica o das mesmas Esta p gina foi intencionalmente deixada em branco Abstract This dissertation aims to develop a search and rescue system based on multiple ter restrial vehicles using LINCE rovers from Autonomous Systems Laboratory The main purpose of the dissertation is to make changes on these rovers to give them some auto nomy For that possible scenarios of action were studied to determine the main functional requirements of the system Based on the state of the art of these systems were also studied methods of analysis and characterization of multi robot systems and conceptual architectures of the system and vehicles were designed To the vehicles design some sensor and actuator solutions were analyzed and a hard ware architecture capable of connecting all devices was developed Some sensors and actuators were adapted and another sensor was developed It was also developed an interface board to link some devices and an energy board to power and control them Finally it was also adapted in vehicles a mission manager capable of receiving mission specifications ii Esta p gina foi intencionalmente deixada em branco A Clara aos meus pais e a todos aqueles que me apoiaram Esta p gina foi intencionalmente deixada em branco Conte do 1 Introdu o 1 1 mbito da
65. os por falhas na cablagem numa rede f sica ou obstru o do sinal RF numa rede wireless estes poder o continuar a comunicar desde que os restantes elementos disponibilizem essa liga o 21 Outra vantagem possu da por uma rede de topologia mesh reside na possibilidade de transmiss o de dados em simult neo Ao mesmo tempo que os elementos A e B co municam entre eles os elementos C e D podem tamb m comunicar em determinadas circunst ncias 21 Na implementa o de uma rede wireless com este tipo de topologia num sistema multi rob tico a dist ncia de navega o dos ve culos pode ser muito superior pois apenas um rob necessita de liga o ao posto de controlo do sistema retransmitindo o rob as mensagens para os outros rob s No caso extremo os rob s podem formar um linha de comunica es onde cada um se liga apenas a um rob trabalhando como retransmissores 4 1 4 Modelizacao de Comportamentos M tua Outra das principais caracter sticas de um sistema multi rob tico consiste na capa cidade que os rob s t m em modelizar as inten es ac es estados e capacidades dos 4 2 Coordena o de Forma es 29 outros rob s para permitir uma boa coopera o do sistema Esta capacidade torna se muito importante para um sistema caso este utilize rob s heterog neos para que cada um consiga adequar as suas tarefas s suas capacidades As necessidade de comunica es entre os rob s pode tamb m se
66. os componentes do sistema bem com as altera es efectuadas nas plataformas LINCE 6 1 Plataforma LINCE Os ve culos LINCE t m como base mec nica a plataforma comercial de RC TXT 1 da Tamyia Inc Esta plataforma escala 1 10 tem trac o s quatro rodas e direc o frontal 41 42 Sistema Desenvolvido e traseira com uma suspens o que permite a sua utiliza o tanto em laborat rio como em zonas outdoor acidentadas Devido necessidade de carga de um computador sensores entre outros as molas da suspens o foram substitu das por outras mais fortes 6 1 1 Arquitectura de Hardware Com as altera es efectuadas a plataforma passa agora a integrar tamb m como sensores um m dulo de GPS um INS um Laser Range Finder um encoder incremental e sensores de dist ncia IR Al m dos sensores foram integrados novos servo motores digitais com realimenta o de posi o e corrente e desenhada uma placa de distribui o de energia e uma placa de processamento e interface baseada num micro controlador STM32 para controlar os servo motores digitais os sensores IR e a gest o de energia CAN BUS INS Pandora Placa Servo Sensores Motor energia motores IR trac o Figura 6 1 Diagrama de comunica es do hardware do LINCE Para a comunica o entre todos os dispositivos foi aplicada a arquitectura ilustrada na Figura 6 1 Os m dulos de GPS e Laser Range Finder s o ligados directamente ao computador
