Baixe Localização Autónoma de Baixo Custo para Robôs Móveis: O Caso do Bulldozer IV e outras Notas de estudo em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity!
publicadas na revista Electrónica e Telecomunicações 3(6), Abril 2002, do DETUA
Auto-localização em pequenos robôs móveis e autónomos:
O caso do robô Bulldozer IV
Frederico M. Santos
1
, Valter F. Silva
2
, Luís Almeida
3
1
Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, Rua Pedro Nunes, 3030-199 Coimbra
2 Escola Superior de Tecnologia de Castelo Branco, Ava do Empresário, 6000 Castelo Branco
3
DET/IEETA, Universidade de Aveiro, Campus de Santiago, 3810-193 Aveiro
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 / self- localization system in terms of final distance between the stopping point and the starting point.
I. INTRODUÇÃO
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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d e 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.
II. MÉTODOS DE LOCALIZAÇÃO
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 âmb ito 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. [6,9,10,11] 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 99 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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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 [22]. 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 D
r
. A informação fornecida pelo
rato corresponde às componentes A’ e B’ do deslocamento D
r sobre o referencial do robô, O’. Por seu lado, a bússula fornece o ângulo α 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 D
r 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 ( Xi-1,Yi-1 ) e das componentes ( A, B ) do deslocamento D
r .
arctan A
B
θ (1) D^ r = B '^2 + A '^2 (2) A = D ×cos ( θ + α )
r (3)
B = D ×sin ( θ + α )
r (4) X (^) i = Xi − 1 + A (5) Y (^) i = Yi − 1 + B (6)
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 α, 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.
N ≡X
B'^ A'
B θ
A
α D
Y X'
Y'
O
O'
Fig. 3 - Cálculo da posição.
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INTEGRAÇÃO NO BULLDOZER IV
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, (Início)
Fig. 4 - Erro de posição ao longo do tempo.
PIC 16F
DET
I/O DET
RS
Bússola
Sensores de obstáculos Sensores de farol Sensores de chão preto Aquisição do deslocamento
Sistema de localização
Base de hardware reaproveitada de edições anteriores
motores
Fig. 5 - Estrutura de hardware do Bulldozer IV.
Legenda Sensor A LED
B
C B
A
Sensor de chão Sensor de chão
Fig. 6 - Implantação dos sensores de obstáculos.
135º
90º
15º 345º
270º
225º
1
2
3 4
5
Fig. 7 - Campo de visão dos sensores do farol.
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fazer uma correcção para o caso do ângulo ser superior a π. Esta correcção é feita com a seguinte instrução: if(Yr-Yf<0) β=2* π- β
D
Xr Xf β arccos r (7)
O ângulo que o eixo longitudinal do robô faz com o farol virtual é então dado pela expressão (8): ang _ farol = β − α (8) Este ângulo, ang_farol , permite saber em que direcção angular é que se encontra o farol virtual relativamente ao robô. Conforme referido atrás, esta informação é convertida para os sectores angulares descritos na figura
- Estes sectores são enviados pelo sistema de localização para o processador principal (188), que os processa como se do farol real se tratasse. O envio desta informação apenas se realiza depois de atingida a zona de chegada e iniciado o regresso. Até então o PIC vai sendo informado dos vários eventos ocorridos, nomeadamente, o início da prova e o fim de parede para marcação dos faróis virtuais. Quando o robô atinge o farol F 0 (partida), ou a zona de segurança de 1m em torno deste, é enviado ao processador principal um comando de paragem. Se o farol F 0 não for atingido, o programa de controlo central do robô força a respectiva paragem momentos antes de expirar o tempo limte para a prova, que é de 4 minutos. A figura 12 ilustra a comunicação entre o sistema de localização e o processador principal do robô onde se pode ver as indicações do 188 para o PIC para marcação de faróis virtuais (primeira parte) e o envio de sectores angulares do PIC para o 188 durante o regresso à partida (segunda parte). Para terminar esta descrição refira-se que toda a programação do PIC foi efectuada em C com o compilador Hi-Tech PIC C da Ht-Soft. Em particular, usaram-se as funções trigonométricas que fazem parte da respectiva biblioteca matemática.
RESULTADOS
O sistema adoptado para voltar ao ponto de partida revelou-se eficaz e de construção muito simples. A sua eficácia foi compovada no próprio Concurso Micro-Rato
- O Bulldozer IV foi o único robô capaz de regressar ao ponto de partida. Nas quatros mangas disputadas pelo robô este conseguiu sempre atingir o farol e, em duas delas, voltou ao ponto de partida. Numa destas duas vezes o robô imobilizou-se virtualmente no ponto de partida, enquanto na outra ficou a cerca de 20 cm deste. Em ambos os casos, a distância total percorrida terá sido próxima de 25m, por entre vários obstáculos estáticos e dinâmicos (outros robôs). Contudo, para melhor caracterizar o desempenho do sistema de localização numa perspectiva integrada, isto é, em termos da capacidade do robô de regressar ao ponto de partida, foram realizados vários testes experimentais em quatro situações de diferente complexidade de labirinto (configurações A a D). Os resultados são apresentados na figura 13. Em cada configuração foram efectuadas pelo menos dez partidas. O trajecto indicado em cada configuração é meramente ilustrativo de um trajecto provável. Os trajectos que de facto foram seguidos pelo robô variaram substancialmente em cada partida. Em torno da posição de partida é mostrado um círculo com 1 metro de raio que corresponde à zona de tolerância explicitamente definida no sistema, conforme referido atrás. Esta zona significa que o robô se imobilizará assim que, dentro dela, detectar uma inversão do sinal do gradiente de distância à partida. O resumo dos resultados obtidos é mostrado na tabela 1. Por exemplo, na configuração A), a mais simples, o robô percorre cerca de 8,2m, regressando e imo bilizando-se a uma distância média de 81,7cm do ponto de partida, com um desvio padrão de 25,5cm. Apenas em 2 partidas num
0,
Frente do robô
Norte≡ X
Y
α
β
robô (Xr,Y r)
f a r o l v i r t u a l (Xf ,Y f)
D
Xr - X f
Fig. 11 - Cálculo da direcção do farol virtual.
