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ISROBOT: - ISR-Coimbra - Universidade de Coimbra

1. 21 MODULO TRIGGER a di AE edi qud edb eda 24 3 3 2 M DULO PDRIVE INTERFACE cccceccscccccceccacccescceccecccesccescacceuscueseaeseuss 24 3 3 3 M DULO ENCODER INTERFACE 22 00 00 0000000000000 26 3 3 4 M DULO JOYSTICK 2 020 02 0 0 000000000000000 21 3 3 5 M DULOS DE SOFTWARE PRESENTES NO PC DA ROBCHAIR 28 3 3 6 MODULO MOTION INTERFACE ie eek a odi at alo al 29 22227 MODULO ULTRA SOUND 22 30 3 3 8 MODULO INFRA RED INTERFACE 2 2 2 20 0 0000000000000 31 3 3 9 M DULOS DE SOFTWARE PRESENTES NO PC DO 32 4 ISROBOT CONCEP O ESTRUTURAL eere entente nene n atn sanae 35 4 1 MOTORES I 35 4 2 37 4 3 M DULO DE POTENCIA 55 38 4 3 1 ESTADO DO M DULO caida 38 2 32 ENTRADAS ESA A O OEE 40 4 53 MODOS DE CONTROLO e 41 4 3 4 POTENCI METROS DE AJUSTE DE FUNCIONAMENTO ccccsccsccsceccecceceecencencs 42 XV 4 3 5 CONTROLO EM MODO DE 24 0000
2. ALTAS Do Motor D lA ADS 425 DRS Ball ADS 440 00 da Hanni Minor Figura 3 4 Estrutura de hardware de aquisi o controlo e actua o do I SRobot Como perceptivel toda a informagao circula entre os varios PICs e o PC atrav s de um barramento de CAN O PC funciona como n supervisor planeador recebendo e transmitindo informa o aos PICs e com ordens de aquisi o e actua o Estas ordens obedecem a condicionantes temporais e est o devidamente planificadas como se observa nos diagramas temporais que s o apresentados nas Tabelas 3 5 e 3 6 existindo portanto uma sequ ncia das v rias ac es a serem executadas no sistema Estas opera es temporais repetem se de forma c clica com um per odo de 5ms atrav s das mensagens SyncMCU que o PIC Trigger envia de forma peri dica e de Ims sincronizando todas as ac es do sistema No caso da RobCharr esta pass vel de controlo com o joystick efectuando um controlo manual e sem a necessidade de sensores No entanto esta tamb m possui algoritmos para seguimento de traject ria baseado em mapas predefinidos off line map 22 Tabela 3 5 Diagrama temporal de ac es da RobChair 5 ms SyncMCU N 3 Read Send Wheels Velocity Receive Wheels Velocity Reference Velocity Reference Pic SyncMCU SyncMCU Trigger 1 1 N 2 mM NEEDS ro Motor Actuation
3. 76 Lista de Tabelas Tabela 1 1 Evolu o dos sistemas activos de seguran a 2 Tabela 2 1 Compara o entre sensores usados nas plataformas rob ticas 9 Tabela 22 M todos para detec o de pista eres cer Cu o iros 10 Tabela 2 3 M todos para detec o dos s mbolos no sem foro 13 Tabela 3 1 ID s utilizados pelo programa canbootmngr v2 para a plataforma lee Garin 18 Tabela 3 2 ID s utilizados pelo programa canbootmngr v2 para a plataforma DOE renan O a 18 Tabela 3 3 ID s de Destination Source usados no protocolo CAN na plataforma NO DO DI parietal atti od 21 Tabela 3 4 ID s de Destination Source usados no protocolo CAN plataforma A EEE EA EEE ETAR TEES 21 Tabela 3 5 Diagrama temporal de ac es da 23 Tabela 3 6 Diagrama temporal de ac es do 85 29 Tabela 3 7 ID s das fun es presentes no m dulo 24 Tabela 3 8 ID s das fun es presentes no m dulo PDrive 2 24 Tabela 3 9 ID s das fun es presentes no m dulo Encoder 26 Tabela 3 10 ID s das fun es presentes no m dulo 24 Tabela
4. Interrupt CAN Encoder Receive Wheels Velocity Figura 3 9 Fluxograma dos m dulos de controlo no PC 28 Como constatado pelo fluxograma presente na Figura 3 9 o PC recebe atrav s do barramento de CAN a informa o do processo da camada de baixo n vel sendo a recolha da informa o respeitante a cargo da camada de interliga o Com base na informa o do joystick controlado a velocidade desejada para cada motor sendo essa velocidade de refer ncia enviada para o controlador PI 3 3 6 M dulo Motion Interface As fun es de CAN para este m dulo presente na plataforma ISRobot s o as identificadas na Tabela 3 11 Tabela 3 11 D s das fun es presentes no m dulo Motion o Tum Node OFF C1 Tum Node ON 2 Ser DAC Command 4 Dara from Motion A fun o Set DAC Command usada para definir o valor a transmitir ao DAC que por sua vez ir corresponder a uma velocidade do motor sendo esse valor composto por 2 bytes DAC de 10 bits de resolu o Os valores monitorizados pelo m dulo totalizam oito bytes em que quatro bytes correspondem ao valor acumulado dos pulsos do encoder seguido de mais dois bytes referentes velocidade do motor e por fim mais dois bytes correspondendo ao valor de comando recebido pelo m dulo Estes s o os dados transmitidos sobre a fun o Data from Motion O fluxograma presente na Fi
5. gt Interrupt CAN Trigger Read State of Send State of Infra Red Infra Red Figura 3 12 Fluxograma do c digo implementado no Infra Red Node Como constatado pelo fluxograma presente na Figura 3 12 o Infra Red Node envia pelo barramento de CAN para a camada de alto n vel o estado dos infra vermelhos anteriormente lidos de acordo com as mensagens de sincronismo 3 3 9 M dulos de Software Presentes no PC do ISRobot O fluxograma presente na Figura 3 13 representa resumidamente a estrutura do c digo implementada no PC para a recolha da informa o proveniente do barramento de CAN d Inicializa o While 1 Vision Guided avert amp Laser CAN Detection Encoder Receive Wheels Receive Orientation Velocity to Follow Calc Wheels Send Wheels Velocity Reference Velocity Reference Figura 3 13 Fluxograma dos modulos de controlo no PC 32 Como constatado pelo fluxograma presente na Figura 3 13 o PC recebe pelo barramento de CAN da camada de baixo n vel informa o do processo o qual este tem de controlar sendo a recolha da informa o respeitante a cargo da camada de interliga o com base na informa o recolhida tanto do CAN como do laser e vis o que calculada a orienta o a seguir Com base nessa orienta o calculada a velocidade desejada para os motores e posteriormente enviada respeitand
6. E ar a E i R2 GE zi x MON 1 Rii CA gt E 7 DGND ia TTIP i aisi 25 FCC 5E HA 8 7 LED G1 7 5 47D STATUS R3 6 AGND 80 5 CMD STATUS 4 C5 El 3 E 1 gt UMO 2 lh 1 1 E QE VIN DS 2 X1 a pez xa GND Projecto ISRobot versar 3 0 E Motion irierface gt AGND 21 88 2808 23 42 84 iv SR UC sheet 1 1 E B Figura A 1 Esquem tico do m dulo Motion Interface 1 2 67 A i voc L8 t i Ea SIGHAL_TTL1 a 17 1B LE UN 5 iB Woo DGND Ci c o PE d A TAAL amp ni voc O l ENCITIL 2 5 T Tal 4 unb DGND CNT CW CNT CCW Projecto ISRobot Desioned bnc Luis Alves SR UC L D C Figura A 3 Layout do PCB Motion Interface top layer 68 js Interface 21 HBH 2HBBH 23 42 54 Figura A 5 PCB do modulo Motion Interface 69 A 2 Ultra Sound Interface C Di Protect iSRobot Uhia Sound Ultra Sound 21 09 2008 23 36 27 Luis Alves SRG Sheet 1 1 Desigred 145 10111 01101 o Figura 7 Layout do PCB Ultra Sound Interface bo
7. a JERN 3 51 22 T TROR _ CR CLOSE m 12064 A 5 7 i FUSESH22 5 T e 0 ic La sos Jer Te PM y TS Er T T De ALIEN 12v 1 1 sour VOUT 3 ALIMEN 12v 1 2 LI ALIMEN 124 2 2 e a ALIMEN 12v 2 1 o na t 1 MP om 2 Y 1 A es 89 1 Foy Lu A zu 4 TIP 142 Lf 2 L DS ed E a a et PU JU E a AP 1 Projecto lS Rabot Power Convertion PowerConvertion Designed by 11 86 7088 14 54 36 Luis Alves RUG Sheet 1 1 E C Figura 16 Esquematico do modulo Power Convertion BATERIAS CHARGER ENEMIES Ll Lll Figura 17 Layout do PCB Power Convertion Interface top layer 75 ziu 2 1904 ALI al todo Hel 8005 Figura A 19 PCB do modulo Power Convertion 76 Bibliografia Andr e Tiago Versa Robot Rob m vel vers til para competi es em provas de rob tica Relat rio Porto s n 2006 Azevedo J L et al Rota a Robot for the Autonomous Driving Competion Confer ncia Albufeira Rob tica 2007 7th Conference on Mobile Robots and Competions Abril de 2007 Behringer R e Maurer R B M Results on visual road recognition for road vihicle guidance Confer ncia Intelligent Vehicles Symposium s 1 Proceedings of the 1
8. hardware PIC Base PIC Base PIC Base SyncMCU SV 5V SV gt ULtraSound Interface InfraRed Interface LO 12V gt 5V 12V gt 5V 12V Conversor DC DC b 24V gt 12V e 24V 12V gt 5V 12V Motion Interface Motion Interface 12V Lm Left Right 12V gt 12V 12V gt 12V Enable PIC Base PIC Base 5V 5V Figura 4 24 Esquematiza o das alimenta es dos v rios m dulos 4 9 Estrutura de Suporte do Rob A estrutura do Rob constitu da por uma plataforma robusta toda ela em alum nio trabalhado mecanicamente possui duas rodas motrizes frontais de alum nio com um oringue de borracha e uma roda livre de apoio na parte de tr s A Figura 4 25 apresenta o rob de perfil onde se verificam essas caracter sticas Figura 4 25 Perfil do rob 55 Esta plataforma foi concebida de forma a poder integrar no seu interior todos os componentes necess rios sua autonomia De seguida apresentam se as dimens es reais da plataforma e a localiza o dos v rios componentes que comp em a mesma A localiza o dos v rios componentes como baterias motores m dulos de pot ncia placa do PC e os outros m dulos de hardware est representada na Figura 4 26 Sendo que a projec o do rob ocupa sensivelmente 0 5m por 0 5m Laa N Conversor DC DC 0 E A 2 Figura 4 26 Localiza o do hardware dentro da estr
9. 5 Tabela 3 4 ID s de Destination Source usados no protocolo CAN na plataforma I SRobot _ EN Es 4 Right PDriveEncoder ES EH L Both PDriveEncoder syncMCU 1 2 4 3 15 E E E Left PDriveEncoder E E Como se poder verificar mais frente existem duas fun es comuns a todos os m dulos que s o Turn Node OFF gt Idle Mode e Turn Node ON gt Running Mode as quais correspondem aos IDs 0 e 1 respectivamente 3 3 Plataforma RobChair amp ISRobot As Figs 3 4 e 3 5 mostram os v rios constituintes e suas interliga es das plataformas RobChair e ISRobot JoyStick Dual Port CAN Interface Module PCM 3680 Motor Figura 3 3 Estrutura de hardware de aquisi o controlo e actua o da RobChair 2 Basa Tigger PIC Basel PIC Base PIC Base Base Contrato da Direito Contralo da Erwin da dist ncia Envio de estada Motor Esquerdo dos US s dos ls Interface Mation Interface Ultra Sound Infra Red 4 Perce cam Power 3 4 p lr geriace com Fer Drive Alimenta o dos des pede Drive Tratamento de Sinais de Tratamento dos sinais Ems i Tratamento de Sinais de encadar des W s encoder Encoder i Type L256 EJE i rom
10. UNIVERSIDADE DE COIMBRA FACULDADE DE CIENCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELECTROTECNICA E DE COMPUTADORES ISROBOT DESENVOLVIMENTO E INTEGRACAO DE SISTEMAS E MODULOS PARA CONDUCAO AUTONOMA Luis Filipe Rodrigues Alves Coimbra 2008 ECTUC Universidade de Coimbra Faculdade de Ci ncias e Tecnologia Departamento de Engenharia Electrot cnica e de Computadores Mestrado em Engenharia Electrot cnica e de Computadores ISRobot Desenvolvimento e Integracao de Sistemas e M dulos para Conduc o Aut noma Lu s Filipe Rodrigues Alves J ri Presidente Urbano Nunes Orientador Urbano Nunes Vogais Jo o Barreto Paulo Peixoto Coimbra Setembro de 2008 ISRobot Desenvolvimento e Integracao de Sistemas e Modulos para Condu o Aut noma Disserta o Submetida ao Departamento de Engenharia Electrot cnica da Faculdade de Ci ncias e Tecnologia da Universidade de Coimbra satisfazendo parcialmente os requisitos para a obten o do grau de Mestre em Engenharia Electrot cnica e de Computadores rea de especializa o em Automa o e Inform tica Industrial Submetida por Lu s Filipe Rodrigues Alves Sob orienta o de Urbano Jos Carreira Nunes Ana Cristina Lopes Coimbra Setembro de 2008 A vida nos dada para realizarmos grandes coisas Agradecimentos Durante o decorrer deste projecto varias pessoas tiveram um contributo para a evolucao do mesmo se
11. a a Pio Pic Read Send Joystick Position Position Receive Embedded Calc Wheels Velocity Reference SyncMCU N 4 Calc Wheels Velocity Command Send Wheels SyncMCU N 5 Receive Wheels Velocity Command Send Command 4 4 4 4 SyncMCU N 1 Motor Actuation No caso do ISRobot este n o permite o controlo manual atrav s de joystick em vez disso possui diversos sensores que lhe permite ter a no o do caminho a percorrer recorrendo a vis o on line map e outros sensores Tabela 3 6 Diagrama temporal de ac es do ISRobot SyncMCU N 5 Receive Wheels Velocity Reference Motor Send Wheels Cm SyneMCU SyncMCU Pic Trigger NED N 2 Motor Actuation ME Pic Intra Read State Send State ee Red dd Pic Ultra Read Send Sound Distance Distance Embedded Sensor PC Information Calc Wheels Velocity Reference 23 Velocity Reference 3 3 1 Modulo Trigger Em termos de fun es de CAN para este m dulo presente em ambas as plataformas este apresenta as seguintes Tabela 3 7 D s das fun es presentes no m dulo Trigger m Fm o Tum Node OFF 1 Tum Node ON 15 Synchronize Nodes A fun o Synchronize All Node
12. ie f 2 IR Two methodologies were used to extract features from observations Thus two different sets of simple features were produced for each observation z The first set B was calculated directly from the sensor data in 1 e from raw range measures z The used features are specified in Table 1 Table 1 Set B of simple features extracted from raw beams z e Average difference between the length of consecu tive measures e Standard deviation of the differences between the length of consecutive measures e Average difference between the length of consecu tive measures considering a maximal possible value e Standard deviation of the differences between the length of consecutive measures considering a maxi mal possible value e Average measure length e Number of gaps in a scan we consider a gap when absolute difference between consecutive measures is higher than a value The second set P of features is calculated from polyg onal approximations P z of the area covered by the ob servations z The vertices of each closed polygon P z correspond to the Cartesian coordinates of the end points of each range measure z relative to the robot i e 2 where v 2 7 and x and d sin a Examples of polygonal representations of laser range scans are shown in Fig 9 The used features are described in Table 2 Let l be the total number of features Let all
13. municate through a common protocol The employed pro tocols are prone to change and it can be very hard to trace changes in all devices individually In the current system a base object was developed containing the communica tion protocol which is inherited by the objects communi cating through that fieldbus Using this property changes carried out in the base communication class are automati cally transmitted to the devices objects 5 Place Classification using Range Data This section presents an example of application of the real time architecture A system designed to perform se mantic classification of places is described At the current stage the classification system can differentiate between corridor and room but the results are promising to expand the method While classifying systems the movement is controlled by human with the joystick Figure 7 shows the motion control block diagram Velocity commands v w are ex tracted from the joystick These commands are sent to the embedded PC where both wheel desired velocities 041 Path Optimization Trajectory Following Obstacle Avoidance Wireless Gateway Perception and Navigation Low Level Motion Control Localization Fielbus Communications Figure 6 Complete Robchair software architecture design Motor B Wheel 6 Encoder Figure 7 Place classific