67. p e As equipas de opera o deslocam se at ao local em ve culos todo terreno ve culos a reos ou mesmo a p carregando o material de opera o em mochilas O material ter de ser port til e minimamente robusto e Os operadores montam no local uma esta o de supervis o e controlo dos ve culos no m nimo com uma consola de opera o que dever conter um mapa do local com informa es das posi es globais antes da ocorr ncia da cat strofe com um Access Point que fornecer uma rede wireless e com carregadores de baterias para os ve culos e A localiza o da esta o ter de ser estrategicamente pensada de forma a disponi bilizar um bom raio de comunica es permitindo uma boa vis o sobre o cen rio e mantendo sempre a seguran a dos operadores e As consolas de opera o dos ve culos t m de disponibilizar o mapa da zona de opera o e outros mapas digitais criados pelos ve culos disponibilizar perif ricos 3 1 Busca e Salvamento 17 que permitam os diferentes m todos de controlo dos ve culos e permitir que os ope radores tenham a percep o real do ambiente em que os ve culos se encontram A localiza o da esta o de opera o tem de ser assinalada para informa o do rob s e Podem ser utilizadas diferentes consolas para a opera o de cada ve culo ou apenas um consola para a opera o de todo o sistema sendo neste caso dificultada a tele opera o directa de cada ve culo
68. para tr s No entanto devido ao pre o dos mesmos at ao momento o Laborat rio de Sistemas Aut nomos p de adquirir apenas um LRF que ser utilizado num dos ve culos Para os outros ve culos e mesmo para a traseira do ve culo que utiliza o LRF foi desenhada uma solu o mais barata com base em sensores IR IR Range Finder Os sensores IR utilizam o principio da triangula o para calcular a dist ncia aos ob Jectos Um LED emite luz IR e caso exista algum objecto que reflicta a luz uma lente precisa colocada a uma pequena dist ncia do emissor transmite essa luz para as v rias c lulas de um sensor linear CCD que detecta o ngulo de incid ncia dessa reflex o sendo esse ngulo proporcional dist ncia ao objecto 26 27 30 Object Object Point of Reflection Figura 6 4 Triangula o dos sensores IR 30 46 Sistema Desenvolvido Foram utilizados 2 modelos de sensores IR os Sharp GP2Y0A02 com capacidade de detec o dos 20 cm aos 150 cm e os Sharp GP2D12J dos 10 em aos 80 cm Colocando estes sensores fixos num servo motor em rota o criou se assim um IR range finder que faz um varrimento de 180 permitindo a detec o de obst culos nessa rea Os sensores de detec o de 150 cm de dist ncia s o utilizados para fazer varrimentos no plano horizontal enquanto que os sensores de detec o de 80 cm s o colocados com 45 de desfasamento em rela o ao plano horizontal para baixo para de
69. r Controlo Directo o modelo mais comum para tele operar um ve culo Neste modelo o operador controla o ve culo directamente utilizando um joystick ou outro perif rico j referido monitori zando ao mesmo tempo atrav s de v deo os movimentos realizados pelo ve culo Embora o ve culo possa assistir o operador em algumas situa es de perigo previs veis pelo ve culo o operador ter sempre a responsabilidade de ter a percep o do meio de tomar as decis es e de as executar Este controlo o mais b sico de implementar no entanto pode ser problem tico devido ao facto do operador possuir todo o poder de decis o obrigando o mesmo a dedicar se continuamente a esta fun o Uma boa percep o do meio pelo operador influenciada por muitos factores como as suas