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CÁLCULO DE TRAJETÓRIA DE UM ROBÔ DE TRANSPORTE DE CARGAS
UTILIZANDO ALGORITMO DE BUSCA
Carlos Eduardo dos Reis 1 Patrick Pedreira Silva 2 1 Graduado em Ciência da Computação – Centro de Ciências Exatas e sociais Aplicadas – Universidade do Sagrado Coração - Bauru/SP – [email protected] 2 Centro de Ciências Exatas e sociais Aplicadas – Universidade do Sagrado Coração - Bauru/SP – [email protected] Resumo Com o grande avanço ocorrido na Robótica desde o século XXI, os robôs passaram a fazer parte da nossa vida. Na área industrial é ainda mais comum a atuação desses agentes. Dentre os tipos de robôs industriais, existem os chamados manipuladores que executam movimentação de objetos. Com passar do tempo surgiram conceitos de robôs com Inteligência Artificial. A Inteligência Artificial é um campo da Ciência da Computação e da Engenharia de Computação que procura soluções por meios computacionais, focando em técnicas que associem aos agentes várias capacidades de raciocinar, planejar, resolver problemas, comunicar-se através de uma linguagem, e ao mesmo tempo, que tenha a habilidade de obter sucesso no tratamento de novas situações. O problema da definição de rotas (trajetórias) é um exemplo de situação em que é possível encontrar boas soluções por meio dos algoritmos de busca. Um algoritmo de busca, em termos gerais é um algoritmo que toma um problema como entrada e retorno a solução para o problema, geralmente após resolver um número possível de soluções. Um exemplo típico da aplicação de algoritmo de busca é na resolução de problemas de trajetória. Tais algoritmos permitem, por exemplo, a um robô determinar sua trajetória a partir de busca em árvore ou grafos contendo estados válidos. Considerando
esse contexto, o objetivo desse projeto é a automação de um cálculo da trajetória de um robô que empilha produtos em um depósito de mercadoria (ambiente simulado). O hardware do robô terá como base o Arduino, e sua inteligência será pautada na implementação de um algoritmo de busca, especificamente a busca de custo uniforme. Palavras-chave: Arduino. Inteligência artificial. Robôs. Automação.
1. INTRODUÇÃO Com o grande avanço ocorrido na Robótica desde o século XXI, os robôs passaram a fazer parte da nossa vida. Na área industrial é ainda mais comum a atuação desses agentes. Dentre os tipos de robôs industriais, existem os chamados manipuladores que executam movimentação de objetos. Esses robôs são como um veículo capaz de movimentar objetos em vários tipos de trajetórias como ponto a ponto, trajetórias de coordenadas ou isócrona e continuas. Em uma trajetória ponto a ponto o comando de movimento de uma articulação que é independente do das demais tendo uma junta que pode alcança seu destino em um menor tempo possível. Robôs móveis possuem uma capacidade de se movimenta ao redor do seu ambiente, não estando fixados em uma localização única. Eles são compostos por sensores, motores, que facilitam sua movimentação. Com passar do tempo surgiram conceitos de robôs com inteligência artificial. A abordagem de problemas nem sempre são fáceis, uma vez que muitos desses problemas são complexos para serem resolvidos através da capacidade de programação tradicional. O problema da definição de rotas (trajetórias) é um exemplo de situação em que é possível encontrar boas soluções por meio dos algoritmos de busca. Um algoritmo de busca, em termos gere é um algoritmo que toma um problema como entrada e retorno a solução para o problema, geralmente após resolver um número possível de soluções. Um exemplo típico da aplicação de algoritmo de busca é na resolução de problemas de trajetória. Tais algoritmos permitem ao robô determinar sua trajetória a partir de busca em árvore ou grafos contendo estados válidos. Assim provêem aos robôs a capacidade de planejar rotas, viabilizando um
O objetivo desse trabalho foi desenvolver um Robô que possa calcular sua trajetória, simulando um ambiente de transporte de cargas, utilizando técnicas de inteligência Artificial, especificamente algoritmo de busca (no caso, o algoritmo de custo uniforme).
5. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Na primeira etapa foi elaborada a revisão bibliográfica que teve como meta buscar os embasamentos teóricos necessário em livros, artigos e sites. Nos tópicos relacionados à Inteligência Artificial foram abordados aos conceitos pertinentes à área, a história e os primeiros trabalhos realizados em IA. Também foram definidos os problemas de busca e principais algoritmos associados. O capítulo sobre robótica abordou o histórico da área, hardwares associados ao desenvolvimento de agentes robóticas, de modo específico a plataforma Arduino (placas UNO e MEGA). Considerando que ambiente de programação da plataforma Arduino utiliza a linguagem de programação C, esta será a linguagem base para programá-la o software de controle de agente robótico a ser desenvolvido nesta investigação. 6. CONSTRUÇÃO DO ROBÔ MÓVEL O robô móvel a ser desenvolvido na presente pesquisa contou com alguns periféricos, associados ao Arduino utilizados neste trabalho para locomoção do agente na rota definida. Ele possui, portanto, rodas acopladas a motores controlados pelo software. Dessa forma o robô calcula sua trajetória entre os pontos desejados, evitando os obstáculos, executando-a em seguida, num ambiente previamente conhecido. O ambiente refere-se a uma simulação de um armazém e a tarefa do robô é transportar alguns objetos (produtos) neste local. Para modelar o robô, o seu programa de controle foi implementado em um software de baixo nível, com a placa Arduino Uno
O robô utiliza diversos sensores da placa, como sensor RFID que identifica onde o “produto” será alocado no “armazém”. Também foi utilizado sensor ultra-sônico, assim o sensor emitiu uma onda sonora ao encontrar um obstáculo no caminho permitindo que o agente se mova na direção correta. Mais um sensor que o robô será composto é modulo segue linha, que possui um emissor de luz infravermelho juntamente com um foto-transistor que permitirá identificar as linhas e com esse comando que direcionara o chassi do robô até seu caminho desejado.
7. ARQUITETURA DO SISTEMA E DESCRIÇÃO DO AMBIENTE Um diagrama da arquitetura proposta pode ser visto na Figura 1. Os módulos implementados em software estão representados pelos círculos. Os retângulos ilustram os dispositivos físicos do robô que interagem com o ambiente. Figura 1 – Arquitetura do sistema A arquitetura proposta é formada pelos seguintes elementos: a) Definidor de objetivos: são responsáveis por definir quais são os pontos de origem e destino que deverão ser utilizados no processo de geração de rotas. b) Gerador de rotas: faz a gera da rota a ser seguida pelo robô. É importante destacar que embora a trajetória seja gerada completa, isto é, da origem até o destino (objetivo). O robô poderá utilizar o sensor ultra-sônico para corrigir seus movimentos caso detecte algum obstáculo que o impeça de cumprir a rota.
O chassi foi feito em acrílico conforme a Figura 3. Ele é base para fixar eixos, motores, placas como Arduino e sensores que foram usados na montagem do robô. Figura 3 -– Chassi do Robô Móvel O robô é equipado com duas rodas de tração e uma roda rotativa fazendo que o robô vire para os lados com facilidade. É composto por dois motores de 12 volts que permitem a rotação das rodas do robô. A placa Arduino está ligada à ponte H com uma bateria recarregável colada no chassi conforme mostra nas Figuras 4. Figura 4 – Montagem do Chassi Rodas e Motores. O Arduino Uno e sensores são os principais elementos do robô sendo responsáveis por seus movimentos. Os sensores, além de ajudar na movimentação, também podem identificar o objetivo. O sensor RFID permite identificar o objetivo, fornecendo dados para que o algoritmo de busca possa calcular o melhor caminho. Este sensor é alimentado por 3.3v que é ligado no Arduino. A ligação dos pinos, SDA, SCK, MOSI, MISO, GND e do pino RST nas portas digitais do Arduino é mostrada na Figura 5.
Figura 5 - Ligações do Sensor RFID. O Robô também é composto por um Sensor Ultra-sônico que emite uma onda sonora, verificando se tem um obstáculo no caminho. A Figura 6 mostra a ligação dos pinos VCC, GND, TRIG, ECHO na placa Arduino. Figura 6 – Ligação Sensor Ultra-sônico com Arduino. Outros sensores que compõe na estrutura do Robô são os sensores segue linha, que tem ligação com Arduino Uno a partir dos pinos de alimentação VCC, GND, DO. O pino DO está ligado na porta analógica do Arduino, podendo transmitir os sinais a partir do seu emissor de luz infravermelho e com um foto-transistor que permite identificar as linhas da trajetória, direcionando-o ao objetivo, conforme a Figura 7.
Figura 9 -– IDE Arduino comunicando com Robô Móvel. Após a leitura do produto, são repassadas as informações para o algoritmo de custo uniforme que pode, então, fazer o calculo da melhor trajetória a ser realizada pelo robô (Figura 10). Figura 10 – Leitura e Captura de Dados do Produto. Conforme a Figura 10 o sensor lê a etiqueta RFID, indicando para o algoritmo o número do vértice que de origem e o destino. Logo depois ele calcula os valores de ponto a ponto, mostrando a melhor trajetória para o robô.
9. TESTE DO PROTÓTIPO A fim de verificar o funcionamento do robô móvel, foi elaborado um programa em linguagem C, que implementa algoritmo de custo uniforme. Considerando os dados obtidos pelo sensor RFID, o robô define o seu objetivo dentro do ambiente e o algoritmo indica a trajetória de menor custo. A Figura 11 mostra fluxograma deste processo.