14. 4 5 1 Tratamento do Sinal de Comando O sinal de comando velocidade pretendida enviado pelo PC via CAN Depois de recebido e tratado enviado usando o protocolo SPI Existe ent o a necessidade da utiliza o de um conversor Digital Anal gico DAC para a convers o desse sinal digital num sinal anal gico Utilizou se o DAC MCP4921 12 voltage output digital to analog converter Este coloca na sa da um sinal anal gico VDAC de OV a 5V Este sinal tem ainda de ser tratado antes de ser enviado para o m dulo de pot ncia uma vez que o sinal de comando a enviar tem de ser um sinal anal gico de 10V a 10V Com o objectivo de ter essa gama de valores com precis o e de igual forma em ambos os m dulos que controlam cada motor recorreu se a uma montagem amplificadora com ganho vari vel para ajuste fino desse ganho Esse auto ajuste do ganho do amplificador realizado recorrendo a potenci metros digitais representados na Figura 4 14 P e P s o dotados de comunica o SPI e os seus valores s o controlados pelos PIC s associados a cada um dos m dulos em fun o da compara o do sinal de comando sa da dos m dulos com um dado sinal de refer ncia A montagem escolhida o amplificador de diferen a porque apresenta uma equa o simples num caso particular Esta apresentada na Figura 4 14 e o seu ganho dado pelas eq 4 13 e 4 14 A primeira a equa o gen rica e a segunda um caso particular ap
15. 90 C M dulo desactivado Indica o que a corrente m xima admitida pelo motor foi atingida aprox 12 5A M dulo desactivado Indica o que a fonte de tens o interna n o consegue atingir o valor de tens o pretendido M dulo desactivado Indica o que os sinais de entrada do codificador ptico excedeu a frequ ncia m xima admiss vel 150 KHz M dulo desactivado Quando ocorrem os erros descritos anteriormente o m dulo passa ao estado de inactivo sendo necess rio reactiv lo novamente sempre que tal aconte a Ou seja n o basta que o problema desapare a para ele passar ao modo activo Se o problema persistir quando a activa o do m dulo iniciada este coloca se imediatamente no estado inactivo at que o problema seja resolvido 39 As causas associadas ao primeiro tipo de erro s o as mais variadas podendo por exemplo dever se a uma temperatura ambiente muito elevada que pode ocorrer em aplica es especiais ou por existir uma m dissipa o ventila o do m dulo Pode ainda dever se a um m ximo de corrente cont nua permitida atingida situa o essa que ser aprofundada mais frente quando forem abordados os potenci metros de ajuste que o m dulo possui Essa corrente normalmente de 5A 4 3 2 Entradas e Sa das Os sinais de entrada e sa da deste m dulo est o divididos em tr s tipos e Power onde se encontra a alimenta o do m dulo e as sa das de alime
16. In the sequence of this change studies were made to understand document and design better software see for example 3 and 4 The attempt to define and codify the system has also been stud ied Among others the Wright language 5 and IEEE l This research was supported in part by Funda o para a Ci ncia e Tecnologia FCT under contract NCT04 POSC EEA SRI 58016 2004 Recommended Practice for Architectural Description of Software 6 are interesting tools to work with In mobile robotics in the effort to better organize pieces of software architectures were proposed for many years from Brook s Subsumption 7 to Chochon object based architecture 8 At present projects exist with the objective to cre ate a common architectural environment allowing the re usability of the source code between mobile platforms such as Player Stage 9 and Genom Orocos 10 11 These tools are limited in the sense of not being com plaint with hard real time systems or difficult to work with Hard real time capabilities are required to success fully complete autonomous missions Key features in cluding precision security and determinism depend on them Many groups 12 13 use commercially available real time operating systems such as QNX LynxOS and vxWorks While these systems have good real time ca pabilities they are too expensive miss device drivers and lack expandability An alternative can be taken to create
17. P2 Offset strong compensation Adjustment n 0 1 0 at set value V max speed ead at 10 V set value 5 DEC amplification Figura 4 7 Potenci metros de ajuste 42 P4 P5 of ommum Figura 4 8 Pr ajuste dos potenci metros Para al m destes potenci metros existe ainda a possibilidade de ajustes mais espec ficos encontrando se no entanto os potenci metros respectivos no interior do m dulo A sua manipula o n o permitida sem que o m dulo seja aberto Estes potenci metros P6 P7 e P8 cuja localiza o se apresenta na Figura 4 9 servem respectivamente para controlar o ganho em velocidade o ganho em corrente e o valor de corrente de sa da m ximo em regime cont nuo Figura 4 9 Localiza o dos potenci metros Os pr s ajustes dos potenci metros P6 e P7 s o respectivamente 25 e 40 No que respeita ao potenci metro este serve para regular o valor de corrente em modo cont nuo admiss vel sendo que o valor de pico regulado atrav s do potenci metro P4 ser aceite durante um per odo de 0 15 em cada 15 No tempo restante encontra se limitado ao valor de corrente em modo cont nuo regulado pelo potenci metro P8 como se mostra na Figura 4 10 No entanto este modo de controlo do valor m ximo da corrente s realizado quando o DIP switch 6 se encontra activo 43 Pre adjustment P8 50 DIP Switch 6 ON T DIP Switch 6 OFF 4 cyclical current limit
18. de cerca de 1 5 centimetros Esta distancia esta relacionada com a superficie utilizada na pista presente no concurso embora este valor varie em fun o da superf cie de reflex o e da luminosidade ambiente 4 7 M dulo de Hardware Ultra Sound Este m dulo de hardware tem como objectivo fazer a interface dos sinais que s o enviados e recebidos entre PIC respons vel por monitorizar os ultra sons e os pr prios n o possuindo quaisquer outras tarefas adicionais tornando se como tal um circuito bastante simples Este m dulo encontra se preparado para poder ligar at um m ximo de oito ultra sons 52 A escolha dos ultra sons a utilizar no projecto recaiu sobre o modelo SRF 04 cujas caracteristicas se adaptam bem as necessidades do projecto As caracteristicas principais do SRF 04 encontram se descritas na Tabela 4 6 Tabela 4 6 Caracter sticas dos ultra sons O qu Distancia Max Distancia Min E Disparo 10 Min nivel TTL Trigger EE Sinal TTL positivo proporcional distancia ao obst culo Dimens es 43m x 20mm x mm Tabela 4 6 Caracter sticas dos Ultra sons Este sonar responde a um impulso de n vel l gico com a dura o de 10 uS que serve de sinal de disparo Quando este sinal recebido pelo sonar este envia entao um sinal ac stico ultra s nico e coloca a linha de eco em modo de escuta durante um per odo entre 100 us a 18 ms aproximadamente S ap s 10 u
19. fico no qual s o apresentados trabalhos na rea da rob tica m vel em grande parte trabalhos integrados nas provas das quais o FNR composto Dentro do Festival Nacional de Rob tica existe uma prova de Condu o Aut noma em que usada uma pista semelhante a uma estrada que visa obrigar os participantes a desenvolver um bom sistema de condu o com caracter sticas similares s necess rias a um autom vel aut nomo num meio semi estruturado e cujas regras e especifica es s o descritas no anexo Tunnel Traffic Panels Parking Area a Obstacle A p 2 Crossing Road J Maintenance Area RMA Figura 2 1 Pista de condu o aut noma Tendo em conta os v rios desafios da prova necess rio contemplar diversos tipos de sensores para a aquisi o de forma correcta dos diversos elementos que esta integra A t cnica de seguimento de linhas e seguimento baseado em odometria s o as op es mais f ceis mas que nao s o suficientes Havendo a necessidade de aplica o de t cnicas mais complexas tais como reconhecimento de objectos ou seja identificac o de passadeira tunel obst culo sem foros e zona de obras que sao essenc da prova A Tabela 2 1 apresenta exemplos de sensores utilizados rob ticas de concorrentes assim como alguns itens de compara o iais realiza o nas plataformas Tabela 2 1 Comparacao entre sensores usados nas plataformas rob ticas Tipo
20. no 3 pp 301 314 2002 15 U Nunes J Fonseca L Almeida R Araujo and R Maia Using distributed systems in real time control of autonomous vehicles in Robotica vol 21 Cambridge University Press 2003 pp 271 281 16 R Maia R Cortes o U Nunes V Silva and J Fon seca Robust low level motion control of WMR with stochastic active observers in International Conference on Advanced Robotics vol 2 Coimbra July 2003 pp 876 882 17 Mon Range Finder Type Laser Scanner URG 04LX Specifications Japan Hokuyo Automatic Co Ltd July 2005 18 BOSH CAN Specification Version 2 0 Bosch GmbH September 199 Robert 19 USB consortium Universal serial bus specifica tion USB consortium Tech Rep April 2000 20 R Maia Movimento de rob s m veis com rodas de trac o diferencial Modela o e controlo do sistema motriz Master s thesis Universidade de Coimbra 2004 in portuguese 21 P Sousa R Ara jo and U Nunes Real time la beling of places using support vector machines in 2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics Vigo Spain June 2007 22 R C Gonzalez and R E Woods Digital Image Pro cessing Addison Wesley September 1993 23 Oscar Martinez Mozos Supervised learning of places from range data using boosting Master s thesis Albert Ludwigs Univ Freiburg 2004 24 S Loncaric A survey of shape
21. o de rob tica m vel um encontro cient fico e ainda v rias demonstra es de outros rob s m veis e ou aut nomos Este festival composto por diversas provas diferentes desde Futebol Rob tico diversos g neros tais como RoboCup Dan a J nior Seguimento de Linha e tamb m uma prova de Condu o Aut noma Sendo esta ltima a simula o de uma estrada em condi es mais restritas e controladas mas com o objectivo de procurar reduzir o tempo de percurso atrav s de um bom controlo de seguimento de pista paredes do t nel execu o das ordens dadas pelos sem foros contorno de obst culos e obras na pista e estacionamento em parque bem como evitando penaliza es quando uma ou mais rodas saiem fora da pista o t nel tocado a direc o ou a ordem de paragem ditada pelos sem foros n o cumprida 2 1 Condu o Aut noma Existiram e existem neste momento diversos projectos parcerias que t m em vista a Investiga o e desenvolvimento de sistemas robotizados terrestres com a particularidade de serem completamente aut nomos inteligentes Al m disso existem tamb m alguns eventos que visam promover e impulsionar o desenvolvimento das tecnologias necess rias para aqueles fins Tendo o Festival Nacional de Rob tica o objectivo de promover desenvolvimentos t cnicos e cient ficos na rea da Rob tica tal conseguido gra as oportunidade que este oferece nomeadamente com a exist ncia de um encontro cient
22. tulo apresentada a introdu o ao trabalho realizado no mbito do Mestrado em Engenharia Electrot cnica e de Computadores rea de especializa o em Automa o fazendo o seu enquadramento e identificando os objectivos Inicialmente exp e se a motiva o que originou este trabalho seguindo se a apresenta o dos objectivos e grau de concretiza o Finaliza se com a apresenta o da estrutura da tese 1 1 Motiva o A rea dos rob s ve culos m veis inteligentes semi aut nomos aut nomos tem vindo ser alvo de interesse por um alargado leque de investigadores por todo o mundo Esse Interesse tem se manifestado em aplica es diversas tais como ind stria autom vel transportes p blicos industriais militares e rob s centrados no ser humano onde por exemplo se destacam os rob s que assistem pessoas com necessidades especiais No que toca ind stria autom vel os sistemas activos de seguran a tornaram se familiares uma vez que estes s o amplamente comercializados Os carros actuais Integram sistemas mencionados na Tabela 1 1 A evolu o destes sistemas activos de seguran a de aux lio parcial condu o est listada na Tabela 1 1 Mendes 2004 Tabela 1 1 Evolu o dos sistemas activos de seguran a Ano Sistema de Seguran a 1978 Sistema anti derrapagem ABS 1982 Controlo de velocidade de cruzeiro CC Estes sistemas continuam a evoluir em termos de investiga o com o objectivo de c
23. 18 ms The other time the time taken by the SVM to deter mine the environment class is negligible when compared to feature computation time equivalent to 0 3 on map equivalent to 0 16 map equivalent to 0 5 on map Table 3 Classification results for different indoor areas and using a sigmoid kernel Total Correctly Correct samples classified rate Corridor 48 36 15 Room 1 112 84 15 Room 2 27 18 67 Room 3 57 43 15 Table 4 Classification results for different indoor areas and using a polynomial with degree d 5 kernel Tota correctly correct samples classified rate Corridor 48 38 19 Room 1 112 88 19 Room 2 27 21 7890 Room 3 57 43 75 Table 5 Classification results for different indoor areas and using a Gaussian RBF ker nel Total Correctly Correct samples classified rate Corridor 48 Room 1 112 Room 2 27 Room 3 57 44 7790 6 Conclusion This paper presents an architecture developed for real time control of mobile robots and autonomous vehi cles The combination between C C languages and linux RTAI proved to be productive stable and with good performance The real time system guarantees determin ism By employing RTAI the system is developed in a Linux system which gives us access to a rich set of re sources such as network graphics and device I O The practical results attained with the architecture are very good and permit the impl
24. No que respeita ao consumo do sistema sao apresentados valores aproximados na Tabela 4 4 para os v rios constituintes conseguindo dessa forma chegar a um valor pr ximo do consumo do sistema que se estima em 4 A h garantindo as duas baterias aproximadamente 2 horas de autonomia As baterias para aplica es em rob tica m vel aut noma t m que preencher alguns requisitos no que respeita ao seu tamanho e peso Tal facto contribui por optar por baterias secas mais leves e compactas Pretendendo se um sistema distribu do simetricamente ent o a op o mais certa utilizar duas baterias e dadas as caracter sticas dos v rios m dulos de hardware a tens o nominal mais apropriada seria de 12V Ligando estas em s rie obt m se ent o a tens o nominal dos motores 24V S o utilizadas as baterias da SAFT As suas principais caracter sticas apresentam se resumidamente na Tabela 4 5 Tabela 4 5 Caracter sticas principais da bateria Caracteristica Tens o nominal Capacidade m nima Capacidade tipica 46 Main 3A 180 mA 90 mA 6 Horas 3 Horas Balancing Trickle 100 90 necess rio efectuar uma carga de 100 a cada 20 ciclos de carga descarga ou de 3 em 3 meses O aspecto das baterias bem como uma ideia das dimens es desta podem ser observadas na Figura 4 13 Figura 4 13 Aspecto da bateria 4 5 M dulo de Hardware Motion Interface Dadas as necessidades que se apresentavam ao tratame
25. PC da plataforma de forma a torn la aut noma No Cap tulo 6 s o relatados os testes realizados com ambas as plataformas que comprovam a operacionalidade do sistema distribu do de interface com o hardware que ambas possuem No Cap tulo 7 s o apresentadas as conclus es do trabalho e apontam se alguns caminhos para a progress o do mesmo S o tamb m apontados de um modo gen rico alguns algoritmos que s o necess rios para poder tirar proveito de todas as capacidades desta nova plataforma e com vista participa o na prova de Condu o Aut noma Capitulo 2 2 Estado da Arte 2 1 Condu o Aut noma 8 Para termos um rob ve culo aut nomo aplicado condu o este tem de ser capaz de interagir com o mundo de forma aut noma recolhendo informa o do mesmo e evitando situa es perigosas para pessoas para si pr prio e outros objectos Sendo portanto essencial o conhecimento da sua posi o e a envolvente que o rodeia para poder navegar de forma segura em pisos irregulares pouco estruturados e de visibilidade vari vel A partir sensivelmente de 1980 iniciou se a Investiga o nos autom veis Inteligentes tendo a Universidade de Bundeswehr Munich UBM constru do o primeiro ve culo rob Iniciou se tamb m o projecto Europeu Prometheus com o objectivo da constru o de autom veis inteligentes No in cio da d cada de 90 algumas universidades americanas iniciaram projectos de condu o aut noma t