capacidades motoras a sua habilidade e o atraso nas 4 3 Tele opera o 33 comunica es do sistema podendo estes factores levar a erros que poder o ter elevado risco Por esta raz o o operador ter de possuir uma elevada experi ncia nesta fun o Controlo Supervisionado Neste modelo o operador separa a miss o em sub tarefas que atribui aos rob s e que estes realizam autonomamente Durante a actua o aut noma dos rob s o operador veri fica atrav s da interface de opera es o estado dos sensores do ve culo para monitorizar o progresso da miss o e verificar se os rob s est o a realizar as tarefas especificadas Na exist ncia de proble
70. r reduzida com a modeliza o m tua 4 2 Coordena o de Forma es No campo da coordena o das movimenta es de um sistema multi rob tico a orga niza o das forma es outra das importantes tarefas a analisar para a especifica o de diversas miss es Ter um grupo de rob s a actuar de acordo com uma forma o ser vantajoso em diversas aplica es como para explora o de uma rea para vigil ncia ou detec o de minas busca e salvamento e outras opera es militares de escolta ou captura do inimigo As forma es podem ser definidas como grupos de rob s que estabelecem e mant m de terminadas formas gr ficas controlando as posi es e orienta es de cada rob individual relativamente ao grupo fazendo com que o grupo se mova como um s elemento Diferen tes problemas podem ser abordados para a utiliza o de uma forma o numa determinada tarefa Relativamente a cada rob o problema consiste em determinar as suas ac es para manter a forma o e relativamente equipa o problema consiste em determinar quais as ac es do grupo de rob s para realizar determinada tarefa No caso mais simples estes problemas abordam apenas a constru o f sica da forma o e j num caso mais complexo abordam tamb m a coordena o temporal da forma o 22 4 2 1 Caracter sticas das Forma es Podem ser associadas diferentes caracter sticas coordena o de forma es Em 18 e 22 essas cara
71. ra o controlo do IR Range finder foram tamb m desenvolvidas bibliotecas com fun es de leitura dos valores dos sensores transformando esses valores em dist ncias para envio dos dados atrav s do barramento CAN para o PC e fun es que permitem ao ve culo ou operador configurar a rea de varrimento a detectar a resolu o do varrimento e a velocidade de rota o do servo motor que suporta os sensores IR No que concerne gest o de energia as bibliotecas desenvolvidas integram funciona lidades que permitem a leitura das correntes e tens es de alimenta o e a comuta o da alimenta o de cada dispositivo Os processos de c lculo dos consumos e estado das baterias bem como a decis o de comuta o das alimenta es de cada dispositivo est o a cargo do computador que comunica com este m dulo pelo barramento CAN STM32 Bibliotecas Placa distribuic o energia Gest o de energia Sensores Actua o Leitura IR Sensores IR Actuacao Leitura Servo motores Protocolo HMI Servo Motores Figura 6 11 Diagrama funcional do STM32 52 Sistema Desenvolvido 6 1 7 Pandora O controlo do motor de trac o desta plataforma realizado pela Pandora um m dulo embebido desenvolvido no Laborat rio de Sistemas Aut nomos que desempenha fun es de controlo em velocidade e posi o Este m dulo constitu do por um DSP dedicado com interface de barramento CAN e um driver de pot ncia
