auto-localização de robôs

auto-localização de robôs

(Parte 1 de 3)

publicadas na revista Electrónica e Telecomunicações 3(6), Abril 2002, do DETUA

Actas do Encontro Científico do ROBOTICA 2002 – Festival Nacional de Robótica,

Auto-localização em pequenos robôs móveis e autónomos: O caso do robô Bulldozer IV

Resumo - Este artigo descreve um sistema de localização de baixo custo para pequenos robôs autónomos e móveis. Este sistema foi desenvolvido para aplicação no robô Bulldozer IV, vencedor do concurso Micro-Rato 2001. O sistema combina informação azimutal absoluta com informação odométrica relativa e permite ao robô, após atingir uma zona alvo no interior de um labirinto desconhecido, regressar ao ponto de partida. No caso particular do desempenho no concurso, refira-se que este robô foi capaz, por duas vezes, de voltar à posição de partida e parar a menos de 20cm de distância desta após percorrer um trajecto com aproximadamente 25 metros de comprimento por entre vários obstáculos estáticos e dinâmicos. Este artigo apresenta uma breve discussão sobre as técnicas comummente usadas para percepção de localização em robôs móveis e autónomos. Seguidamente, é descrito o funcionamento do sistema de localização desenvolvido e a sua integração no sistema de navegação do robô Bulldozer IV. São ainda apresentados resultados experimentais que permitem caracterizar o desempenho do sistema de navegação em termos de distância final entre o ponto de paragem e o ponto de partida.

Abstract - This paper presents a low-cost self-localization system suitable for small mobile autonomous robots. This system was developed for the Bulldozer IV robot, which won the Micro-Rato 2001 contest. The system combines azimuth from an analog compass with odometry from an optical PC mouse and allows the robot, within an unknown maze, to return to the starting point after having reached a given goal. Concerning the performance in the referred contest, in 2 of 4 runs the robot succeeded in returning to the starting point with less than 20cm error after a path about 25m long through static and dynamic obstacles. This paper presents a brief discussion on the techniques commonly used to provide the notion of self-localization in mobile autonomous robots. Then, the developed self-localization system is described, as well as its integration in the navigational system of the Bulldozer IV robot. Finally, a set of experimental results is presented that allow characterizing the performance of the navigational / selflocalization system in terms of final distance between the stopping point and the starting point.

A percepção da localização em robôs móveis e autónomos é fundamental para permitir quer a optimização de percursos quer a definição de missões do tipo ir de um ponto A a um ponto B ou atingir um determinado alvo e regressar ao ponto de partida. Para se obter essa percepção de localização vários têm sido os métodos propostos, desde baseados em mapas construídos pelo próprio robô, mapas pré-programados, reconhecimento de marcas espaciais com posicionamento pré-definido, e outros (ver secção seguinte). Tipicamente estes métodos apresentam algumas características menos desejáveis, e.g. serem computacionalmente exigentes, ou requerem um tempo exploratório considerável, ou serem inflexíveis, principalmente quando se pretende aplicá-los em robôs relativamente pequenos e de baixo custo e que funcionem em ambientes desconhecidos. Para além dos aspectos atrás referidos, os métodos de localização baseiam-se, geralmente, em informação de posição absoluta ou de deslocamento relativo. No primeiro caso, é frequente a utilização de GPS (Global Positioning System) mas a resolução obtida com os receptores mais baratos (mínimo 5m) é insuficiente para muitas aplicações. Resoluções maiores só podem ser obtidas com receptores mais caros (e.g. receptores diferenciais). No que diz respeito a deslocamento relativo, é típica a utilização de odometria baseada em codificadores rotativos (encoders) incrementais acoplados às rodas. Contudo, estes sistemas resultam em erros cumulativos relativamente grandes causados por diversos factores tais como escorregamento das rodas ou variações no seu diâmetro. Este artigo apresenta um sistema de localização de baixo custo, que fornece uma resolução adequada a navegar num labirinto desconhecido com 10 por 5 metros. O sistema combina informação azimutal absoluta, obtida a partir de uma bússola electrónica analógica, com informação odométrica relativa, obtida a partir de um odómetro óptico. Este sistema permite ao robô, após atingir uma zona alvo no interior do labirinto sinalizada por um farol de infravermelhos, regressar ao ponto de partida que não possui qualquer marca identificadora. O trajecto