26. analysis tech niques Pattern Recognition vol 31 no 8 983 1001 1998 25 J O Rourke Computational Geometry in C Second Edition Cambridge University Press September 1998 26 A Young Handbook of Pattern Recognition and Im age Processing Academic press 1986 27 O M Mozos C Stachniss and W Burgard Super vised learning of places from range data using ad aboost in IEEE International Conference Robotics and Automation Barcelona Spain April 2005 pp 1742 1747
27. da tratando se de um codificador ptico de 3 canais em modo diferencial com a resolu o de 256 pulsos por volta O canal A e B t m uma resolu o de 256 pulsos por volta encontrando se estes dois canais em quadratura sendo o terceiro um canal de ndex que envia apenas um pulso por volta alimentado com uma tens o de 5V sendo esta feita a partir do m dulo de pot ncia Servoamplifier ADS 4 Q DC da Maxon sendo as suas caracter sticas principais apresentadas na pr xima sec o O conector do codificador ptico tem a configura o apresentada na Figura 4 3 N C Voc GND N C Channel Channel Channel B Channel B Channel Index 10 Channell Index fo 4 n E 63 PQ Figura 4 3 Configura o do conector do encoder 37 4 3 M dulo de Pot ncia Neste sub cap tulo pretende se essencialmente dar a conhecer o m dulo de pot ncia Power Drive utilizado e as suas caracter sticas mais importantes sendo apresentados igualmente os motivos principais da utiliza o destes O m dulo de pot ncia utilizado o indicado pelo fabricante do motor semelhan a do que acontece com o codificador ptico utilizado Desta forma utiliza se o Servoamplifier ADS 4 Q DC da Maxon que disp e j de 4 modos de controlo para o motor As caracter sticas dos principais sinais de entrada e sa da do m dulo s o apresentadas de seguida na Tabela 4 1 onde se pode encontrar info
28. de Count UP para enviar para o PIC Para tal utiliza se a montagem presente na Figura 4 18 50 recorrendo utiliza o de dois Flip Flops do tipo D e duas portas NOT cujo resultado em simula o pode ser observado na Figura 4 19 e Figura 4 20 O objectivo identificar se o canal ou o canal B que est em avan o em rela o ao outro obtendo se portanto os sinais de Count UP e Count Down respectivamente aman gt Ties A O LNG CIL iho S ht OW cri c call Figura 4 20 Deteccao de Count Down 51 4 6 M dulo de Hardware Infra Red Este m dulo de hardware foi desenvolvido com o intuito de fazer de interface entre o PIC respons vel pela monitoriza o do estado dos sensores IV Para os sensores IV existem buffers que garantem a estabilidade dos sinais a entrada do PIC servindo tamb m de protec o Este m dulo encontra se preparado para poder ligar at um m ximo de dez sensores de infravermelhos 4 6 1 Caracter sticas dos IR s Este tipo de sensores consiste num d odo emissor de infravermelhos e de um trans stor fotossensivel Phototransistor No caso do IR utilizado OPB704 encontram se colocados lado a lado no encapsulamento como mostra na Figura 4 21 REFLECTING SURFACE Nol 7 SELLS SIESTA SLITS d t 4 LA Ej LEG PHOTOTRARSISTOR Figura 4 21 Infravermelho OPB704 A distancia d representada
29. determina tamb m a prioridade da mensagem Quanto mais baixo for o valor num rico do identificador maior ser a prioridade da mensagem associada Numa situa o em que dois ou mais nodos tentem transmitir simultaneamente uma t cnica n o destrutiva garante que as mensagens s o transmitidas pela sua ordem de prioridades e que nenhuma mensagem perdida A estrutura global de uma mensagem segundo o protocolo CAN ilustrada na Figura 3 2 Para que os v rios dispositivos troquem a informa o correctamente sob o protocolo CAN n o pode existir nodos na rede com o mesmo identificador ID Ora tendo o ID da mensagem 11615 este foi subdividido em tr s partes para contemplar informa o respeitante n o apenas ao destino como tamb m a origem e a fun o desejada para com os dados presentes na mensagem ID DATA 11 bits to amp bytes d tuts 3 tuts Oto f bytes Figura 3 2 Protocolo CAN Os ID dos m dulos est o descritos nas Tabelas 3 3 e 3 4 no caso da fun o esta dependente do m dulo em quest o sendo portanto apresentada na sec o do m dulo a que respeita assim como o campo de dados cujo tamanho tamb m ir depender dessa mesma fun o 20 Tabela 3 3 ID s de Destination Source usados no protocolo CAN na plataforma RobChair 7917 Right PDrive Left PDrive Both PDrive Right Encoder Lefi Encoder Encoder 10 Joystick _ 15 _
30. do m dulo Motion Interface 22 00 68 Figura A 3 Layout do PCB Motion Interface top 68 Figura A 4 Layout do PCB Motion Interface bottom 69 Figura A 5 do m dulo Motion Interface eee 69 Figura A 6 Esquematico do m dulo Ultra Sound eese 70 Figura A 7 Layout do PCB Ultra Sound Interface bottom 70 Figura A 8 PCB do m dulo Ultra Sound 71 Figura A 9 Esquem tico do m dulo Infra Red 1 4 71 Figura A 10 Esquem tico do m dulo Infra Red 0 96 72 Figura A 11 Esquem tico do m dulo Infra Red 7 4 72 Figura A 12 Esquem tico do m dulo Infra Red 44 T3 Figura A 13 Layout do PCB Infra Red Interface top 73 Figura A 14 Layout do PCB Infra Red Interface bottom layer 74 Figura A 15 PCB do m dulo Infra Red Interface essere 74 Figura A 16 Esquem tico do m dulo Power Convertion sees 75 Figura A 17 Layout do PCB Power Convertion Interface top layer 13 Figura A 18 Layout do PCB Power Convertion Interface top 76 Figura A 19 PCB do modulo Power
31. eficiente e em tempo til sistemas de tempo real A plataforma RobChair referida anteriormente um rob de trac o diferencial com a configurac o de uma cadeira de rodas a qual j passou por diferentes fases de concep o inclusive ao nivel do hardware Tem tamb m servido como plataforma de testes a diversos algoritmos como foi referido na sec o anterior No entanto esta plataforma tem uma dimens o e peso consider vel n o permitindo o seu transporte de forma trivial e exigindo um espaco consider vel no teste dos algoritmos Para facilitar as experi ncias e testes de diversas metodologias de controlo e seguimento de traject ria decidiu se construir outra plataforma com sistema de tracc o semelhante Sendo esta de tamanho e peso mais reduzido possibilita ainda o uso em competic es de rob tica m vel como por exemplo no Festival Nacional de Rob tica na prova de Condu o Aut noma Rob tica 2008 O projecto e constru o de um novo rob plataforma m vel implicam a an lise da interliga o entre os diversos sistemas que o comp em Exige a escolha correcta dos actuadores dos sensores dos sistemas de processamento e do sistema de alimenta o para este ser aut nomo A forma como todos estes sistemas comunicam entre si para dar ac es de comando e para recolha de informa o um dos ponto chave de todo o sucesso do sistema Aos canais de comunica o que interligam os v rios m dulos de proce
32. encontrados M todo simplificado de Tsai para localiza o dos objectos Operac o em frames isolados Amplia o morfol gica Opera o em frames isolados Fus o dos dados de vis o com os do radar 10 A correc o da traject ria feita por um algoritmo PD Se n o detectar nenhum ponto o processo n o toma nenhuma decis o e segue a direc o da ltima an lise A posi o absoluta do robot no mundo determinada atrav s das medi es da posi o do robot relativamente s faixas de rodagem seguidas de um processo de rota o e transla o Assume tra ado na estrada no escuro Alguma robustez com oclus es Projectado para detec o de estradas rurais borda desnivelada A Tabela 2 2 apresenta t cnicas usadas para fazer o seguimento de pista presente na Figura 2 2 Na maior parte dos casos o seguimento da pista feito recorrendo exclusivamente a visao e Passadeira Figura 2 3 Passadeira existente na pista a As t cnicas para reconhecimento da passadeira recorrem normalmente vis o por computador Uma possibilidade consiste numa busca por uma linha grande transversal pista ou por uma sucess o de linhas compreendidas pelas linhas laterais da pista A imobiliza o do rob junto da mesma pode ser feita recorrendo apenas a vis o caso o ngulo de vis o o permita ou ent o recorrendo a sensores de IV presentes na frente do rob possibilitando uma exacta imobiliz
33. massa n o coincidir com o eixo das rodas pode se obter o bin rio necess rio para produzir a for a apresentada em 4 1 atrav s da Equa o 4 2 35 tT F r 4Nm 4 2 Onde r o raio das rodas do rob r 0 1 m velocidade m xima do rob a velocidade angular das rodas ser V 3 183 rad s 4 3 Pelo que velocidade r p m vem dada o r pm 5750 190 98 r p m 4 4 TT Desta forma partiu se para uma soluc o integrada com motor DC alimentado a 24 V acoplado a um sistema de engrenagem de reduc o de velocidade permitindo desta forma ter um bin rio mais elevado e velocidades perto da gama pretendida A curva velocidade bin rio para o motor RE 30 Graphite Brushes 60 Watt da Maxon sobre o qual recaiu a escolha a apresentada na Figura 4 1 ai Recommended operating range S000 Lo 60 Watt Continuous operation In observation of above listed thermal resistances lines 19 and 20 the maximum permissible rotor temperature will be reached during continuous oper ation at 25 C ambient Thermal limi TODO 5000 000 Short term operation The motor may be briefly overloaded recurring 100 200 300 M mim 10 20 30 40 50 HA Motor with high resistance winding TUE Motor with low resistance winding 2 4 B 1 12 Figura 4 1 Curva caracter stica do motor A este motor acoplado uma caixa de engrenagem GP32A Planetary Gea
34. mesmo onde caso seja detectado algo despoletada uma ac o de seguran a O alcance do mesmo de cerca de 4m tendo a zona de seguran a sido definida nos 0 3m para imobiliza o do rob O laser usado Hokuyo faz varrimentos de 240 com uma resolu o de 0 3516 Esta amplitude foi subdividida em cinco zonas distintas 30 50 80 50 30 tendo sido dado import ncia apenas s tr s zonas centrais 180 e que permite identificar se o obst culo se encontra na frente ou num dos lados do rob Desta forma poss vel no caso particular da prova decidir se o rob pode prosseguir na faixa de rodagem actual ou se tem de mudar para a outra 60 Neste caso particular o objectivo do uso da vis o identificar as linhas delimitadoras das duas faixas de rodagem e respectiva linha central tracejada Com este objectivo foram usadas duas c maras uma de cada lado da estrutura frontal do rob com vista a detectar a linha mais pr xima do rob sendo que nesses caso o varrimento da imagem da c mara direita faz se da esquerda para a direita e a outra faz no sentido contr rio A Ideia com esta solu o era estando o rob na faixa direita orientar se pela linha direita continua e caso passasse para a faixa esquerda orientar se pela linha esquerda cont nua Devido limita o de processamento do PC a aquisi o de imagens feita apenas numa c mara Infelizmente esta solu o n o foi devidamente explorada tendo se op
35. referido na Introdu o foi constru da a plataforma ISRobot Esta plataforma revelou ter as caracter sticas necess rias sua fun o ap s algumas reestrutura es do sistema distribu do medida que se foram adicionando mais sensores e perif ricos ao sistema central verificou se a necessidade de aumentar a capacidade de pot ncia da fonte de alimenta o do PC Com vista a um consumo n o exagerado maior autonomia do sistema este foi dotado dum PC mini ITX de baixo consumo Obviamente que sendo de baixo consumo n o se pode exigir dele capacidades de alto desempenho No entanto apresenta capacidades suficientes para gerir o sistema distribu do barramento de CAN em tempo real aquisi o de dados do laser e a captura de imagem com baixa resolu o Verificou se no entanto que caso sejam necess rios algoritmos mais exigentes do ponto de vista computacional tais como segmenta o de m ltiplas imagens com resolu o t pica das c maras actuais a melhor solu o ser colocar um PC port til para tratar do processamento da vis o e comunicar o resultado desse processamento ao outro PC 63 embebido que esta a correr obedecendo a requisitos de tempo real com recurso ao sistema de RTAI As expectativas globais tra adas participa o de forma aceit vel na prova de Condu o Aut noma com algoritmos de laser e vis o complexos n o foram atingidas Isto porque em certa parte tais expectativas foram colocadas
36. transmitidos O fluxograma presente na Figura 3 11 mostra resumidamente a estrutura do c digo desenvolvido para o PIC respons vel pelo envio do estado dos infra vermelhos 30 Inicializa o q While 1 4 Interrupt CAN Trigger Read Distance Send Distance of Ultra Sound of Ultra Sound Figura 3 11 Fluxograma do c digo implementado no Ultra Sound Node Como constatado pelo fluxograma presente na Figura 3 11 o Ultra Sound Node envia pelo barramento de CAN para a camada de alto nivel o valor de distancia medido por cada ultra som de acordo com as mensagens de sincronismo 3 3 8 M dulo Infra Red Interface As fun es de CAN para este m dulo presente na plataforma ISRobot s o as identificadas na Tabela 3 13 Tabela 3 13 D s das fun es presentes no m dulo Infra Red o Tum Node OFF L1 Tum Node ON 4 Data from Infra Red Os valores monitorizados pelo m dulo totalizam dois bytes sendo usados dez bits alinhados direita com a informa o do estado de cada infravermelho sobre a fun o Data from Infra Red O fluxograma presente na Figura 3 12 mostra resumidamente a estrutura do c digo desenvolvido para o PIC respons vel pelo envio do estado dos infra vermelhos 31 Inicializa o i While 1
37. 000000000000000000 44 Ip Ce eee ee I CEPT PEN REIP II IEEE 46 4 5 MODULO DE HARDWARE MOTION INTERFACE cccccccccsscssccccccssccccccssccccccscccccees 47 4 5 1 TRATAMENTO DO SINAL DE 2 000 0000010000000 48 4 5 2 TRATAMENTO DOS SINAIS DE ENCODER 50 4 6 MODULO DE HARDWARE INFRA RED ccccccocsccsscccccccccscccccccccssccccccccsssccccsccccees 52 46 CARACTER STICAS DOS UR 9 inia doin ince Da DD Psi Pala ioi io 52 4 7 M DULO DE HARDWARE ULTRA SOUND cccccccsccccssccssccccccccsscccccccccscscccccccccees 52 4 8 MODULO DE HARDWARE POWER_CONVERTION ccccccccsscccccsscsscccccccccssccccccceccees 54 4 8 1 ESQUEMA DE ALIMENTACOES DO SISTEMA 3 0000000 54 4 9 ESTRUTURA DE SUPORTE DO ROBO cccccsccsscccccsssccccccsccccccscscccccsscccccssscccccssscosees 55 4 10 SISTEMAS PERIF RICOS DO ccccccscscssccccccscsscccccccccsccccccccccssccccccccscscccssccccees 56 5 ALGORITMOS INCORPORADOS NO ISROBOT PARA A PROVA DE CONDU O AUT NOMA cccccsssscsscsssssssssssscssssssssscsscssssssssscsssssssassssessssssssssasessesssessenses 59 SISTEMA DE TEMPO REAL RTA iii eoe eee euea eas ee eq eee eoe oce duae 59 5 2 NAVEGA O COM RECURSO A LASER E VISAO ccccssssscccssssssscccccssscsccccc
38. 1 N 2 N 3 N 2 4 N 2 5 N 2 1 Motors Receive Wheels Motors Actuation Velocity Actuation Command Read Send Wheels Velocity Wheels Send Receive Wheels Velocity Command Command Figure 4 Messages and actions of a control cycle of 5ms 3 Communication Protocol As depicted in Fig 2 the on board devices distributed through the robot platform are connected through field buses e Controller Area Network CAN e Universal Serial Bus USB The CAN is used for data transfer of small critical mes sages between devices while the USB is mainly used for devices which send or receive large amounts of data The CAN fieldbus is a deterministic protocol guaranteeing the delivery of messages otherwise an error is reported The main disadvantage of the CAN protocol is the low band width of IMbit s maximum 18 On the other hand the USB has a higher bandwidth permitting 480 Mbit s if working with devices compatible with the USB 2 0 pro tocol 19 The main USB drawback is its large latency which is inadequate for real time systems All the distributed devices connected through CAN use a base printed circuit board containing a microchip micro controller uC as described in 20 The devices were designed to have three operating states as illustrated in Fig 3 The Boot Loader state is the first state to run when the pC is powered In this state uC can be re programmed without di