72. s de comunica es SPI DC USART e CAN e oito timers de 16 bit e tr s ADC de 12 bit com um n cleo ARM Cortex M3 capaz de velocidades de 72 MHz A nova placa foi j desenhada com suporte para os novos microprocessadores STM32F107RC da Connectivity line que suportam comunica o Ethernet al m das funcionalidades j enunciadas permitindo tamb m o fun cionamento dos STM32F103RE Embora a plataforma LINCE n o necessite do suporte de Ethernet neste m dulo essa funcionalidade foi adicionada para permitir a utiliza o desta placa noutros projectos do Laborat rio de Sistemas Aut nomos placa desenhada integra tr s transceivers RS 232 um CAN e um Ethernet com conectores dedicados co nectores I2C e SPI permite a programa o do microprocessador atrav s de JTAG ou pela UART e disponibiliza todos os restantes pinos do microprocessador Encontram se no Anexo A 2 o esquema el ctrico e layout desta placa Figura 6 10 Placa do STM32 6 1 Plataforma LINCE 51 A Figura 6 11 representa as fun es desempenhadas pelo STM32 na plataforma LINCE Foram desenvolvidas bibliotecas de controlo dos servos motores digitais que utilizam o protocolo HMI com fun es para definir a posi o e velocidade de rota o do motor fun es para obter feedback da posi o corrente e tens o de alimenta o e fun es de auto configura o dos limites m nimos e m ximos de excurs o do servo motor quando aplicado na direc o do ve culo Pa
73. s v timas enquanto n o poss vel o resgate Os rob s s o utilizados apenas como uma mula para transporte de alimentos medicamentos e 3 1 Busca e Salvamento 15 outros bens vitais quando as v timas se encontram presas em locais inacess veis aos humanos e Infra estrutura de Comunica o Onde os ve culos s o utilizados apenas para fornecer comunica es s equipas de salvamento nos casos de destrui o dos meios de comunica o locais Como o objectivo desta disserta o o desenvolvimento do segmento terrestre ser focada principalmente esta equipa de rob s sem contudo deixar de referir sempre que necess rio os rob s do segmento a reo 3 1 1 User Case Juntamente com as equipas de salvamento de humanos utilizado um sistema de rob s que apoia a equipa na detec o e resgate de v timas A equipa constitu da por rob s terrestres com sensores de GPS Laser Range Finder e outros sensores para detec o da estrutura do terreno e obst culos sensores de subst ncias qu micas sistema inercial c maras termogr ficas e de v deo totalmente rotativas para a supervis o tele opera o e detec o de v timas e microfone e altifalantes para poss vel interac o com as v timas Possuem uma plataforma mec nica capaz de se deslocar nos terrenos mais acidentados Especificamente para miss es de mula os ve culos est o adaptados para o transporte dos bens vitais Os operadores planificam
74. senvolver ferramentas para equipas de m ltiplos rob s aut nomos para actua o em ambientes desconhecidos e n o estruturados reali zando miss es de reconhecimento do terreno vigil ncia aquisi o de alvos remo o de explosivos busca e salvamento e tarefas de transporte cooperativo de objectos O seu de senvolvimento teve tamb m como alvo permitir que as equipas constru das fossem capazes de realizar opera es autonomamente com comportamentos reactivos e deliberativos que fossem reprogramadas pelo operador em tempo real que aprendessem e se adaptassem a ambientes din micos e n o estruturados assim como a novas tarefas fornecendo sempre garantias de desempenho As arquitecturas a propor teriam de garantir o funcionamento com n mero ilimitados de rob s e que apenas um operador pudesse controlar toda a equipa 4 Durante o desenvolvimento de todas as ferramentas do projecto foram utilizadas tr s plataformas diferentes os Clodbuster I II e III As duas primeiras utilizam a plataforma mec nica Clodbuster da Tamiya Inc e a terceira a plataforma TXT 1 tamb m da Ta miya Inc Como perif ricos sensoriais as duas primeiras plataformas utilizam apenas uma c mara de v deo omnidireccional No Clodbuster I o v deo transmitido em RF para uma esta o de controlo que processa os dados dos rob s e actua sobre os mesmos tamb m por m dulos RF utilizando assim o sistema um controlo centralizado Na evolu o para 8 Estad