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Actas do Encontro Científico do ROBOTICA 2002 – Festival Nacional de Robótica, de regresso é determinado por um conjunto de marcas virtuais estabelecidas no trajecto de ida, marcas essas definidas num sistema de coordenadas cartesianas cuja origem é a posição de partida e cujo eixo das abcissas está orientado a Norte. Este sistema foi inserido no robô Bulldozer IV (figura 1), vencedor da edição 2001 do Concurso Micro-Rato [1]. No caso particular do desempenho no concurso, refira-se que este robô foi capaz, por duas vezes, de voltar à posição de partida e parar a menos de 20cm de distância desta após percorrer um trajecto com aproximadamente 25 metros de comprimento por entre vários obstáculos estáticos e dinâmicos. O artigo apresenta uma breve discussão sobre as técnicas comummente usadas para percepção de localização em robôs móveis e autónomos. Seguidamente, é descrito o funcionamento do sistema de localização desenvolvido e a sua integração no sistema de navegação do robô Bulldozer IV. São ainda apresentados alguns resultados experimentais que permitem caracterizar o desempenho do sistema de navegação em termos de distância final entre o ponto de paragem e o ponto de partida.

Utilização de mapas

Uma das soluções possíveis para a navegação num dado labirinto pré-conhecido é a introdução prévia do respectivo mapa no robô. O trajecto a ser seguido pode também ser introduzido no robô ou, por outro lado, pode ser o robô a planear o caminho a seguir. Lopes, Lau e Reis [2] descrevem um robô concorrente à edição de 1999 do Concurso Micro-Rato, em que o labirinto era conhecido a priori, que utilizava este processo com um misto de trajectória pré-programada e capacidade de planeamento para contornar obstáculos dinâmicos não previstos no mapa, e.g. outros robôs. A informação de posição em cada momento era obtida conjugando a distância ao farol de infravermelhos, sinalizador do objectivo, obtida através de um sensor analógico de infravermelhos, com a informação de uma bússola digital. Este método só pode ser aplicado em ambientes conhecidos à priori e é por isso inflexível. Contudo, as regras do concurso evoluíram por forma a inviabilizar esta opção já que o labirinto é agora desconhecido até ao momento de início de cada prova. O mapa do labirinto pode, por outro lado, ser construído pelo próprio robô. Por exemplo, em [3,4,5,6] são descritos métodos de aprendizagem do meio. Esta aproximação requer algum tempo para a construção do mapa do labirinto, o que pode ser um obstáculo para a sua utilização no âmbito do Concurso Micro-Rato, já que o tempo de prova está, desde a edição de 2001, limitado a 4 minutos. De qualquer forma, existem dois tipos diferentes de mapas: de grelhas, ou topológicos. Thrun [7] apresenta uma descrição e comparação pormenorizadas destes métodos. O primeiro é de planeamento complexo, embora de fácil percepção humana. O segundo permite um planeamento mais facilitado mas pode levar a caminhos não optimizados. Como exemplos de aplicação destas técnicas pode-se referir o robô descrito por Vale, Simões, Machado e Lima [3], que utiliza um mapa topológico, e o robô descrito por Burgard [6], que utiliza um mapa de grelhas. Os mapas de grelha permitem, também, incluir a incerteza inerente à percepção de localização através, por exemplo, da utilização do sistema de localização de Markov [8,9]. Neste método, cada célula tem uma probabilidade associada para a presença do robô nessa posição. [6,9,10,1] apresentam robôs que usam sistemas de localização deste tipo.

Localização relativa em grupos

Outra forma de percepção de localização pode ser desenvolvida com vários robôs cooperativos. Neste caso, a localização de cada robô é determinada pela análise das suas posições relativas, as quais são comunicadas entre todos. Exemplos de sistemas deste género são descrito nos artigos [12,13].