39. 3 M dulo Encoder Interface As fun es de CAN para este m dulo presente na plataforma RobChair s o identificadas na Tabela 3 9 Tabela 3 9 ID s das fun es presentes no m dulo Encoder D Tum Node OFF Turn Node ON EX ser Velocity Value 7317 Ser Control Mode Set PI Control MOS ET _5 Reset Encoder Information 6 Datafrom Encoder A fun o Set Velocity Value usada para definir o valor de refer ncia da velocidade desejada para o motor sendo esta controlada com base no controlador PI presente neste m dulo Se este estiver em modo de velocidade tal poss vel atrav s da fun o Set Control Mode como descrito no PDriveNode Para defeni o de tal velocidade s o usados dois bytes de dados tamb m poss vel alterar os valores do controlador sendo para tal necess rio quatro bytes para o ganho proporcional e outros quatro para o ganho integral Estes valores s o Inteiros que devem estar referenciados s mil simas de unidade Os valores monitorizados pelo m dulo totalizam seis bytes em que quatro bytes correspondem ao valor da posi o do motor seguido de mais dois bytes referentes velocidade do motor Estes s o os dados transmitidos sobre a fun o Data from Encoder No entanto o valor da posi o pode ser reinicializado sendo para tal usada a fun o Reset Encoder Information O fluxograma presente na Figura 3 7 mostra resumidament
40. 3 11 ID s das fun es presentes no m dulo 20 Tabela 3 12 ID s das fun es presentes no m dulo Ultra Sound 30 Tabela 3 13 ID s das fun es presentes no m dulo Infra 3 Tabela 4 1 Caracter sticas principais do 10 38 Tabela 4 2 Estado do m dulo de pot ncia led 39 Tabela 4 3 Estado do m dulo de pot ncia led vermelho 39 Tabela 4 4 Consumos do A 46 Tabela 4 5 Caracter sticas principais da bateria eese 46 Tabela 4 6 Caracteristicas dos Ultra SONS ii 53 XX Lista de Abreviaturas Ve culos Guiados Automaticamente do ingl s Autonomous Guided Vehicle ACR Arquitectura de Controlo do Rob CAN Controller Area Network DAC Conversor Digital Anal gico do ingl s Digital to Analog Converter DARPA Defense Advanced Research Projects Agency DEE Departamento de Engenharia Electrot cnica DES Sistema Embebido Distribu do do ingl s Distributed Embedded Systems FCT Funda o para a Ci ncia e Tecnologia ENR Festival Nacional de Rob tica IPT Instituto Polit cnico de Tomar IC Circuito Integrado do ingl s Integrated Circuit ISR UC Instituto de Sistemas e Rob tica P lo de Coimbra ISRobot Rob Diferencial para Condu o Aut noma IV Infra Vermelho PC Personal Com
41. 4 Figura 4 11 Esquema da malha de controlo em modo de encoder 44 Figura 4 12 Controlador PI de velocidade do 45 Aspecto da DALLA ws dvor totus 47 Figura 4 14 Amplificador de diferenca 49 Figura 4 15 Montagem amplificadora de diferen a para simulac o 49 Figura 4 16 Resultado da 00200000000 50 Figura 4 17 Convers o Diferencial TTL dos sinais vindo do encoder 50 Figura 4 18 Detec o do sentido de 51 Fura A DeteccaosdeCOUntoU Dude d is 51 20 Deteccaoxe Count Dom safe ee Piso A Sa 51 Figura 4 21 Infravermelho OPDB704 i iier tate ertt ica dira iaa 52 Figura 4 22 Diagrama temporal do funcionamento SRF 04 53 Figura 4 23 Dispers o ac stica Diagrama de pot ncia de radia o do SRF 04 54 Figura 4 24 Esquematiza o das alimenta es dos v rios m dulos 55 I1sura 4 25 Perfil dO TODO otitis 55 Figura 4 26 Localiza o do hardware dentro da 56 Figura 5 1 Sub tarefas do programa principal de 60 Figura A 1 Esquem tico do m dulo Motion Interface 12 67 Figura 2 Esquem tico
42. 996 IEEE 1996 Bertozzi M e Broggi A GOLD A parallel real time stereo vision system for generic obstacle and lane detection Jornal s 1 IEEE Trans Image Process Jan 1998 62 8 Vols 7 no 1 Cancela R et al ATLAS III Um Rob com Vis o Orintada para Provas de Condu o Aut noma Confer ncia Cormbra Rob tica 2005 Actas do Encontro Cient fico Abril de 2005 Dmitry S e Kunbin H Road Sign Recognition by Single Positioning of Space Variant Sensor Window Jun M Tsuyoshi K e Yoshiaki S An Active Vision System for Real Time Traffic Sign Recognition Universidade de Osaka s n Lopes A C et al An Outdoor Guidepath navigation System for AMRs based on Robust Detection of Magnetic Markers Confer ncia 12th IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation ETFA 07 Ma B Lakshmanan S e Hero A O Simultaneous detection of lane and pavement boundaries using model based multisensor fusion Jornal s 1 IEEE Trans Intell Transp Syst Sep 2000 135 147 Vols 1 no 5 Maia R Movimento de Rob s M veis com Rodas de Trac o Diferencial Modela o e Controlo do Sistema Motriz Relat rio Coimbra Tese de Mestrado Universidade de Coimbra 2004 Mendes A Conde Bento L e Nunes U Multi target Detection and Traccking with a Laserscanner Confer ncia Proc of Intelligent Vehicles Symposium Parma Italy s n 2004 pp 796 801 Mendes Abel Dete
43. Cambridge MA USA Mas sachusetts Institute of Technology 1986 8 H Chochon Object oriented design of mobile robot control systems in The 2nd International Symposium on Experimental Robotics London UK Springer Verlag 1993 pp 317 328 9 B Gerkey R Vaughan K Sty A Howard G Sukhatme and M Mataric Most valuable player A robot device server for distributed con trol in Proc of the IEEE RSJ Intl Conf on Intel ligent Robots and Systems IROS Wailea Hawaii October 2001 10 S Fleury M Herrb and R Chatila Genom a tool for the specification and the implementation of op erating modules in a distributed robot architecture in Proc of the IEEE RSJ International Conference on Intelligent Robots amp Systems IROS Grenoble France Septembre 1997 pp 842 848 11 OROCOS project Orocos homepage Online Available http www orocos org 12 A Lankenau and T Rofer A versatile and safe mo bility assistant JEEE Robotics amp Automation Mag azine vol 8 no 1 pp 29 37 March 2001 13 E Prassler J Scholz and P Fiorini A robotics wheelchair for crowded public environment IEEE Robotics amp Automation Magazine vol 8 no 1 pp 38 45 March 2001 14 G Pires and U Nunes A wheelchair steered through voice commands and assisted by a reactive fuzzy logic controller International Journal of In telligent and Robotic Systems vol 34
44. Liga es dos sinais de encoder 4 3 3 Modos de Controlo De seguida apresentam se os modos de controlo que se mostraram mais adequados para o controlo motriz do rob Os modos de controlo dispon veis no m dulo sao os seguintes 1 Controlo de velocidade a partir de sinais de Tac metro 2 Controlo de Velocidade a partir de sinais de Encoder 4 3 Controlo de velocidade por compensa o de IxR 4 Controlo de Bin rio ou Corrente A selec o do modo de controlo feita com recurso a um conjunto de DIP Switchs que se encontram num local de f cil acesso do exterior sendo que as configura es de selec o s o as representadas na Figura 4 6 Tacho Encoder Figura 4 6 Configura o dos DIP Switchs de selec o de modo 4 3 4 Potenciometros de Ajuste de Funcionamento Antes de abordar o modo de controlo usado h que dar algumas notas introdut rias acerca do funcionamento do m dulo Este m dulo possui alguns potenci metros que permitem fazer ajustes no seu funcionamento Esses potenci metros encontram se no exterior do m dulo de modo a ser f cil a sua manipula o estando estes pr ajustados ver Figura 4 8 para o tipo de utiliza o mais comum do m dulo No quadro apresentado na Figura 4 7 s o apresentadas as fun es dos v rios potenci metros e qual o tipo de ajuste que estes permitem bem como a posi o dos potenci metros tendo em conta a perspectiva lateral do m dulo P4
45. a o dos diversos s mbolos que podem aparecer no sem foro baseiam se na cor e ou forma do s mbolo como se verifica na Tabela 2 3 Ao todo s o cinco poss veis s mbolos para identificar como se observa Figura 2 6 Pelo facto de esses s mbolos terem forma e cores diferentes pode ser utilizado uma das duas t cnicas no entanto ou usar ambas as t cnicas uma ir complementar a outra tornando o algoritmo de identifica o do s mbolo mais robusto Os s mbolos tem uma particularidade que consiste em n o possu rem a componente azul As suas cores sao vermelho verde e amarelo presen a do vermelho e verde em simult neo ao contr rio da luz natural envolvente em que a cor azul est presente de forma bem percept vel tornando assim mais f cil a isola o do sem foro do resto da envolvente presente na imagem captada modelo RGB A identificac o de cor pode ser feita tamb m convertendo a imagem obtida para o modelo matem tico de cor conhecido como HSV que permite quantificar a cor numa nica vari vel Ao contr rio do modelo RGB o Hue H traduz a tonalidade o S a satura o e o V a Intensidade de luz A an lise de cor pode ser feita verificando o valor destas vari veis A envolvente do sem foro anulada no caso em que a satura o dos pix is da imagem seja relativamente baixa implicando a extrac o apenas dos pix is com cores mais saturadas Cabendo a compara o de cores pela an lise do valor de H e fil
46. a o junto da passadeira usual a redu o da velocidade do rob na proximidade da passadeira para a correcta identifica o da informa o presente no painel sinal ctico e T nel Figura 2 4 T nel presente na pista 11 No caso da rea da pista composta por um t nel poss vel a utiliza o de diversas t cnicas de orienta o Tais t cnicas passam pela utiliza o de vis o ou leitura da dist ncia de cada lado do rob atrav s de IV laser ou ultra sons No caso da vis o os lados do t nel branco podem facilmente passar por linhas delimitadoras da pista podendo apenas ser necess rio um ajuste em termos de luminosidade atrav s de luz pr pria ou no valor de threshold de binariza o das imagens No caso do uso do laser ou ultra sons podemos medir a dist ncia do rob s paredes do t nel Com base nisso que manter o rob a uma dist ncia igual de ambos os lados do t nel e Obstaculo Figura 2 5 Obst culo na pista O obst culo apresenta cor verde e de dimens es tal que permitem a sua f cil Identifica o atrav s do sistema de vis o mediante uma segmenta o do obst culo ou mais uma vez recorrendo leitura de dist ncias em torno do rob de forma a detect lo O contorno do obst culo por parte do rob feito mediante um desvio para a outra faixa de rodagem da pista visto o obst culo estar a ocupar apenas uma faixa como Ilustrado na Figura 2 5 e Sem foros Painel Sina
47. a forma Segmenta o e identifica o do objecto na imagem que demonstre o adequado tamanho Ap s identifica o de candidato feito zoom do mesmo e feita uma compara o com padr es existentes pattern matching Ap s classifica o por cor analisada a forma circular triangular rectangular e posteriormente a forma tipo de informa o no centro do mesmo an lise radial do centro para a extremidade como o olho humano 15 aproveitado facto das cores presentes sem foro n o inclui o azul e o meio envolvente do mesmo cor branca tem presente a componente azul da cor Ao contr rio do modelo RGB o modelo matematico da cor HSV permite quantificar a cor numa unica variavel o Hue H que traduz a tonalidade assim como o S a satura o e o V a intensidade da luz Afina o das gamas de valores RGB que corresponde a cada cor pass vel de aparecer no sem foro vermelho verde amarelo A detec o de candidatos feita recorrendo a diversos valores de threshold por forma a n o perder nenhum candidato mas tendo em conta a an lise dos valores da cor da imagem YUV color space As imagens recolhidas em RGB foram transformadas para o espa o CIE XYZe depois para LCH lighteness Chroma Hue atrav s do modelo CIECAM97 No caso dos sem foros isto uma tarefa que normalmente se utiliza apenas vis o As t cnicas pass veis de serem usadas para identific
48. a hard real time system This approach inserts a real time micro kernel on top of the hardware and run the standard Linux kernel as its lowest priority task Then the Linux kernel can be preempted at any time to run real time tasks This solu tion is provided by the main open source real time Linux projects RTLinux RTAI Xenomai Working with this kind of solution has the advantage to provide a cheaper development platform than the commercial available sys tems Another advantage is the possibility to interact with or use Linux resources if hard real time is not required A common practice in real time systems is to develop the software to make it work as a kernel module The main disadvantage of this procedure is the impossibility to use some software libraries previously developed A new method developed by RTAI and Xenomai projects permits to execute real time software outside the kernel The two projects also provide a framework RTDM to create real time device drivers easily In this paper a real time architecture for mobile robots using object oriented programming and on board devices connected through fieldbuses is presented Figure 1 Robchair WMR platform In the next section the actual hardware control struc ture is outlined Section 3 describes data transfer protocols between devices In Section 4 the software architecture existing in the platform is analyzed Finally an example of application is described in Sect
49. ade e prioridade definidas de acordo com a import ncia da tarefa Neste caso em concreto existe a tarefa principal que faz a gest o dos recursos a serem usados AutoDrive esta que de acordo com as necessidades cria outras para gerir determinados recursos em concreto Estes recursos s o o CAN o Laser e a Vis o existindo as tarefas CAN Module Laser Module e Vision Module respectivamente Estas tarefas t m como fun o gerir os respectivos recursos dispositivos e fazer o 59 tratamento dos dados provenientes dos mesmos Como desejado que exista um processamento paralelo entre a aquisi o e processamento dos dados ou seja que se possa fazer uma nova aquisi o de dados antes de ter terminado a an lise da amostra anterior temos outras tarefas dedicadas aquisi o dos dados prve in oa em rosto CAN Laser Vision Data Data Data Figura 5 1 Sub tarefas do programa principal de RTAI 5 2 Navega o com recurso a Laser e Vis o Para termos um rob ve culo aut nomo aplicado condu o aut noma este tem de Interagir com o meio sendo esse mundo complexo usual usar se laser e vis o semelhan a do DARPA Grand Challenge Neste caso o laser foi usado apenas como dispositivo de seguran a n o tendo sido feito a segmenta o e classifica o de qualquer ordem Funcionando como laser de seguran a quer dizer que definida uma zona pr xima do
50. ation motion con trol and are determined using inverse kinematics 1 K These values are sent to PID controllers which produce the wheels motor velocity commands The real wheels velocities are determined from wheels encoder data Independently from the motion system range bearing data is collected from an USB connected laser sensor at each 500 ms This gathered range bearing data is used in the method described below The method presents two distinct phases learning and prediction In the learning phase data is collected from environment areas representative of the different classes of places Later all collected data is processed in order to create models of the environment used for classifying places The method presented in this section has the logical modules presented in Fig 8 At the first step collected data is processed into simple geometrical features The extracted features are later used 1 dimensional vector Extract Feacture M dimensional vector 77 Extract Feacture 2 m Classes Laser O SVM Scan O O Extract Feacture l Figure 8 General SVM method overview as inputs of a support vector machine SVM learning al gorithm Previous work described in 21 focused on the internal properties of the SVM algorithm It will be assumed that each sensor observation z b bm is