75. senvolvidas no cap tulo 3 neste cap tulo projec tado um sistema multi rob tico baseado em sistemas j desenvolvidos anteriormente no Laborat rio de Sistemas Aut nomos S o tamb m projectadas aqui altera es a realizar nas plataformas rob ticas de forma a aumentar as suas capacidades aut nomas 5 1 Sistema Multi Rob tico O sistema projectado ser constitu do pelas plataformas LINCE apoiadas por siste mas UAV actualmente em desenvolvimento por consolas de opera o e dispositivos de comunica es entre eles O sistema de rob s usar uma arquitectura descentralizada para que todos os rob s possam trabalhar independentemente no entanto ser necess rio em diversos tipos de miss es que exista uma hierarquia entre os rob s Neste caso o elemento coordenador que trata de decidir qual a melhor forma o e quais os m todos a utilizar para garantir essa forma o quando necess rio arquitectura suportar tamb m rob s heterog neos 35 36 Projecto Figura 5 1 Sistema multi rob tico projectado para que os ve culos do sistema possam ser adaptados para as diferentes miss es arqui tectura utilizar tamb m m todos que permitam aos operadores utilizar tanto o controlo supervisionado como o controlo directo de cada rob A localiza o dos ve culos ser sempre apoiada por sensores GPS e outros sensores de posi o relativa em que estes contribuem para melhorar a estima o da localiza
76. ste qualquer interactividade centralizada ou descentralizada entre os v rios rob s 2 4 Plataformas Argo Rover O Instituto de Estudos Aeroespaciais da Universidade de Toronto no Canad possu um equipa de dez rob s Argo Rover criados principalmente para o desenvolvimento de estrat gias de explora o da superf cie de Marte com recurso a m ltiplos rob s Utilizam actualmente o MarsDome uma estrutura criada para simular o ambiente de Marte e esperam em 2011 aplicar todas as estrat gias de explora o multi rob tica desenvolvidas na superf cie de Marte 11 12 Figura 2 4 Rob Argo Rover 11 Estes ve culos utilizam a base mec nica TXT1 da Tamiya Inc e t m um computador de bordo com um processador a 700 MHz que utiliza Linux para fazer o processamento de todos os dados A interface entre o computador e todos os sensores e actuadores dos ve culos feita atrav s de um microprocessador de 16 bit a 20 MHz Cada ve culo est equipado com um dispositivo wireless Ethernet utilizado para desenvolvimento remoto de 2 5 Projecto RESCUE 11 software operacao e potencialmente para comunicacao directa entre ve culos As baterias estao colocadas no interior das rodas de forma a baixar o centro de gravidade dos ve culos para melhorar a estabilidade desocupando assim espa o que pode ser utilizado para outros perif ricos Para a direc o dianteira e traseira s o utilizados servo motores gen ricos de RC e para tr
77. tal adaptado no eixo do motor de trac o um sensor de corrente tamb m para o motor de trac o duas c maras de v deo na frente e na traseira do ve culo um girosc pio 2 inclin metros e um sensor de GPS Todo o processamento de dados dos sensores realizado no rob feito por um dispositivo baseado num microprocessador O sistema de comunica es est dividido em duas componentes uma de envio de dados da consola de opera es para o ve culo que transporta os comandos do operador e outra de recep o de dados na direc o oposta que transporta o v deo udio e dados dos sensores As duas componentes utilizam transmissores de r dio separados e ambas funcionam com dist ncias de 500 a 1000 metros com atrasos na transmiss o de v deo de cerca de 0 5 segundos Em modo de tele opera o com o tratamento de dados efectuado pelo rob este 10 Estado da Arte fornece ao operador um suporte activo isto o ve culo analisa as caracter sticas do ambiente e caso os comandos do operador ponham em causa a sua estabilidade f sica ou caso se preveja uma colis o o ve culo toma o controlo para n o permitir que tal se suceda No modo aut nomo o operador apenas tem de definir waypoints para o seu percurso e no caso do perda de comunica es o ve culo tamb m capaz de voltar a um posi o de comunica es garantidas conhecido que v rios ve culos MERLIN s o utilizados em equipa no entanto n o conhecido se exi