D E T 1 8 8 P I C início da prova i
d e
fim de parede esquerda
fim de parede direita
f
área preta atingida
1 3 4 2
F
Fixa farol virtual Fixa farol virtual
Partida atingida, farol (0,0)
Cálculo do ângulo do farol Direcção angular
Assinala fim de prova
Fig. 12 - Comunicação entre o sistema de navegação (DET 188) e de localização (PIC).
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total de 12 o robot pára fora da zona de tolerância de 1m de raio. Os resultados são aproximadamente semelhantes para as 4 configurações, conforme se pode ver na tabela 1. Contudo, nota-se uma tendência para maior precisão, isto é, menor desvio padrão, quando o percurso é mais elaborado (configurações C e D). Este facto pode ser explicado por se utilizar uma velocidade de locomoção menor perante obstáculos, o que influencia positivamente a precisão da bússula. De forma global é importante notar que as distâncias médias do ponto de imobilização à partida foram inferiores a 1m para todas as configurações e que em 43 partidas apenas em 5 (12%) o robot se imobilizou fora da zona de tolerância e, mesmo nesses casos, com um afastamento relativamente pequeno.
CONCLUSÕES
Este artigo apresenta um sistema de localização que combina informação azimutal absoluta, obtida através de uma bússula, com informação odométrica relativa, obtida a
partir de um odómetro óptico. A principal originalidade do sistema reside na utilização do odómetro óptico construído a partir de um rato óptico de PC. A combinação de um só odómetro com uma bússula parece também ser original. O tipo de odómetro referido permite reduzir substancialmente o escorregamento relativo ao solo típico dos odómetros comuns baseados em codificadores incrementais acoplados às rodas. Simultaneamente, o sistema é de fácil construção e económico, sendo adequado para robôs de pequeno porte. O sistema de localização desenvolvido foi inserido no sistema de navegação do robô Bulldozer IV, dotando-o de capacidade de regresso à posição de partida num labirinto desconhecido com 10 por 5 metros, contendo obstáculos estáticos e dinâmicos (i.e. outros robots). Este sistema de navegação usa um conjunto de marcas virtuais, chamadas faróis virtuais, cujas coordenadas num sistema cartesiano são memorizadas no trajecto de ida até uma zona alvo e que são usadas como atractores, pela ordem inversa, no trajecto de volta ao ponto de partida. Este sistema de localização, de apenas três componentes (processador, rato óptico e bússola) é adaptável a qualquer tipo de robô, desde que a superfície onde este se move seja plana e reflectora, de modo a permitir respectivamente, o deslizamento e funcionamento do rato. O artigo mostra ainda um conjunto de resultados experimentais relativos ao sistema de navegação/ localização. Em 4 configurações de obstáculos, com trajectos totais variando entre 8,2m e 12,5m, o robô foi capaz de regressar, imobilizando-se a uma distância média próxima dos 80cm do ponto de partida, dentro da zona de tolerância de 1m definida no próprio sistema. No total de 43 partidas, apenas em 5 o robot se imobilizou fora da zona de tolerância e mesmo assim, a uma distância relativamente próxima. Para terminar, é de referir que o robô Bulldozer IV foi desenvolvido para participar no Concurso Micro-Rato 2001, tendo conquistado o 1º lugar bem como o Prémio Inovação. Em 2 das 4 mangas disputadas, o robô foi capaz de voltar à posição de partida com um erro inferior a 20 cm, após percorrer um trajecto com aproximadamente 25m por entre múltiplos obstáculos.
REFERÊNCIAS
[1] http://microrato.ua.pt, Concurso Micro-Rato da UA [2] L. Lopes, N. Lau and L.Reis, “Intelligent Control and Decision-Making Demonstrated on a Simple Compass-Guide Robot”, Proc. of SMC 2000, IEEE Conf. on Systems, Man and Cybernetics, Nashville, USA, 2000.
Tabela 1 – Sumário dos resultados experimentais Configuração A) B) C) D) Distância total (cm) ≈ 824 ≈ 842 ≈ 1070 ≈ 1250 Distância máx. (cm) 110 140 95 125 Distância mín. (cm) 38 12 50 48 Distância média (cm) 81,7 79,7 82,4 79, Desvio padrão (cm) 25,5 33,8 17,3 19, #fora / #total 2/12 2/11 0/10 1/
Farol
412cm Legenda:Ponto de partida Ponto de chegadaI d a Regresso
110cm
38cm
A)
Farol
185cm (^) 24cm 200cm
140cm 12cm
B)
Farol
120cm (^) 93cm 200cm
46cm
95cm 50cm
C)
Farol
65cm 93cm 128cm^ 24cm^ 95cm
46cm
125cm 48cm
D)
Fig. 13 - Configuração dos testes experimentais.