Utilização de pontos de referência

Outra das técnicas de localização, também usada por animais e humanos, é o uso de pontos de referência, quer sejam absolutos ou locais [14]. Os pontos de referências locais podem ser obstáculos, marcas pré-definidas, faróis estáticos simples ou múltiplos. As referências absolutas podem ser o sol, as estrelas, o norte magnético, ou uma referência local cuja posição absoluta é conhecida. A utilização de múltiplos pontos de referência em simultâneo pode permitir a determinação da posição do robot por triangulação. O robô D. Dinis, 2º classificado na edição de 9 do Concurso Micro-Rato e descrito em [2] e [15], utilizava o farol (referência local) e o norte magnético (referência absoluta) para se localizar no labirinto. Duckett e Nehmzow [5] descrevem um sistema que utiliza vários marcos como referências locais.

Fig. 1 - Robô Bulldozer IV.

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Localização absoluta com GPS

Para a percepção da localização em robôs autónomos, uma das soluções mais fáceis é a utilização de um sistema GPS [1,16]. Através deste sistema é possível obter a posição absoluta do robô em relação à Terra. Actualmente estes sistemas têm um erro de 5 metros quando utilizados de forma independente ou alguns centímetros recorrendo a receptores diferenciais [16]. Estes receptores são demasiado volumosos e caros. Por outro lado, a resolução fornecida pelos receptores mais simples e baratos não é compatível com a aplicação no Concurso Micro-Rato devido às dimensões do labirinto (5 por 10 metros com passagens de 0,5 metros de largura).

Utilização de bússulas

Embora a utilização de bússolas electrónicas em robôs seja uma opção viável [17], poucos têm sido os casos, na prática, a recorrer a sistemas de localização baseados nesse tipo de dispositivos. No caso do Concurso Micro- Rato, um dos poucos exemplos é o robô D. Dinis, já referido atrás, que utilizava a bússola digital Vector 2X para se orientar relativamente ao farol e determinar a sua posição no mapa do labirinto, previamente inserido no robô [2]. Note-se, contudo, que uma bússola por si só não permite a realização de um sistema de localização já que apenas fornece informação azimutal. Assim, é necessária a conjugação com outras informações, tais como a distância percorrida. Por outro lado, as bússulas apresentam uma susceptibilidade considerável a interferências externas, como por exemplo a proximidade de materiais ferromagnéticos ou as fugas magéticas dos motores eléctricos usados para propulsionar os robôs. Para que o desempenho de uma bússula seja bom é necessário que o respectivo posicionamento dentro do robô seja suficientemente afastado dos motores, que estes sejam devidamente blindados, e que o ambiente de operação contenha poucos e pequenos, nenhuns se possível, materiais ferro-magnéticos.

Odometria

A odometria consiste na medição da distância relativa percorrida e é normalmente efectuada com recurso a codificadores rotativos (encoders) [18]. Em robôs com rodas são normalmente utilizados codificadores ópticos incrementais acoplados às rodas, por serem baratos, de reduzidas dimensões e mesmo de construção acessível [16,19]. A medição do percurso efectuado é uma informação frequentemente usada com fins de determinação da posição. Contudo, todos os sistemas odométricos caracterizam-se por um erro cumulativo que é função da distância percorrida. Por esta razão são normalmente usados em conjunto com outros métodos e requerem calibração frequente, por exemplo através da identificação de referências absolutas. Em particular, os codificadores acoplados mecanicamente às rodas apresentam as seguintes desvantagens:

· Existe escorregamento do sistema em relação ao solo, porque o robô pode patinar, particularmente no arranque, paragem e viragens;

• Fraca precisão. A resolução destes sistemas é dependente do diâmetro da roda, do acoplamento utilizado e da resolução do próprio codificador;

• Adaptação mecânica laboriosa. Em sistemas de pequenas dimensões a aplicação dos codificadores ao sistema de locomoção é minuciosa.