78. tarefas por estes ve culos os operadores atribuir o novas zonas de pesquisa at que se cubra toda a rea do cen rio Tamb m quando os operadores definem o in cio da tarefa o rob 3 desloca se para o ponto P1 definido onde ir ser tele operado directamente dentro das instala es da zona C1 assim como nas zonas C2 e C3 Sempre que o tele operador termina a pesquisa de uma das zonas atribu do um novo ponto para onde o ve culo de deslocar autonomamente e nesse ponto voltar a ser tele operado directamente 3 2 Requisitos de Hardware No desenvolvimento das sec es anteriores n o s o apenas definidas as funcionalida des esperadas pelo sistema rob tico terrestre mas sim as funcionalidades e metodologias de actua o esperadas por toda a equipa de salvamento constitu da pelos rob s ope radores e dispositivos de controlo No entanto sendo um dos objectivos deste trabalho o desenvolvimento do sistema rob tico terrestre adquiriu se da an lise realizada os se guintes requisitos de hardware para as plataformas rob ticas que tornam poss veis as funcionalidades especificadas para as mesmas e Actuadores de locomo o e direc o e C mara de v deo para tele opera o e Sensores para detec o de obst culos e mapeamento do terreno e Sensores de orienta o e atitude do ve culo e Sensores de posi o absoluta e relativa e Sensores que possibilitem o registo do percurso percorrido e Sensores de
79. te Numa primeira fase desenvolvem as solu es para um cen rio de busca e salvamento em que utilizam dois rob s um dirig vel e um rob terrestre ATRV JR O dirig vel utilizado para criar mapas topol gicos do cen rio utilizando algoritmos de vis o que ar mazenam informa es da poss vel destrui o de cada zona presen a de v timas e zonas que impe am a passagem dos rob s terrestres sendo estes utilizados para gerar as tra ject rias para os mesmos Poder tamb m servir de plataforma de comunica es entre a esta o de opera es e o ve culo terrestre A navega o do dirig vel baseada em vis o ao contr rio do rob terrestre que utiliza in meros sensores entre os quais GPS b ssola odometria um laser scaner 17 sonars e sistemas de navega o baseados numa c mara de v deo com pan ztilt integrado e sensores inerciais como girosc pios e aceler metros O GPS devolve informa es absolutas de posi o as quais s o alvo de fus o com dados relativos dos aceler metros e da odometria A b ssola devolve tamb m informa es de orienta o absolutas que s o fundidas com dados relativos do girosc pio O controlo da equipa realizado atrav s de software cuja arquitectura permite um controlo distribu do com diferentes threads para aquisi o e processamento de dados dos sensores para as comunica es e para a execu o e altera o de comportamentos Os dados sensoriais originais e j processa
80. tecnol gicos suportar sensores sofisticados como nas plataformas de grande porte O sistema MERLIN completo de um dos ve culos analisados em 10 constitu do pelo ve culo pela esta o de controlo pelos dispositivos de comunica o r dio e pelos perif ricos que podem ser adicionados ao ve culo Estes perif ricos como bra os rob ticos 2 3 Sistema MERLIN 9 Figura 2 3 Rob s MERLIN 10 dispositivos de vigil ncia ou mecanismos de detec o de minas s o modulares permitindo que sejam utilizados apenas para miss es especificas O controlo dos mesmos feito atrav s de um barramento CAN que possibilita