51. c los por exemplo com uma procura na imagem de forma radial detectando a transi o da cor preta ou branca para laranja e Parque Figura 2 8 Parque parcialmente ocupado 15 A identifica o do parque pode ser realizada tendo por base a procura de um rect ngulo fechado com duas zonas distintas dois quadrados com a letra P estando um deles possivelmente ocupado pelo obst culo j descrito anteriormente como se observa pela Figura 2 8 Devido a este motivo necess rio o recurso a vis o com o aux lio de uma medida da dist ncia do rob ao obst culo de forma a evitar o contacto Ap s a an lise de todas estas particularidades da pista conclui se que indispens vel um sistema de vis o para os sem foros e para o seguimento da pista e consequente identifica o dos diversos constituintes da pista A inclus o de outros sensores como laser ultra sons ou infravermelhos complementar ao sistema de vis o na an lise de objectos com relevo e na determina o da localiza o destes em rela o ao rob sendo o uso destes sensores mais simples para a detec o de objectos do que recorrendo a vis o O laser aquele que apresenta um maior potencial para estas tarefas Da an lise da informa o do laser conjuntamente com a vis o poss vel a detec o e localiza o de grande parte dos obst culos de forma mais eficiente simples e r pida Das solu es apresentadas nem todas chegaram a ser implementadas s
52. cc o e Seguimento de Alvos com Laser Range Finder Relat rio Coimbra Tese de Mestrado Universidade de Coimbra 2004 Pires G et al ROBCHAIR A Powered Wheelchair using a Behaviour Based Navigation Confer ncia Proc IEEE Int Workshop on Advanced Motion Control AMC Coimbra s n AMC 98 Vols 536 541 Pires G Nunes U e Almeida A T de ROBCHAIR A Semi Autonomous Wheelchair for Disabled People Confer ncia Proc 3rd IFAC Symposium on Intelligent Autonomous Vehicles AV Madrid s n IAV 98 pp 648 652 Premebida C e Nunes U Segmentation and Geometric Primitives Extraction From 2D Laser Range Data For Mobile Robot Applications Confer ncia Actas do Encontro Cient fico do 5 Festival Nacional de Rob tica Coimbra s n Rob tica 05 Rob tica Regras e Especifica es T cnicas da Prova de Condu o Aut noma Relat rio 2008 Solea R e Nunes U Robotic Wheelchair Control Considering User Comfort Modeling and Experimental Evaluation Confer ncia Funchal Fifth International Conference on Informatics in Control Automation and Robotics ICINCO ICINCO 08 Solea R e Nunes U Trajectory planning and sliding mode control based trajectory tracking for cybercars Jornal s 1 Integrated Computer aided Engineering Int Journal IOS Press 2007 1 Vol 14 pp 33 47 77 Solea R Nunes U e Filipescu A Trajectory planning and sliding mode control for WMR Traje
53. ce classifica tion path planning etc At this level as shown in Fig 6 there is a global observer supervising the functioning of all modules allowing to start or stop modules This permits the reconfiguration of the robot behavior This paper also describes an example of application of the real time architecture where the robot is controlled by joystick and at the same time range bearing data is col lected from laser sensors The modules of the architecture that are used in the application are identified in blue color in Fig 6 Modularity and flexibility were requisites in the ar chitecture design In our laboratory new algorithms and methods are continuously being tested and validated A modular system was implemented with each module be ing developed as a C class Each class has standardized methods for base functionalities such as initialization and termination of the modules Module data are contained in the class avoiding problems with corruption of global data All modules are inherited from another class con taining the RTAI API interface creating a simple access to the real time system tools The communication protocols CAN USB and Ether net based are also encapsulated into classes This leads to improvements of device usability and readability of the source code There is another advantage of represent ing devices by objects the devices communicate through fieldbuses where several devices are connected and com
54. composed of a set of range bearing mea sures b 4 where and d are the bearing and range measures respectively Each training example for the SVM algorithm is composed by one observation z and its classification v The set of training examples is then given by E z v v Y Room Corridor 1 where Y is the set of classes In this paper it is assumed that the classes of the training examples are given in ad vance The main goal is to develop a learning classifier of places that is able to generalize from these training exam ples and that can later classify unseen places If the training examples of the set 1 were used directly as inputs to the SVM classifier then all possible situations should be trained in order to attain a good classification rate Thus the raw data was transformed into a group of simple geometrical features from which the classification of places could be extracted In order for the classification system to depend only on the x y position of the robot and be invariant to robot rotation the features should be invariant to rotation Features should also be computation ally not heavy The choice was to use a set of geometrical features often used in shape analysis 22 23 24 25 26 Define Z as the set of all possible observations i e observations obey z Z A feature f is a function that takes one observation z as argument and transforms it to a real value f z
55. csscsscccceeseees 60 6 RESULTADOS ss psi o Co dea 63 7 CONCLUS ES E 65 As MODULOS DE HARDWARE usas 67 AU CMOTNONINTEREA couros cst ood teeter aai 67 A ULTRASOUND INTERFACE 70 AS CUINERA RED INFERFA E canas 71 AA SPOWERCONVERTION iii iia 75 TOG s ERREUR 77 XVI Lista de Figuras Figura 2 1 Pista de condu o AUTONOMA id 9 22 da pista 10 Fieura 2 5 Passadeira existente na aieo iet Us 11 Figura 2 4 T nel presente ikna vere weeds hua caia abas de Sanear 11 Picara 25 Obstaculo na pistas ied oe 12 Figura 2 6 Sem foros de sinaliza o pOSS VEIS 12 Ficura 2 7 omaliza o de zona de 0 DIAS venado ee Dee qeu ea 15 Figura 2 8 Parque parcialmente 15 Fig ra 5 1 Modos de OPERA O camas ta URN Rex ti bu obs a dM queas ad 19 2 Protocolo CAN 20 Figura 3 3 Estrutura de hardware de aquisi o controlo e actua o da RobChair 21 Figura 3 4 Estrutura de hardware de aquisi o controlo e actua o do ISRobot 22 Figura 3 5 Mensagem de sincroniza o do 24 Figura 3 6 F
56. ctory tracking and Path following respecting human comfort travel Confer ncia Controlo Lisboa s n Controlo 06 Sousa P et al Real Time Architecture for Mobile Assistant Robots Confer ncia 12th IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation ETFA ETFA 07 Sousa P Ara jo R e Nunes U Real Time Labeling of Places Using Support Vector Machines Confer ncia IEEE ISIE Vigo s n ISIE 07 Vaz L Desenvolvimento de M dulos de Software numa arquitectura de Tempo Real para Robots M veis e Ve culos Inteligentes Relat rio Coimbra Tese de Mestrado Universidade de Coimbra 2008 78 Anexos Externos Juntamente a este documento anexo de forma externa a esta estrutura outros documentos nomeadamente 1 Real Time Architecture for Mobile Assistant Robots Artigo 2 Manual de utiliza o da RobChair Manual T cnico 3 Manual de utiliza o do ISRobot Manual T cnico 19 Real Time Architecture for Mobile Assistant Robots Pedro Sousa Rui Araujo Urbano Nunes Luis Alves and Ana C Lopes ISR Instituto de Sistemas e Robotica Department of Electrical and Computer Engineering University of Coimbra P 3030 290 Coimbra Portugal pasousa rui urbano lalves anacris isr uc pt Abstract Mobile robotics is a challenging research area with produced results that were unthinkable several years ago There exist algorithms and methods capable of perform ing difficult tas
57. de TA Custo RAP Alcance Ilumina o ee aro C mara m Passivo precisa m dio m dio baixo Convencional de luz ambiente C mara Grande onde SUERO Passtvo precisa m dio Angular 5 ped de luz ambiente 2 Activo trabalho IR proximidade pequeno m dio baixo no escuro m a Activo trabalha Ultra Sons m dio m dio baixo no escuro LASER Activo trabalha grande grande grande scanner no escuro Complexidade Algoritmo grande grande grande baixo e Pista Simples ROTA Azevedo et al Abril de 2007 ATLAS III Cancela et al Abril de 2005 VERSA Robot Andr et al 2006 GOLD 1998 Bertozzi et al Jan 1998 Ma et al 2000 Ma et al Sep 2000 Figura 2 2 Tracado da pista Tabela 2 2 M todos para detec o de pista Seguimento da linha da direita da pista Obten o de um quadrilatero com os extremos da pista dentro da imagem Identifica o e balizamento das linhas da pista baseado na orienta o e centro de massa Threshold adaptativo da diferen a dos pix is Probabilidade baseado no gradiente da imagem Festival de Rob tica Festival de Rob tica Festival de Rob tica Pista de largura fixa e plana Pista circular e plana baseado no erro de traject ria calculado a determinada dist ncia frente do mesmo Processo toma diferentes abordagens consoante os cantos do quadril tero
58. desta forma medi es mais precisas 4 8 M dulo de Hardware Power Convertion Este m dulo de hardware ao contr rio dos outros m dulos n o activo n o possui liga o com nenhum m dulo PIC Base nem como PC Serve apenas para centralizar e proteger todas as entradas e sa das de alimenta o e gerir a fonte de energia a usar de forma electromec nica 4 8 1 Esquema de Alimenta es do Sistema Tendo em vista a minimiza o da cablagem a alimenta o de todos os m dulos de hardware do sistema distribu do feita a 12V Dado o sistema de alimenta o ser composto por duas baterias ligadas em s rie que alimenta os m dulos de pot ncia e respectivos motores no m dulo Power Convertion que se obt m os 12V Neste m dulo s o obtidos os 12V 54 recorrendo a um conversor DC DC TRACO POWER TEM 25 2412 que apresenta a capacidade de ser desligado externamente Dado que grande parte dos m dulos necessita tamb m de alimenta o a 5V estes tem incorporado um mini conversor que satisfaz essa necessidade No que respeita a tens es de refer ncia precis o necess rias para as montagens amplificadorasutiliza se IC s dedicados para o efeito que garantem a n o flutua o desses sinais de refer ncia em fun o da carga imposta alimenta o do m dulo de
59. dulo EncoderNode que ira assegurar controlo de velocidade de acordo com a refer ncia comando de velocidade sendo portanto os comandos do motor enviados por este m dulo e n o pelo PC ou joystick Os dados da mensagem ir o ser 0 ou 1 de acordo com o modo de funcionamento desejado respectivamente Os valores monitorizados pelo m dulo totalizam seis bytes em que dois bytes correspondem ao valor lido pelo ADC seguido de mais dois bytes referentes corrente do motor e por fim mais dois bytes correspondendo ao valor de comando recebido pelo m dulo Estes dados s o transmitidos sobre a fun o Data from Motor O fluxograma presente na Figura 3 6 mostra resumidamente a estrutura do c digo desenvolvido para o PIC respons vel pelo envio de comandos para o motor o qual ira corresponder a uma determinada velocidade C Inicializa o While 1 Interrupt Interrupt CAN CAN Trigger Encoder Receive Wheels Velocity Command Motor Actuation Figura 3 6 Fluxograma do codigo implementado no PDrive Node 25 Como constatado pelo fluxograma presente na Figura 3 6 o PDrive Node recebe pelo barramento de CAN o comando desejado para o controlo do motor Esse comando concretizado em ac o sobre o motor quando o PDrive recebe uma mensagem de sincronismo sinalizando o Instante N 1 do ciclo 3 3
60. e and under human control mode using some human machine interface such as a joystick In each case a specific time table is executed being the description in Fig 4 specific for the human controlled mode as used in the place labeling task described in Section 5 Each CAN message has an identifier ID field 18 The ID field of each message is composed by a combi nation of a unique identifier of the source and destination nodes plus the requested operation Figure 5 depicts ID field composition used in the protocol Devices connected to the USB are directly connected to the embedded PC and are directly accessed through the Linux operating system application programming in terface API The on board laser devices communicate through USB using the protocol described in 17 4 Embedded PC Software Architecture The Robchair has been used in testing of autonomous navigation methods in non structured and dynamic en vironments transporting people and operating near other people and objects Its malfunction can lead to unwanted results or accidents Systems like this should be consid ered as critical system which impose real time constraints and fault tolerance concerns Fault tolerance is not ana lyzed in this paper For this purpose the robot must perceive and learn a model of the environment and take decisions based on the perceived world Robchair is designed to operate in differ ent modes fully autonomous mode where the deci
61. e a estrutura do c digo desenvolvido para o PIC respons vel pela recep o de comandos de refer ncia para a 26 velocidade do motor Note se que a leitura da velocidade real tamb m realizada por este m dulo o que possibilita a aplica o do controlador PI da velocidade C Inicializa o D While 1 CER Interrupt CAN CAN IE PC Receive Wheels Velocity Reference Read and Send Calc Wheels Send Wheels Wheels Velocity Command Command Figura 3 7 Fluxograma do c digo implementado no Encoder Node Como constatado pelo fluxograma presente na Figura 3 7 o Encoder Node recebe pelo barramento de CAN da camada de alto n vel a refer ncia de velocidade para controlo do processo Efectua a leitura e envio da velocidade real calcula o comando desejado com base na refer ncia de velocidade recebida e envia o comando resultado do PI 3 3 4 M dulo Joystick Interface As fun es de CAN para este m dulo presente na plataforma RobChair s o as identificadas na Tabela 3 10 Tabela 3 10 D s das fun es presentes no modulo Joystick D Fun o o f Tun Node OFF Turn Node ON ES Data from Joystick Os valores monitorizados pelo m dulo totalizam seis bytes em que os dois primeiros bytes correspondem ao valor desejado para a velocidade linear s
62. eguido de mais dois bytes referentes ao valor desejado da velocidade angular e por fim outros dois bytes de refer ncia do centro dos valores medidos sendo estes os dados transmitidos sobre a fun o Data from Joystick 27 O fluxograma presente na Figura 3 8 mostra resumidamente a estrutura do c digo desenvolvido para o PIC respons vel pelo envio dos comandos de refer ncia dados pelo joystick Inicializa o 1 While 1 CAN Trigger En Read Position of Joystick Send Position of Joystick Figura 3 8 Fluxograma do c digo implementado no Joystick Node Como constatado pelo fluxograma presente na Figura 3 8 o Joystick envia pelo barramento de CAN para a camada de alto n vel comandos de refer ncia da velocidade desejada para o rob de acordo com a posic o do joystick 3 3 5 M dulos de Software Presentes no PC da RobChair O fluxograma presente na Figura 3 9 apresenta resumidamente a estrutura do c digo implementada no PC para a recolha da informac o proveniente do barramento de CAN 1 Inicializa o While 1 Interrupt CAN Trigger Send Wheels Velocity Reference lt v Interrupt CAN Joystick Receive Joystick Position Calc Wheels Velocity Reference