O sistema de localização do robô Bulldozer foi desenvolvido por forma a ser barato e de simples instalação, mas tendo uma precisão adequada às especificidades do Concurso Micro-Rato 2001. Os sensores adoptados são uma bússula analógica e um odómetro óptico, interligados a um micro-controlador dedicado, um PIC16F877 [20]. Este micro-controlador é responsável pelo cálculo da posição e pelo interface com o robô. A posição é calculada em coordenadas cartesianas sendo a origem do referencial a posição de partida e estando o eixo das abcissas alinhado com o Norte magnético. O cálculo da posição é obtido combinando a distância linear percorrida pelo robô (fornecida pelo odómetro) com a respectiva orientação instantânea (fornecida pela bússula). No seu trajecto de ida até ao farol (zona de chegada) o Bulldozer IV vai estabelecendo um conjunto de marcas virtuais, chamadas faróis virtuais. A primeira dessas marcas é a posição de partida e as restantes correspondem a esquinas de obstáculos contornados. No percurso de regresso, o robô dirige-se para essas marcas, por ordem inversa, até atingir a posição de partida. Este sistema será descrito na secção seguinte.

Bússula

A bússula, uma Dinsmore 1655 [21], permite obter em cada instante a direcção do movimento, relativa ao Norte magnético, com uma precisão de 1º. Tem duas saídas analógicas que apresentam duas ondas sinusoidais em quadratura e que foram ligadas a duas entradas analógicas do micro-controlador. O cálculo do ângulo é efectuado de acordo com as indicações do fabricante. Contudo, por se ter verificado que as ondas referidas não estão exactamente em quadratura nem apresentam exactamente a mesma amplitude, são efectuadas correcções em software, baseadas em testes práticos, para compensar as deficiências referidas. Em relação às interferências externas, foram evitados componentes ferromagnéticos na construção do robô e teve-se o cuidado de colocar a bússola suficientemente afastada dos motores. Assim, e também devido à sua boa

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Actas do Encontro Científico do ROBOTICA 2002 – Festival Nacional de Robótica, blindagem magnética, a influência causada por estes era desprezável.

Odómetro óptico

O odómetro óptico é constituído por um rato óptico de PC (Microsoft Wheel Mouse Optical), que tem uma precisão de 1/16mm. Este componente tem uma resolução superior à dos ratos de esfera e baseia-se num circuito integrado HDNS2000 da Agilent [2]. Este circuito adquire 1500 imagens por segundo, comparando a actual com as últimas para determinar a direcção e a velocidade do movimento. A interligação entre micro-controlador e rato é efectuada através da interface PS2 deste último. Os valores comunicados pelo rato são os deslocamentos em dois eixos ortogonais, X’ e Y’, acumulados durante um determinado intervalo de tempo pré-programado, determinado pela frequência de envio de tramas PS2 com os respectivos valores. Os deslocamentos máximos em cada intervalo e a respectiva taxa de envio determinam a velocidade máxima que o sistema suporta sem introdução de erro por overflow. Utilizando uma frequência de 40 tramas por segundo, e sabendo que a precisão do rato é de 16 incrementos por milímetro e que entre cada trama enviada podem ocorrer 256 incrementos sem overflow (em cada sentido) pode-se obter uma velocidade máxima de 64cm/seg. Esta velocidade é suficientemente maior do que as velocidades tipicamente utilizadas no Concurso Micro- Rato. A utilização de um odómetro óptico permite aumentar substancialmente a precisão da medição em comparação com os odómetros baseados em codificadores acoplados às rodas, já que não sofre escorregamento, medindo a distância efectiva percorrida pelo robô. Contudo, para garantir um funcionamento correcto, é necessário que haja uma boa aderência do rato ao solo. Por essa razão, este foi instalado sob o robô e fixado por meio de molas que o forçam o contacto com o solo (figura 2).