a sua r pida integra o no sistema do ve culo O perif rico standard integrado um bra o rob tico utilizado como mastro para elevar duas c maras de v deo uma com uma grande abertura para possibilitar a identifica o dos v rios obst culos e outra com capacidades de zoom para adquirir maior detalhe A esta o de controlo constitu da por um computador port til com um joystick pelos dispositivos de comunica o r dio e por um carregador para os packs de baterias dos rob s O ve culo inclu um motor de trac o de alto bin rio de 1600 Watt e como dispositivos sensoriais integra 4 sensores de ultra sons para detec o de obst culos colocados na frente e traseira do ve culo 2 sensores de dist ncia IR tamb m para detec o de obst culos colocados nas laterais do ve culo um encoder incremen
81. tectar oscila es no terreno e pequenos obst culos e para cima para evitar colis es em locais de baixa altitude Estes sensores t m sa da de sinal anal gica e est o ligados ao STM32 que trata os dados e os envia posteriormente por CAN para o PC Figura 6 5 IR range finder Em rela o a todos os outros sensores poss veis para este tipo de tarefa os sensores IR s o os de mais simples implementa o mais baratos que detectam dist ncias razo veis com uma abertura do feixe de IR pequena permitindo tamb m uma resolu o razo vel com boa imunidade interfer ncia da luz ambiente e indiferen a cor do objecto reflectido Na sec o 6 3 1 s o ilustrados alguns resultados destes sensores C mara de v deo A plataforma LINCE Rover inclu a j uma c mara de v deo Logitech QuickCam Sphere AF com um sistema pan ztilt utilizada para a tele opera o do ve culo Esta com a utiliza o de algoritmos dedicados no PC poder permitir que os ve culos se reconhe am e se localizem mutuamente e poder utilizar t cnicas de segmenta o da imagem para detectar obst culos reconhecer pessoas entre outros 6 1 Plataforma LINCE 47 6 1 3 Actuadores Motor de trac o Para fornecer ao ve culo mais bin rio e menos velocidade os dois motores originais da plataforma TXT 1 foram substitu dos por um motor Pittman GM92365021 com caixa redutora de rela o 19 7 1 e um encoder integrado de 500 impulsos como j re
82. uer equipa de desenvolvimento em ve culos aut nomos espera atingir onde o rob trata de praticamente tudo O operador passa aqui a ter apenas uma fun o de supervis o al m da especifica o de alto n vel da miss o onde este monitoriza as tarefas tamb m atrav s da interface de opera o As mesmas limita es existentes no sistema supervisionado s o tamb m neste tipo de controlo um problema 34 Sistemas Multi Rob ticos mas a capacidade de execu o da tarefa pelo sistema de rob s perde a depend ncia das capacidades do operador Outros Modelos Existem outros modelos de controlo implementados em alguns sistemas onde a per formance da miss o depende da coopera o entre os rob s e o operador O rob deixa de ser apenas uma ferramenta para a realiza o da miss o passando a ser um elemento do sistema de planeamento e decis o Em alguns deste sistemas os rob s operados criam um di logo com o operador sendo a decis o da melhor ac o a tomar determinada pelos dois elementos Esta rela o tr s melhorias na capacidade de opera o do sistema mas impede que o operador possa agir no caso dos rob s n o serem capazes de continuar o seu planeamento Cap tulo 5 Projecto Conte do 5 1 Sistema Multi Rob ticO o o 35 5 2 Plataforma LINCE o eee eee eee 37 5 2 1 Arquitectura Funcional e 37 5 2 2 Arquitectura de Hardware 39 De acordo com as especificacoes de