63. ementation and testing of vari ous types of algorithms such as environment mapping and learning localization path tracking among others Data transfer between modules proved also to be efficient The development of general data transfer functions give us in creasing productivity The architecture has shown to be easily expandable In the near future this architecture will be incorporated in other robots and vehicles References 1 S Levine D Bell L Jaros R Simpson Y Ko ren and J Borenstein The navchair assistive wheelchair navigation system IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering vol 7 no 4 1999 2 M Mazo J C Garc a F J Rodriguez J U na J Lazaro and F Espinosa Integral system for as sisted mobility Inf Sci Inf Comput Sci vol 129 no 1 4 pp 1 15 2000 3 M Shaw and D Garlan Software Architecture Per spectives on an emerging discipline Prentice Hall 1996 4 L Bass P Clements and R Kazman Software Ar chitecture in Practice Second Edition Addison Wesley Professional April 2003 5 R Allen and D Garlan A formal basis for ar chitectural connection ACM Trans Softw Eng Methodol vol 6 no 3 pp 213 249 1997 6 I A W Group IEEE std 1471 2000 recommended practice for architectural description of software intensive systems IEEE Tech Rep 2000 7 R A Brooks A Robust Layered Control System For a Mobile Robot
64. endo por exemplo a Universidade Carnegie Mellon em 1995 apresentado um ve culo com capacidade de movimenta o em estrada de forma aut noma Tamb m nesta altura a UBM adapta um Mercedes Classe S que consegue percorrer de forma aut noma a dist ncia de ida e volta de Munich at Odence Dinamarca Behringer et al 1996 Tem se portanto vindo a apostar cada vez mais nesta rea ao ponto da Defense Advanced Research Projects Agency DARPA promover um concurso para testes das novas tecnologias aplicadas no contexto da condu o aut noma em ambientes dif ceis e n o estruturados com vista acelera o da investiga o em ve culos terrestres aut nomos Tendo promovido em 2004 e 2005 o intitulado DARPA Grand Challenge e em 2007 o DARPA Urban Challenge Tamb m a n vel nacional se tem realizado anualmente desde 2001 o Festival Nacional de Rob tica FNR Este visa promover desenvolvimentos t cnicos e cient ficos na rea da Rob tica M vel e reas afins electr nica mec nica programa o vis o por computador intelig ncia artificial navega o controlo etc atrav s de um problema 7 motivador a ser resolvido por diferentes grupos de investigadores e estudantes Procura se ainda difundir a Ci ncia e a Tecnologia junto do p blico em geral e dos jovens em particular nomeadamente motivando estes ltimos para a aprendizagem experimental da Ci ncia Este evento consiste em tr s actividades paralelas uma competi
65. endo uma base de trabalho para o futuro e que como se verifica pela Tabela 2 2 e Tabela 2 3 s o usadas pela maioria dos outros rob s que participam na prova 16 Capitulo 3 3 Arquitectura Distribuida 3 1 M dulo de Processamento PIC Base 17 3 2 Detalhes da Comunica o CAN 19 3 3 Plataforma RobChair amp ISRobot 21 Neste cap tulo apresentam se os v rios componentes que constituem a arquitectura distribu da assim como as suas principais caracter sticas Esta arquitectura foi inicialmente idealizada e implementada na plataforma RobCharr Depois de testada foi exportada para a nova plataforma ISRobot comprovando a flexibilidade e modularidade deste tipo de arquitectura Dadas as duas plataformas n o serem constitu das pelos mesmos dispositivos de hardware tamb m os m dulos de interface que interagem com o hardware vai ter particularidades diferentes 3 1 M dulo de Processamento PIC Base Nesta sec o apresentam se as caracter sticas do PIC utilizado no m dulo de hardware PIC Base m dulo este que por sua vez usado nos n s de actua o e aquisi o do sistema de controlo O uso dos microcontroladores neste caso PIC traz muitas vantagens para este tipo de sistemas onde se pretende uma evolu o constante requerendo se flexibilidade e modularidade Estes oferecem in meras capacidades de tratamento an lise e comunica o de dados sinais e uma pan plia de perif ricos integrados que evi
66. er active maximum current limit active Figura 4 10 Accao do potenci metro P8 4 3 5 Controlo em Modo de Encoder O controlo em modo de encoder realizado com base na informa o que recebe do encoder acoplado ao motor O valor que se pretende para a velocidade corresponde a uma dada tensao colocado na entrada set value que ir entrar no controlador de acordo com a informa o que o pr prio m dulo de pot ncia recebe do encoder controlando o motor velocidade desejada O controlo de velocidade feito com base num controlador anal gico que se encontra implementado em hardware consistindo num amplificador inversor e numa montagem integradora cuja din mica pode ser ajustada recorrendo regula o dos potenci metros de ajuste P5 e P6 O esquema interno do m dulo de pot ncia pode ser consultado no cat logo do Servoamplifier ADS50 5 da Maxon 10 estando de seguida na Figura 4 11 descrito de forma esquem tica toda a cascata de montagens amplificadoras que implementam a malha respons vel pelo controlo de velocidade do m dulo 9 9 9 9 9 9 9 9 5 s 4 BOE 4 4 4 o 3 Po 9 P 9 Figura 4 11 Esquema da malha de controlo em modo de encoder 44 A fun o de transfer ncia da malha do cont
67. es de seguimento de linha baseado em vis o e a defini o de uma zona de seguran a para imobiliza o com base em laser na presen a de obst culos que comprova a operacionalidade do sistema desenvolvido Como trabalho futuro e neste caso com vista prova de condu o aut noma necess rio desenvolver algoritmos de vis o capazes de seguir n o apenas uma linha mas sim um percurso delimitado por duas ou mais assim como com base no laser ter a capacidade de desvio dos obst culos Para terminar deixo a ideia com que comecei esta tese Todos os algoritmos desenvolvidos para rob s m veis t m a necessidade de ser devidamente testados em ambientes reais necessitando para tal de uma plataforma f sica 65 66 Anexo A A M dulos de Hardware A 1 Motion Interface 67 A 2 Ultra Sound Interface 70 A 3 Infra Red Interface 71 A 4 Power Convertion 75 Para cada um dos v rios m dulos de hardware desenvolvidos para a arquitectura distribu da da plataforma ISRobot apresentado neste anexo o esquem tico e respectiva placa a que deu origem A 1 Motion Interface FIT NV DAC T E 2H _ je L ape 5 42 COMI n GN 3 DGND 11 2125 MCP1828 VOC vo Bela cig ADJ ED R 26 24 CMD STATUS AGND a EE RCS 1 a c gt sl RE ENT 1 ENT gt EY J DAC
68. fea ture functions f z be grouped into a feature map ping vector function f IR IR with f z filz 2 Then the input data set 5 to the SVM which is obtained by transforming raw data be comes S 1 21 01 f z2 v2 f zi vi kg 3 Table 2 Set P of simple features extracted from closed polygon P z that represents raw beam z e Area o P z Perimeter of P z Area of P z divided by perimeter Seven invariants calculated from the central mo ments of P z Normalized feature of compactness of P z Normalized feature of eccentricity of P z Form factor of P z perimeter Circularity defined as area b Figure 9 a Examples of scans recorded in a room left and corridor right b Polygo nal representations of the scans room left and corridor right where v are the desired output classes which are consid ered to be defined beforehand Figure 10 Map of the environment used in the experiments Each observation z is transformed into a set of 14 simple features described previously Thus the feature mapping function is f IR The sensor data sets were collected in the office like building of ISR Coimbra illustrated in Fig 10 The de sign of the method enables it to operate independently of specific environment characteristics both in training and classification phases 1 e the method is prepared to op erate in va
69. gura 3 10 mostra resumidamente a estrutura do c digo desenvolvido para o PIC respons vel pelo envio de comandos para o motor o qual ira corresponder a uma determinada velocidade 29 E Inicializa o While 1 Interrupt Interrupt CAN CAN Trigger PC Receive Wheels Velocity Command Motor Actuation Figura 3 10 Fluxograma do c digo implementado no Motion Node Como constatado pelo fluxograma presente na Figura 3 10 o Motion Node recebe pelo barramento de CAN da camada de alto n vel comandos para controlo da velocidade do motor Esse comando concretizado em ac o sobre o motor quando o Motion recebe uma mensagem de sincronismo sinalizando o instante N 1 do ciclo 3 3 7 M dulo Ultra Sound Inteface As fun es de CAN para este m dulo presente na plataforma ISRobot s o as identificadas na Tabela 3 12 Tabela 3 12 D s das fun es presentes no m dulo Ultra Sound _ 0 Tum Node OFF C1 Tum Node C4 Dara from US Os valores monitorizados pelo m dulo totalizam no m ximo oito bytes em que cada byte corresponde ao valor medido por cada ultra som sendo estes os dados transmitidos sobre a fun o Data from US E poss vel monitorizar oito ultra sons no m ximo sendo que se estiverem apenas dois ligados apenas dois bytes de dados ser o
70. ha fun es semelhantes agrupado no mesmo grupo ou seja a sua identifica o feita pelo grupo a que pertence e ordem que ocupa no grupo como descrito nas Tabelas 3 1 e 3 2 Tabela 3 1 ID s utilizados pelo programa canbootmngr v2 para a plataforma RobChair CanBootManager PIC PDriveNode Encoder Node JoystickNode TriggerNode Tabela 3 2 ID s utilizados pelo programa canbootmngr v2 para a plataforma I SRobot CanBootManager USNode PDriveEncoderNode ControlNode TriggerNode O programa canbootmngr_v2 usado essencialmente para programa o das funcionalidades de cada PIC via CAN permitindo desta forma programar todos os PICs sem ter de conect los um a um ao programador da Microchip Para al m de programar poss vel transmitir uma ordem aos PIC s para sa rem do estado Boot Loader Mode e passarem para Idle Mode atrav s do programa canbootmngr v2 O comando completo para programar um determinado PIC com o ficheiro criado pelo compilador neste caso o TriggerNode o seguinte canbootmngr_v2 g 6 p 1 d f TriggerNode hex A interpreta o do comando significa fazer o download do c digo para o PIC com a identifica o expressa Os microcontroladores possuem tr s modos de opera o Boot Loader Mode Idle Mode e Running Mode como se exemplifica na Figura 3 1 O Boot Loader Mode o estado inicial em que permitida a sua rep
71. hegar a solu es ainda mais inovadoras inteligentes e seguras tais como manuten o na faixa de rodagem e condu o aut noma Prova disso o projecto europeu Prometheus e Cybercars e o projecto americano Darpa que s o referidos no cap tulo 2 1 abaixo Sendo estes projectos direccionados para ambientes exteriores e que se integram na rea da industria autom vel transportes p blicos e militares respectivamente No entanto tamb m existem projectos direccionados para ambientes interiores e que incorporam conceitos semelhantes aos mencionados anteriormente no que diz respeito condu o aut noma Tais projectos passam pelo transporte de materiais dentro unidades fabris chamados vulgarmente por Autonomous Guided Vehicle Existem ainda projectos que t m por objectivo auxiliar pessoas com necessidades ao n vel da mobilidade sendo um deles a RobChair Projecto este com v rios contributos e objectivos sendo alguns mais vocacionados nomeadamente para aux lio pessoa com mobilidade limitada Pires et al IAV 98 Pires et al 98 Solea et al ICINCO 08 No entanto esta plataforma tem sido tamb m usada para testes de outros algoritmos pass veis de serem incorporados em ve culos Esses algoritmos s o seguimento de traject rias planeamento de traject rias e detec o e classifica o de obst culos e espa o envolvente Mendes et al 2004 Premebida et al Rob tica 05 Solea et al C
72. ion 5 followed by the conclusion in Section 6 2 System Description Figure 1 illustrates the Robchair robotic wheelchair used as the experimental setup The wheelchair is com posed by two motorized rear wheels and two casters in front There is also a fifth rear wheel connected to the back of the wheelchair with a damper used for stability During the lifetime of the project several electronic com ponents have been attached to this base structure in order to improve environment perception and actuation capabil ities 14 15 16 Figure 2 presents a block diagram of the actual hard ware control architecture The wheelchair is powered by two 12V batteries which feed two permanent magnet DC motors with 24V input voltage and 1000 RPMS These motors are coupled to two gearboxes with factor 1 10 1 complete wheel revolution corresponds to 10 complete motor revolutions With the aid of these gearboxes each wheel may have a nominal torque of 29 3 Nm There are two power drivers that guarantee the independent and di rect control of the motors Two encoders have been cou pled to motor axis providing the velocity feedback of each motor The encoders are also used to obtain dead reckoning data for integration into localization methods An embedded PC is responsible for giving some degree of intelligence to the robot This computer is connected to distributed devices through fieldbuses which will be ex plained in Section 3 The platfor
73. ks such as detect classify objects skill learning and SLAM From the initial design steps the real time software architecture of a robotic platform re quires great attention The problem is difficult because various components such as sensing perception local ization and motor control are required to operate and interact in real time This makes the system a very com plex one This paper presents a real time control architec ture designed for mobile robots and intelligent vehicles Moreover an example of application of the control struc ture consisting on a system for learning to classify places using laser range data is reported 1 Introduction Mobile robotics involves a large number of research areas Automatic control artificial intelligence learning systems may be found in the description of some works NAVchair 1 SENARIO 2 etc This multidisciplinary characteristic increases the complexity of the overall sys tem being difficult for researchers with different back grounds to master everything Software architectures take great importance in this area splitting the complexity in smaller logical blocks demystifying the platform com plexity to newcomers In the past hardware related architectural aspects were dominant whereas software related architectural 1n tegrity was inexistent or was not a priority of system de velopment With the increasing use of software intensive systems this scenario has changed
74. l ctico Figura 2 6 Sem foros de sinaliza o poss veis 12 Tabela 2 3 M todos para deteccao dos simbolos no semaforo ROTA Azevedo et al Abril de 2007 Identifica o de core forma Festival de Rob tica ATLAS HI Cancela et al Abril de 2005 Identifica o de core forma Festival de Rob tica Ap s segmenta o do sinal an lise da cor coincidente com o centro de massa VERSA Robot Andr et al 2006 Festival de Robotica An Active Vision System for Real Time Traffic Sign Recognition Jun et al Sinais de transito em condi es reais no dia a dia Detec o de candidatos sinais baseado em core intensidade Sinais de transito em condi es reais no dia a dia Road Sign Recognition Dmitry et al Segmenta o por cor Classifica o por forma feito inicialmente uma separa o por cor e posteriormente a forma analisada com base em caracter sticas morfol gicas e posteriormente determinado com base em algumas regras O fundo anulado com base na satura o S pois o sem foro apresenta cores mais saturadas mais puras e depois com base em filtros de cor vermelho e verde com base em valores de H identificado a cor presente sendo que a cor amarela passa nos dois filtros De seguida avaliada a forma com base na compara o do centr ide da forma e o correspondente ao rect ngulo m nimo que envolva