Cálculo da posição

O cálculo da posição do robô é efectuado com recurso a um referencial ortogonal, com o eixo das abcissas orientado para o Norte magnético. A posição de partida é assumida como a origem do referencial O (0,0), sendo usadas duas variáveis que indicam a distância instantânea do robô à origem medida sobre cada eixo (Xi,Yi). A figura 3 ilustra o cálculo da actualização da posição após um deslocamento Dr . A informação fornecida pelo rato corresponde às componentes A’ e B’ do deslocamento

Dr sobre o referencial do robô, O’. Por seu lado, a bússula fornece o ângulo a entre o referencial do robô e o Norte, o qual é coincidente com o eixo das abcissas do referencial O centrado na posição de partida. As componentes (A, B) do deslocamento Dr sobre o referencial O podem ser obtidas pelas expressões (3) e (4). Finalmente, as expressões (5) e

(6) permitem actualizar a posição do robô (Xi,Yi) no referencial O, a partir da posição anterior

' arctan

B q

Erro de posição

Através das expressões (5) e (6) torna-se claro que este sistema de localização é relativo. Consequentemente, o impacto dos erros de medição, quer das componentes (A’,B’) quer de a, é incremental, tal como nos sistemas odométricos usuais. A figura 4 ilustra, de forma exagerada, o efeito da incerteza nas medições provenientes quer do rato quer da bússula. Contudo, a magnitude da incerteza é substancialmente reduzida quando comparada com sistemas de odometria baseados apenas em codificadores incrementais acoplados às rodas, permitindo que sejam efectuadas maiores distâncias para a mesma margem de erro. Este facto deve-se, por um lado à utilização de um rato óptico que permite medir o deslocamento real, e por outro à utilização de uma bússula que permite medir o desvio angular relativamente a uma referência absoluta, i.e. o

Norte magnético. Rato óptico

Base do Robô

Fig. 2 - Fixação do rato óptico.

qB A

Fig. 3 - Cálculo da posição.

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O robô Bulldozer IV é, como o nome indica, o 4º numa série de robôs construídos para participar no Concurso Micro-Rato desde 1998. As 3 versões anteriores não dispunham de percepção de localização mas apenas de guiamento para um farol [23]. De facto, nas edições anteriores a 2001 o concurso apenas tinha como objectivo ir da zona de partida à zona de chegada, identificada por um círculo de chão preto com um farol de infra-vermelhos no centro, no menor tempo e com o menor número de penalizações (e.g. toques nos obstáculos). Contudo, na edição de 2001 foi acrescentado ao objectivo habitual um segundo objectivo de regresso à zona de partida, a qual não possuía nenhuma marca identificadora. Ao construir o Bulldozer IV para esta edição pretendeu-se utilizar a estrutura das versões anteriores com o mínimo de alterações para além da integração do sistema de localização. A figura 5 mostra a interligação entre a base das versões anteriores e o sistema de localização.

Base de hardware

A estrutura do Bulldozer IV assenta numa plataforma circular com dois motores controlados de forma diferencial. O conjunto sensorial é composto por 3 sensores de obstáculos, 2 sensores de farol instalados sobre uma cabeça rotativa e 1 sensor de área de chegada. O controlo é efectuado por um sistema (DET188) baseado no processador Intel 80C188 sendo o interface com os diversos periféricos (motores, botões, sensores, etc.) efectuado por uma placa de expansão específica (I/O 188). A detecção de obstáculos, bem como da área de chegada, utiliza sensores activos de infra-vermelhos, isto é, com emissão de luz compatível. Em particular, os sensores de obstáculos usam iluminação suplementar para aumentar a eficiência da detecção. A figura 6 mostra a implantação destes sensores na plataforma do robô bem como as áreas de iluminação com infra-vermelhos para detecção de obstáculos. Por outro lado, a detecção de farol é feita de forma passiva, usando sensores semelhantes montados num sistema de semi-rotação, com cerca de 270º de amplitude [24]. Um potenciómetro acoplado ao eixo permite determinar a posição angular dos sensores. O campo de visão destes sensores é dividido em 5 partes, conforme indicado na figura 7, de forma que a direcção angular fornecida assume valores de 1 a 5 apenas.

Navegação guiada por farol

O algoritmo utilizado pelas várias versões do Bulldozer para atingir a zona de chegada, sinalizada com o farol de infra-vermelhos, é apresentado na figura 8. Uma das

0,0 (Início)

Fig. 4 - Erro de posição ao longo do tempo.

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