Figura 11 - Fluxo grama da programação do Robô. A Figura 12 mostra o ambiente que simula o armazém. O mesmo foi modelado fisicamente, utilizando fita isolante que indicam os caminhos por onde o robô poderia circular. Para testá-lo foi definido que o mesmo deveria sair do seu ponto inicial e chegar até o ponto A 02, conforme mostra a Figura
Figura 12 - Objetivo traçado A partir da identificação do objetivo do robô, o algoritmo de custo uniforme é executado pelo Arduino, fornecendo a trajetória de menor custo que é, então, executada pelo robô. A Figura 13 mostram a movimentação do robô até a chegada ao objetivo.
pessoa desenvolva um protótipo de um robô. Além de um micro controlador, o robô pode ser incrementado com sensores que permitem a este agente autônomo extrair informações do ambiente levando-o a reagir às mudanças do mesmo de forma inteligente. A inteligência é uma das características desejadas nessas máquinas, pois permitem que, de fato, esse robô tenha autonomia para o processo de tomada de decisão. E este é, certamente, um dos principais desafios: projetar a estrutura lógica, ou seja, dar ao robô a “inteligência” necessária para que ele possa desempenhar suas tarefas de maneira eficiente. Neste sentido este projeto propôs a modelagem e o desenvolvimento de um robô móvel inteligente que pudesse realizar de forma automática o cálculo da melhor trajetória em ambiente simulado. Uma das principais contribuições desta pesquisa foi descrever o processo de modelagem e planejamento do agente robótico envolveu a descrição dos componentes utilizados no projeto. O hardware do robô teve como base o Arduino, e sua inteligência é pautada na implementação de um algoritmo de busca, especificamente a busca de custo uniforme. Como sugestão para trabalhos futuros recomenda-se a implementação de algoritmos que permitem a navegação em ambientes desconhecidos, usando algum tipo de exploração inteligente. Novos sensores também poderão ser anexados ao robô, gerando novos dados que poderão ser explorados por outros algoritmos de Inteligência Artificial. CÁLCULO DE TRAJETÓRIA DE UM ROBÔ DE TRANSPORTE DE CARGAS UTILIZANDO ALGORITMO DE BUSCA Carlos Eduardo dos Reis 1 Patrick Pedreira Silva 2 1 Graduado em Ciência da Computação – Centro de Ciências Exatas e sociais Aplicadas – Universidade do Sagrado Coração - Bauru/SP – [email protected] 2 Centro de Ciências Exatas e sociais Aplicadas – Universidade do Sagrado Coração - Bauru/SP – [email protected]
Resumo Com o grande avanço ocorrido na Robótica desde o século XXI, os robôs passaram a fazer parte da nossa vida. Na área industrial é ainda mais comum a atuação desses agentes. Dentre os tipos de robôs industriais, existem os chamados manipuladores que executam movimentação de objetos. Com passar do tempo surgiram conceitos de robôs com Inteligência Artificial. A Inteligência Artificial é um campo da Ciência da Computação e da Engenharia de Computação que procura soluções por meios computacionais, focando em técnicas que associem aos agentes várias capacidades de raciocinar, planejar, resolver problemas, comunicar-se através de uma linguagem, e ao mesmo tempo, que tenha a habilidade de obter sucesso no tratamento de novas situações. O problema da definição de rotas (trajetórias) é um exemplo de situação em que é possível encontrar boas soluções por meio dos algoritmos de busca. Um algoritmo de busca, em termos gerais é um algoritmo que toma um problema como entrada e retorno a solução para o problema, geralmente após resolver um número possível de soluções. Um exemplo típico da aplicação de algoritmo de busca é na resolução de problemas de trajetória. Tais algoritmos permitem, por exemplo, a um robô determinar sua trajetória a partir de busca em árvore ou grafos contendo estados válidos. Considerando esse contexto, o objetivo desse projeto é a automação de um cálculo da trajetória de um robô que empilha produtos em um depósito de mercadoria (ambiente simulado). O hardware do robô terá como base o Arduino, e sua inteligência será pautada na implementação de um algoritmo de busca, especificamente a busca de custo uniforme. Palavras-chave: Arduino. Inteligência artificial. Robôs. Automação.
SOUZA, Celso Correia; SCUCUGLIA, José Wanderley; JUNIOR, Lauro Corrêa Cruz; MALDONADO, Waldemar; SILVA, Marcelo Ribeiro. Ambiente Virtual para Simulação de Navegação de Robôs Autônomos Móveis Através de Grafos. STAIR, M Ralph. REYNOLDS George W. Princípios de Sistema de Informação. 6ed. São Paulo: Pioneira, 2006. Author Details Carlos Eduardo dos Reis [email protected] Patrick Pedreira Silva [email protected]