75. licado quando se verifica P7 P3 e Ro Rz 48 V1 pf P3 Le Vo Figura 4 14 Amplificador de diferen a o Pj Ro 4 13 0 1 2 y P O circuito usado em simula o apresentado na Figura 4 15 e o seu resultado pode ser observado na Figura 4 16 em que se verifica que a gama de valores pretendida obtida Para valores de sa da do DAC entre OV e 5V corresponde a toda a gama de entrada de refer ncia do PowerDrive que de 10V a 10V como se verifica pela Figura 4 16 os sinais a cor verde e vermelho respectivamente Figura 4 15 Montagem amplificadora de diferen a para simula o 49 GENII LA mr Figura 4 16 Resultado da simulacao 4 5 2 Tratamento dos Sinais de Encoder Como j foi referido o encoder possui 3 canais Canal A Canal B e Canal ndex Cada um desses canais disponibiliza o sinal em modo diferencial pelo que existe a necessidade de transformar esse sinal diferencial em TTL Utiliza se para o efeito o integrado SN75179B differential driver and receiver pair como se observa na Figura 4 17 WEE Figura 4 17 Conversao Diferencial TTL dos sinais vindo do encoder O sinal TTL obtido a partir do canal ndex um sinal que enviado para o PIC No que respeita aos sinais TTL obtidos dos Canais A e B estes encontram se em quadratura existindo a necessidade de transformar esses sinais em dois sinais distintos
76. lop a robot that is able to track a trajectory similar to a common road Autonomous Driving in the shortest possible time avoiding obstacles and respecting the commands issued by the traffic light Key words Distributed architecture CAN communication Modules of Hardware Software Autonomous Driving xiii X1V Conteudo We OB DO TREE TE NCEE E o XV LISTA DE PETGURA Scania XVII LISTA DE Fee dE XIX LISTA DE ABREVIATURAS XXI OSS sarees cece ace eee EEUU EORNM XXIII 1 IN PRODUCA O e 1 1 1 MC A 1 1 2 AMBITO 3 1 3 OBJECTIVOS DO TRABALHDO ccccccccscscccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccosecs 4 1 4 TRABALHO REALIZADO aie teretes aaa eee sas 5 1 5 RCGANIZACAO DA TESE nei 6 2 ESTADO DA ARTE ss a Ra 7 2 1 3 3 1 MODULO DE PROCESSAMENTO BASE ccccccsssscssssccsscccsscccsssccsssccsssccssscccsscees 17 222 DETALHESDA COMUNICA O CAN si 19 3 3 PLATAFORMA ROBCHAIR amp 5
77. luxograma do c digo implementado no PDrive Node 23 Figura 3 7 Fluxograma do c digo implementado no Encoder Node 27 Figura 3 8 Fluxograma do c digo implementado no Joystick Node 28 Figura 3 9 Fluxograma dos m dulos de controlo no 28 Figura 3 10 Fluxograma do c digo implementado no Motion Node 30 Figura 3 11 Fluxograma do c digo implementado Ultra Sound Node 3l Figura 3 12 Fluxograma do c digo implementado no Infra Red Node 32 Figura 3 13 Fluxograma dos m dulos de controlo no 92 Figura 4 1 Curva caracteristica dO MO ici 36 Figura 4 2 Composi o motor caixa de engrenagem encoder 37 Figura 4 3 Configura o do conector do 37 Figura 4 4 Configura o do circuito interno para o sinal 41 Figura 4 5 Liga es dos sinais de 41 Figura 4 6 Configura o dos DIP Switchs de selec o de modo 42 47 Potenciometros odds 42 Figura 4 8 Pr ajuste dos potenci metros 43 Figura 4 9 Localiza o dos 43 Figura 4 10 Ac o do potenci metro 4
78. m tica do IPT Instituto Polit cnico de Tomar pela disponibilidade e ajuda prestada na rea da vis o artificial com os quais tive o privilegio de trocar ideias e solu es antes e durante o evento do FNR Por fim fica um muito obrigado minha fam lia por ter incutido em mim uma vontade de vencer e me ter depositado uma grande confian a fazendo sacrif cios para que tal sonho se realiza se 1X Resumo Este projecto consiste no desenvolvimento de um conjunto de m dulos de hardware software visando a constru o de uma arquitectura distribu da de navega o de um rob m vel para integra o de uma plataforma de software Esta plataforma de software foi desenvolvida a pensar na autonomia do rob utilizando um PC embutido no mesmo Os m dulos de hardware destinam se ao controlo e interface com o sistema motriz o sistema sensorial e o sistema de alimenta o do rob Os m dulos de hardware software t m que estar munidos de capacidade de comunica o com a plataforma de software nesta plataforma de software que se vai encontrar o algoritmo respons vel pela tomada de decis es em fun o da informa o recolhida pelos v rios elementos sensoriais efectuando c lculos e enviando a informa o relativa s velocidades pretendidas para os m dulos de hardware respons veis pelo controlo motriz do rob Os m dulos de hardware software t m que ter a capacidade de transformar a informa o enviada pela camada superi
79. m is connected to external devices through a wireless link This connection allows the implementation of a distributed architecture which exhibits the possibility and capability to extend our single robot to other perspectives like multi robot cooperation its integration in intelligent environments etc User interfaces such as the joystick and safety emer Embedded f PC Advantech PCM 9577 Dual Port CAN Interface Module PCM 3680 Encoder En ADVANCED Motion Controls MES 50 8 Motor Figure 2 Robchair hardware architecture Boot Loader Figure 3 running modes po ad gency systems are also present Hokuyo URG 04LX laser range finders 17 with 240 degree scanning capability giving 632 measures per scan are also used in the platform Section 5 describes a place labeling system which uses range bearing data directly from the laser range finder A real time software architecture was developed taking advantage of the above described features in order to im plement the perception control and navigation methods in the wheelchair Pic Trigger Pic Motor Pic Encoder Pic Joystick Embedded PC Velocity Refence Read Position Send Position i Read Position i v v Receive Position Send Wheels Calc Wheels Velocity Ref Velocity Refence lt gt SyncMCU SyncMCU SyncMCU SyncMCU SyncMCU SyncMCU N
80. m o qual este n o teria sido poss vel Sendo assim expresso aqui a minha homenagem de gratidao Ao Prof Doutor Urbano Nunes meu orientador agrade o a oportunidade que me deu para desenvolver este projecto assim como a orienta o e apoio prestados Ao ISR Instituto de Sistemas e Rob tica quero agradecer os meios t cnicos disponibilizados os quais foram indispens veis para a realiza o de todo este trabalho A FCT Funda o para a Ci ncia e Tecnologia agrade o tamb m pelo facto de atrav s do projecto MTDTSO4 Detec o e Seguimento de M ltiplos Alvos em Ambientes Exteriores Semi estruturados usando Laser e Vis o POSC EEA SRI 58279 2004 ter possibilitado a realiza o deste subprojecto assim como a concess o duma bolsa de Inicia o Investiga o sem a qual n o teria sido poss vel a realiza o desta tese Dentro do ISR quero agradecer aos outros investigadores que me acompanharam e me incentivaram no decurso deste projecto nomeadamente Ana Cristina Gabriel Pires Pedro Sousa e Rodrigo Maia Tamb m agrade o aos meus colegas de laborat rio pelos momentos bem passados e camaradagem e em especial ao Filipe Ap stolo e Lu s Vaz que dedicaram parte do seu tempo a este projecto aquando do FNR Festival Nacional de Rob tica este ano em Aveiro no qual participamos na prova de Condu o Aut noma Agrade o tamb m ao Pedro Dias Samuel Oliveira e seu orientador Prof Lu s Almeida do Departamento de Infor
81. nta o para o motor e Signal onde se encontram sinais de entrada de controlo e sinais de sa da indicando o estado de funcionamento do m dulo 1 11 iil 1 yi Set Value sinal de entrada em tens o 10V a 10V para controlo de sentido e velocidade do motor Enable sinal de entrada em tens o activa com tens es entre 4V a 40V a alimenta o do Motor Inactivo com tens es de OV a 2 5V cortando a alimenta o do motor DC Tacho Sinal de tens o 2V a 50V para liga o de Tac metros para controlo de velocidade Monitor n Sinal de sa da em tens o 10V a 10V equivalente velocidade que o motor est a rodar Monitor I Sinal de sa da em tens o 10V a 10V equivalente corrente que o motor est a consumir Ready Coloca a entrada ligada massa quando o m dulo se encontra a funcionar correctamente coloca a sa da em alta imped ncia quando o m dulo n o se encontra a funcionar correctamente cujo esquema apresentado na Figura 4 4 40 Figura 4 4 Configuracao do circuito interno para o sinal ready e Encoder Sinais vindos do encoder de acordo com o esquema na Figura 4 5 Pin configuration at Encoder input 1 nic Not connected 2 5 5 VDC max 80 mA 3 Gnd Ground 4 n c Not connected 5 AY Inverted Channel A 6 A Channel A Y B Inverted Channel B 8 B Channel B 9 nic Not connected 10 Not connected Figura 4 5
82. nto dos sinais o m dulo Motion Interface foi desenvolvido de modo a servir de interface entre o driver de pot ncia Servoamplifier ADS e o m dulo PIC Base que faz o interface com o PIC respons vel pelo controlo de velocidade de cada um dos motores As fun es principais deste m dulo s o ent o 1 Tratar o smal de comando enviado pelo PIC segundo o protocolo SPI de modo a transformar posteriormente num sinal anal gico de 10V a 10V com recurso a um DAC para colocar na entrada de comando do drive de pot ncia ainda enviado para o PIC um sinal anal gico de OV a 5V resultado da convers o D A que serve de auto regula o do sistema de controlo 2 Tratar os sinais enviados pelo encoder 3 canais em modo diferencial Canal A Canal B e Canal Index de modo a enviar para o PIC dois sinais distintos 2 1 Count Up e Count Down a partir do Canal A e Canal B que se encontram em quadratura 2 2 Sinal de contagem de volta partir do Canal Index 47 3 Tratar os sinais de informa o de corrente e velocidade dispon veis no drive de pot ncia que se trata de um sinal anal gico que varia entre 10V e 10V de modo a enviar para o PIC um sinal anal gico de O a 5V 4 Tratar o sinal de Status dispon vel no drive de pot ncia de pot ncia de modo a enviar para o m dulo PIC Base 5 Tratar o sinal de Enable a enviar da PIC Base para o drive de pot ncia para colocar o drive ON OFF remotamente
83. num patamar demasiado elevado tendo em conta o tempo e recursos humanos dispon veis assim como as reas d spares que est o envolvidas Apesar disso a plataforma foi constru da foi dotada de todo o seu sistema actua o e sensores e sobre a plataforma de RTAI foi feita a aquisi o de laser e vis o para al m de todos os outros sensores que partilham o barramento de CAN Com os dados de laser foi definida apenas uma zona se seguran a para imobiliza o do rob em caso de choque eminente Os dados provenientes do sistema de vis o com a finalidade de orientar o rob sobre a linha tracejada central da pista foram filtrados e normalizados em bin rio usando um algoritmo simples 64 Capitulo 7 7 Conclus es e Trabalho Futuro Este projecto abrange reas de conhecimento bastante alargadas podendo ser sempre alvo de melhoramentos e incorpora o de novas funcionalidades a qualquer momento O objectivo final do projecto dever estar sempre para al m daquilo que j est feito ou seja dever estar sempre em evolu o No entanto o objectivo prim rio definido para este ano constru o de uma plataforma modular distribu da para prova de condu o aut noma foi atingido A plataforma est apta para no futuro continua o do projecto ser dotada de algoritmos inteligentes que ira interagir com a arquitectura distribu da de interface com todo o hardware Foi inclusive implementado um algoritmo simpl
84. o Essa remodela o foi efectuada de forma a existir determinismo e sincroniza o na troca de informa o definindo se tamb m o escalonamento das tarefas de cada m dulo da arquitectura distribu da Estas altera es foram projectadas Sousa et al ETFA 07 para ir de encontro ao trabalho posteriormente realizado nomeadamente a incorpora o de um sistema modular de tempo real na unidade central de processamento Vaz 2008 Com vista prova de Condu o Aut noma realizada todos os anos no contexto do Festival Nacional de Rob tica e visto que a plataforma RobChair n o obedece s limita es impostas pelo regulamento da prova Rob tica 2008 decidiu se desenvolver uma outra plataforma m vel 1 4 Trabalho Realizado Este trabalho apresenta de forma detalhada a concep o e implementa o de um sistema DES baseado num barramento de comunica o CAN Controller Area Network e unidades de processamento distribu das baseadas em micro controladores PICs Programmable Interface Controller para integra o num sistema de tempo real Tal trabalho foi publicado em confer ncia internacional Sousa et al 07 A sua valida o foi feita inicialmente na plataforma rob tica Robchair j existente e posteriormente na plataforma ISRobot Plataforma esta que foi constru da de raiz sendo mais port vel e obedecendo s limita es de tamanho impostas no regulamento referido na sec o anterior Esta ba
85. o micro electr nico que integra trans stores e outros componentes interligados capazes de desempenhar v rias fun es Apresenta dimens es extremamente reduzidas sendo os componentes formados em pastilhas de material semicondutor IV infra vermelhos Conjunto de emissor e receptor de raios infra vermelhos com o objectivo de detectar a presen a de meios absorventes ou reflectores desses raios PIC Os PIC s s o uma fam lia de microcontroladores fabricados pela Microchip Technology que processam dados de 8 16 ou 32 bits com extensa variedade de modelos e perif ricos internos Estes dispositivos electr nicos tem capacidades semelhantes as de um microprocessador contendo dispositivos perif ricos ADC s PWM Contadores etc j integrados controlados por um microprocessador interno XXIII Ultra sons Dispositivos para deteccao de obstaculos fisicos atrav s da emissao de ultra sons Consiste num sistema capaz de emitir ondas sonoras e captar os seus ecos permitindo assim verificar a dist ncia aos obst culos atrav s da medi o do tempo entre a emiss o do som e a recep o do seu eco SPI Serial Peripheral Interface Protocolo de comunica o s rie para transfer ncia de dados com elevado tr fego e para dist ncias curtas XX1V Capitulo 1 1 Introducao 1 1 Motivacao 1 1 2 Ambito da Tese 3 1 3 Objectivos do Trabalho 4 1 4 Trabalho Realizado 5 1 5 Organiza o da Tese 6 Neste cap
86. o o sincronismo e Instante alocado para essa tarefa 33 34 Capitulo 4 4 ISRobot Concep o Estrutural 4 1 Motores 35 4 2 Codificador ptico 37 4 3 M dulo de Pot ncia 38 4 4 Baterias 46 4 5 M dulo de Hardware Motion Interface 47 4 6 M dulo de Hardware Infra Red 52 4 7 M dulo de Hardware Ultra Sound 52 4 8 M dulo de Hardware Power Convertion 54 4 9 Estrutura de Suporte do Rob 55 4 10 Sistemas Perif ricos do Rob 56 Neste cap tulo s o apresentados os fundamentos te ricos e os c lculos de dimensionamento necess rios para a defini o dos v rios componentes que constituem o rob ISRobot apresentando as suas descri es e principais caracter sticas 4 1 Motores Este sub cap tulo dedicado ao estudo efectuado para a determina o dos par metros dos motores a utilizar sendo apresentados os c lculos te ricos efectuados e as caracter sticas pelas quais a escolha recaiu sobre o modelo apresentado Para dimensionamento dos motores a utilizar no rob aplicaram se as Leis de Newton Pretendem se uma velocidade v e uma acelera o a m xima de 2m s e 2m s respectivamente ou seja que o rob acelere at velocidade m xima em apenas um segundo Sabendo que a massa do rob aproximadamente 20 Kg a express o 4 1 indica a for a necess ria para fazer deslocar um corpo com massa m e acelera o a F 40 N 4 1 Desprezando o facto do centro de