83. utiliza o dos mesmos e permitir reiniciar os dispositivos numa situa o de bloqueio A leitura das correntes e tens es permitir analisar os consumos para fazer a gest o das baterias Todas as opera es de corte de alimenta es e gest o de baterias est o a cargo do STM32 Encontram se no Anexo A 1 o esquema el ctrico e layout desta placa 6 1 Plataforma LINCE 49 Placa de Energia Sensores corrente tens o Servo Servo Servo Bus 1 Bus 1 Bus 3 Sinal anal gico sensores Sinal corte alimenta es EE Circuitos de corte das alimenta es Figura 6 8 Diagrama funcional da placa de gest o de energia Figura 6 9 Placa de gest o de energia 50 Sistema Desenvolvido 6 1 6 STM32 Com a necessidade de introdu o de novos sensores e da placa de energia no sistema tornou se tamb m necess rio integrar um dispositivo de controlo e comunica o de baixo n vel que fizesse a interface com o computador Existia j no laborat rio uma vers o preliminar de uma placa com um microprocessador STM32 alvo de uma valida o que demonstrou algumas defici ncias que impossibilitavam a sua utiliza o Procedeu se ent o no mbito deste trabalho ao desenho de uma nova placa que corrigisse todos os erros da vers o preliminar para a poder utilizar nas plataformas LINCE A vers o anterior tinha sido desenhada para utilizar microprocessadores STM32F103RE da Performance line que integra entre outros perif rico
84. velocidade e bin rio 22 Casos de Estudo Sensores de detec o dos diversos alvos poss veis Sistema de gest o de energia que possibilite o diagn stico e manuten o das baterias e que permita a utiliza o de energias renov veis Dispositivo mec nico que permita o carregamento aut nomo das baterias numa doca Dispositivos para detec o de anomalias Dispositivo de comunica es sem fios Mesh Prepara o para diferentes condi es de luminosidade e climat ricas Capacidade de adapta o de novos sensores adequados a miss es espec ficas Cap tulo 4 Sistemas Multi Rob ticos Conte do 4 1 Caracter sticas dos SMR o ee ee ee ee 24 4 1 1 Controlo Centralizado Descentralizado 24 4 1 2 Rob s Homog neos Heterog neos 25 4 1 3 Estruturas de Interac o 2 ee ee ee ee ee ee 25 4 1 4 Modelizagao de Comportamentos Mitua 28 4 2 Coordena o de Forma es oo 29 4 2 1 Caracter sticas das Formacoes v ve ee ee ee 29 4 2 2 Problemas de Coordena o 31 4 3 Tele operacao rasa sa RRR RR 31 4 3 1 Modelos de Controlo ee ee ee ee ei 32 Os Sistemas Multi Rob ticos SMR s o compostos por m ltiplos rob s com capaci dades aut nomas e ao mesmo tempo com capacidades de interac o entre os v rios rob s do sistema principais serem capazes de agir de forma aut noma tomand
85. vez sn 18 3 ISHN EE ovir v Moal ovir o al et oe HL gt z Cana Maor ovir 0 y soda ENT SIDA ONG o l 0 D reg ec 19 ovir E Kam va car uadwnr souod ZENIS E d E R Atum lt lt lt lt lt SUN L Fsui ovir P P o Q 2999 zar Ld B ol 0 GERS Sa SE D Oe ann 89 bopa cg XL D Los ano EEN E NEHO HNLLISOW Zug gd Lara Not ua BOA 2d e NZHO HNIUSLE ELHVSIVOSIN dar id Hyp 289 y pl nou mala 2r sad o 1 79 91008 NIHO WNIUSLO ELYYSNAOS Mara EL 10 XL NH Bt Lar ss wadwnr tar Mag HLAO ELEVSMIVEWS ZOZISSN Zlds 2L8d EL og XL NH Fas JV 200A om 5 B dmn Xu ELHVSNVOS 29917 194 Na XL IAH izo zgd y sind E Jeu vz 1SUN XL ELHVSNNOS zozi 018d Les 8d q E vad Ss AREN mp nend LS Hid liga TF Bee HO pega Let ini IN SIDA ONO SSES ZH PNILIVGS 251494 Ad gt zad LHO PALLTOS 291994 ano o TS Hee isa Heen a 7 A de o Sid ISON tlds HSG z ano z ano MOL ved L2 386 62 VZ00811S OMS30VH 84 00LP El TOS dal INY INY A t t saiia Na an9 11008 28d SOON HNVO HNVO HO eN ZL00W 8d 9 oz mon uNvO Kegel ei A nano Le EH SEN ZLOQY 0Sd L ERR Di re 809A d ino zeoso stod oad s gd FY L t HE sn god SIN ceosolad 1q xy S Ha 884 tod LTE Sidr y MS E et a tod 2104 PIVADNOMSOLO SoN Gds E L Se e S EH RE eLvd OIOMS SWLT 0 sar Cda a Syd A q zay TT olod deng 13 UNIUXINVOISIS LLYYSN ZLYd BAL OYL 7 S d ae ava y Evd kaz ma BE SEL cod WOSSN PHO LNLUXENVOISLO LIHVSN L LV pp XL NYO e ada e PO ta E

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