87. ontrolo 06 Lopes et al ETFA 07 Sousa et al ISIE 07 Sousa et al 07 Solea et al 2007 RobChair acr nimo dos termos em ingl s Robot e Wheelchair 2 Os algoritmos desenvolvidos t m que ter em conta o meio envolvente seja ele ambiente exterior ou interior semi estruturado ou n o estruturado necess rio portanto a percep o do meio envolvente atrav s dos mais variados sensores No entanto todos estes sistemas independentemente da dimens o e da complexidade t m por base uma infra estrutura que possibilita a locomo o estrutura mec nica e el ctrica sobre esta estrutura que se aplicar a plataforma de software capaz de dotar o sistema de determinados graus de intelig ncia e autonomia 1 2 mbito da Tese Os algoritmos orientados aos sistemas rob ticos aut nomos ap s serem idealizados e devidamente simulados em diversos ambientes tais como o MatLab ou Player Stage necessitam de ser devidamente testados em ambientes real Para tal necess rio ter uma plataforma que interaja com o mundo e possibilite esses testes Uma plataforma m vel pass vel de ser controlada por meio de software ou seja que tenha uma camada de abstrac o que fa a o interface entre o computador onde temos o software de alto nivel e a parte de actua o da plataforma Para al m de conseguir analisar o mundo que o rodeia atrav s dos mais variados sensores o rob deve conseguir interagir com o mundo de forma
88. or num efectivo e correcto sinal de comando para controlo de trac o dos motores O objectivo final conseguir dotar um rob das capacidades necess rias para percorrer um percurso em tudo semelhante a uma estrada comum Condu o Aut noma sendo este capaz n o s fazer o percurso no menor tempo poss vel como o de se desviar de obst culos presentes na via ou at mesmo detectar a presen a de uma passadeira para pe es parando ou seguindo em fun o do estado do sem foro Palavras Chave Arquitectura Distribu da Comunica o CAN M dulos de Hardware Software Condu o Aut noma Xl xli Abstract This project consists in the development of hardware software modules aiming at the construction of distributed navigation architecture for a mobile robot to be integrated in a software platform already developed This software platform was conceived focusing the robot mobility and is based on an embedded PC The hardware modules are responsible for the control and interface to the motion system the sensory system and the power supply system The hardware software modules have the capacity to communicate with the software platform that is responsible for taking the decisions in function of the sensory information and sending of the speed commands for the motor control modules of the robot The hardware software module should convert the command signal into a motion control action The final goal is to deve
89. puter PCB Printed Circuit Board PI Proporcional Integral do ingl s Proportional Integral PIC Programmable Interface Controller SPI Serial Peripheral Interface UBM Universidade de Bundeswehr Munich UC Universidade de Coimbra Glossario Barramento Designa o meio f sico atrav s do qual comunicam dois sistemas inform ticos conjunto de condutores que permite a troca de sinais el ctricos entre dois ou mais dispositivos electr nicos CAN Controller Area Network Protocolo de Comunica o desenvolvido por Robert Bosch que permite a troca de informa o entre v rios dispositivos O protocolo CAN prev identificadores de mensagens que facilitam o controlo do fluxo de dados Como caracter sticas principais podemos citar um controlo de alto n vel na detec o correc o de erros grande flexibilidade na topologia e arranjo da rede e baixa lat ncia na comunica o CPU Unidade central de processamento do ingl s Central Processing Unit Parte de um computador que interpreta e executa as instru es contidas em software Na maioria das CPU s essa tarefa dividida entre uma unidade de controlo que dirige o fluxo do programa e uma ou mais unidades de execu o que executam opera es em dados DAC Digital to Analog Coverter Conversor de sinais digitais em sinais anal gicos IC Integrated Circuit Termo Ingl s que significa Circuito Integrado um dispositiv
90. r software archi tecture The architecture is composed by three logical lay ers the fieldbus communication layer the low level mo tion control layer perception and navigation layer The bottom layer Fieldbus communications includes tasks that acquire data from the environment through on board devices and tasks which communicate to other units Communication with on board devices is executed through fieldbuses as explained in Section 3 The deter minism and scalability of messages are important aspects considered at this low level layer of the architecture In the RTAI Linux computer for each fieldbus device there is a Slot of shared memory containing the most recently received data Semaphores are used for mutual exclusion and synchronization when accessing the slots These data slots can be accessed by other layers The middle layer was designed to perform low level motion velocity control This layer directly controls the devices sending them commands through the lower layer The velocity commands sent to each individual wheel are computed by tasks running in this layer The velocity commands are calculated taking into account the trajec tory obtained from a planning module and the robot kine matics This layer also contains a localization module that estimates the robot pose fusing dead reckoning informa tion and landmark detection The top layer perception and navigation layer in cludes higher level algorithms such as pla
91. ra interac o com o mesmo que um mini tft com touch screen e teclado 57 58 Capitulo 5 5 Algoritmos Incorporados no ISRobot para a Prova de Condu o Aut noma 5 1 Sistema de Tempo Real RTAI 59 5 2 Navega o com recurso a Laser e Vis o 60 V o ser apresentados neste cap tulo os v rios componentes e funcionalidades que foram adicionados plataforma ISRobot com vista a dot la das capacidades necess rias para a prova de condu o aut noma Tal como foi apresentado no Cap tulo 2 esta prova consiste em v rios desafios necessitando portanto de um sistema computacional para gerir todas as tarefas A plataforma robotizada possui uma arquitectura distribu da de actua o aquisi o sensorial tal como descrito nos Cap tulos 3 e 4 mas isto por si s n o basta da que tenha sido instalado um sistema operativo de tempo real RTAI para gerir este sistema e tenham sido integrados outros sensores laser e vis o com capacidades superiores aos j existentes ultra sons e infravermelhos verdade que poss vel seguir uma linha com infravermelhos e detectar obst culos com ultra sons No entanto usando o laser e a vis o para estas tarefas poss vel a implementa o de ac es mais flex veis visto conseguirmos obter mais informa o e maior detalhe do meio envolvente 5 1 Sistema de Tempo Real RTAI Com este sistema de tempo real o programa pode ter v rias tarefas threads com periodicid
92. rhead 0 75 4 5Nm da Maxon com uma redu o aproximada de 1 33 redu o real 529 16 que permite desta forma e de acordo com a curva caracter stica do motor que a velocidade m xima das rodas seja dada pela Equa o 4 5 7000 meer 212 12 rpm 4 5 Rodas 22 33 Para um bin rio maximo por motor dado pela Equa o 4 6 0 33 2 0 08 33 2 64 Nm 4 6 36 Como o sistema movido com recurso a dois motores cada um acoplado a uma das rodas ent o obt m se um bin rio resultante que ser o dobro do apresentado na Equa o 4 6 ou seja um bin rio resultante total de aproximadamente 5 25 Nm Isto garante que o bin rio resultante dos motores suficiente para as caracter sticas velocidade bin rio que foram apresentadas como objectivo para o rob 4 2 Codificador ptico Neste sub cap tulo pretende se especificar as caracter sticas do codificador ptico encoder utilizado de forma a fundamentar essa escolha O codificador ptico foi seleccionado de acordo com a indica o do fabricante do motor estando este acoplado ao motor como se mostra na Figura 4 2 Planetary Gearhead Encoder MA 132 mm OA 256 1024 0 75 4 5 Nm a EA 8 3 channels Details page 218 Detais page 239 Planetary Gearhead 232 mm 1 0 6 0 Nm Details page 220 Figura 4 2 Composi o motor caixa de engrenagem encoder O codificador ptico seleccionado o Encoder TypeL
93. rious environments and to be robust to environ ment changes In this context five data sets were collected in several corridors and rooms The first data set was used for training the classifier and the other data sets were used to test the classification system with data representing new observation situations not present in the training data The training data set was composed of 527 sensor observations 2 and the corresponding place classifications v This is a relatively small training set One of the four testing data sets corresponds to a corridor The other three testing data sets were obtained in different rooms and are named Room 1 Room 272 and Room 273 In different training sessions the SVM classifier was tested with different kernels After obtaining the SVM model the classifier was tested with different data sets Tables 3 4 and 5 present the results obtained with the three different kernels The best results were obtained with the Gaussian RBF kernel where the hit ratio was al ways above 80 except for Room 3 These are promising results obtained with the relatively small data set used to train the SVM based classifier In comparison with 27 the present approach has the advantage of not requiring the design of a set of weak classifiers If the time taken by the method is analyzed it can be divided into two distinct intervals First the time taken to extract all features listed previously is at maximum 3
94. rma es relativas alimenta o do m dulo bem como em rela o aos sinais de sa da Tabela 4 1 Caracter sticas principais do m dulo Tens o de alimenta o Tens o m xima de Sa da Corrente m xima de Sa da i Frequ ncia de comuta o 50 kHz Set Value 10 a 10 V 20 Sinais de Encoder Monitoriza o de Corrente Monitorizac o de Velocidade Indicador de Estado Ready 4 3 1 Estado do M dulo Para facilitar o diagn stico de eventuais problemas de funcionamento que possam ocorrer no m dulo este encontra se munido de 2 led s que indicam o seu estado e a 38 ocorr ncia de algum erro O estado do m dulo bem como os erros que possam surgir no seu funcionamento podem ser ent o definidos de acordo com o estado dos led s descritos na Tabela 4 2 e Tabela 4 3 Tabela 4 2 Estado do m dulo de pot ncia led verde Led Verde Estado do Led Estado do M dulo AA LED ein M dulo Activado Modulo Alimentado mas Inactivo Como percept vel a cor verde do Led indica apenas se o m dulo est activado ou desactivado o que implica que s quando este est activado os sinais de tens o colocado nas entradas Set value ser o tidos em conta pelo m dulo Tabela 4 3 Estado do m dulo de pot ncia led vermelho Led Vermelho Estado do Led Estado do M dulo Indica o de que a temperatura dos Trans stores de Pot ncia Andar de Pot ncia excedida
95. rograma o Passando para Idle Mode este fica num estado de espera Em Running Mode este efectua o desejado controlo do processo A Figura 3 1 apresenta as transi es de estado poss veis Boot Loader Figura 3 1 Modos de opera o 3 2 Detalhes da Comunica o CAN O CAN assenta num barramento de comunica o s rie do tipo multi emissor A taxa de transmiss o deste barramento pode ascender a Mbit s O protocolo foi desenvolvido pela companhia alem Robert Bosch GmbH em meados da d cada de 1980 para uso na ind stria autom vel encontrando se documentado nas normas ISO2 11898 para aplica es de elevada velocidade e ISO 11519 2 para aplica es de baixa velocidade Actualmente largamente utilizado em automa o industrial e em aplica es de controlo 19 Uma das caracter sticas deste protocolo permitir uma excelente detec o de erros e respectivo tratamento o que lhe confere uma boa operacionalidade em ambientes ruidosos Neste barramento as mensagens transmitidas n o cont m o endere o do nodo emissor nem do nodo receptor Em vez disso o conte do de cada mensagem rotulado com um identificador que nico em toda a rede Todos os nodos da rede recebem a mensagem enviada e cada nodo decide em fun o do identificador se a mensagem ou n o relevante para o nodo em quest o Se a mensagem for relevante ser processada caso contr ria ser ignorada O identificador
96. rolador PI Proporcional Integral em velocidade dada por Hi s H gt s com Hi s a fun o de transfer ncia de um amplificador inversor e H s a fun o de transfer ncia de um amplificador integrador como mostra a Figura 4 12 Figura 4 12 Controlador PI de velocidade do m dulo No que respeita ao amplificador inversor considera se que a imped ncia de entrada da montagem Ro elevada ficando a sua fun o de transfer ncia dada pela Equa o 4 7 5 LEER 4 7 eq eq O integrador tem a fun o de transfer ncia dada pela Equa o 4 8 4 8 Variando o valor do potenci metro P5 e o potenci metro P6 pode se ent o ajustar a sintonizac o do controlador PI sendo a sua fun o de transfer ncia dada por P 1 l n sP C K 4 9 P 1 gt SP C eq lt gt H s T si 45 O ajuste do potenci metro P5 controla ent o a ac o proporcional ao variar o ganho Ksi e o ajuste do potenci metro P6 controla a ac o integral ao variar o valor da constante de tempo Tsi 4 4 Baterias A autonomia de um rob m vel aut nomo est intimamente ligada s caracter sticas das baterias que suportam todo o sistema e este obviamente concebido tendo em vista a minimiza o do consumo de energia Tabela 4 4 Consumos do sistema AO RS 1 Valores Aproximados 2 Para os dois conjuntos
97. s usada para sincronizar a malha de controlo do sistema Sendo o tempo do ciclo de controlo de 5ms enviada uma mensagem de sincronismo a cada Ims com a indica o da fase do ciclo em que o sistema se encontra para que sejam efectuadas todas as ac es dos diversos m dulos de uma forma c clica e sincronizada Tal mensagem elaborada de acordo com o apresentado na Figura 3 5 ID 11 bits ii ase gee rci 4 bits 4 bits 3 bits Figura 3 5 Mensagem de sincroniza o do sistema 3 3 2 M dulo PDrive Interface As fun es de CAN para este m dulo presente na plataforma RobChair s o identificadas na Tabela 3 8 Tabela 3 8 ID s das fun es presentes no m dulo PDrive 0 Fun o 707 Turn Node OFF DI Tum NodeON _ 3 Ser DAC Command 3 Control Mode 4 Data from Motor 24 A fun o Set DAC Command usada para definir o valor a transmitir ao DAC que por sua vez Ir corresponder a uma velocidade do motor sendo esse valor composto por 2 bytes DAC de 10 bits de resolu o No entanto existem dois modos de funcionamento relativos a comandos para o motor designadamente modo directo e modo de velocidade Estes s o comutados pela fun o Set Control Mode No primeiro caso o comando do motor pode vir directamente do joystick por exemplo Neste caso o sistema de velocidade em malha aberta No segundo caso existe um controlador PI no m
98. s do ultimo eco recebido se pode enviar um novo pedido de leitura O que se referiu anteriormente constata se no diagrama temporal representado na Figura 4 22 SRFO4 Timing Diagram Troger Pulsa fas Min i reader Inpa Tagger inp owe From 1 End of ho Next Sorc Burst Trigger Pulse Fram Module PAL LE Echo Pulse Output eng User Timing Ch rcu Echo Pulsa 15 mt 35m 1004510 ieme Eno Object Detected Figura 4 22 Diagrama temporal do funcionamento do SRF 04 53 A utiliza o deste tipo de sonar deve se tamb m sua sensibilidade sendo esse um factor importante para a detec o de obst culos com reas reduzidas como acontece com a fita indicadora de zona de obras que tem apenas alguns cent metros de largura No entanto a dispers o do sinal ac stico n o uniforme embora seja especificado que o SRF 04 utiliza um ngulo de dispers o de 90 a sua precis o melhora consideravelmente medida que esse ngulo reduzido como se pode observar no diagrama de pot ncia de radia o de dispers o ac stica do SRF 04 na Figura 4 23 Figura 4 23 Dispers o ac stica Diagrama de pot ncia de radia o do SRF 04 Gra as ao apresentado comum adoptar se a solu o de usar v rios sensores com diferentes orienta es de forma a cobrir ngulos de dispers o na ordem de 60 conseguindo
99. sconnecting the hardware The Idle state is used to put the uC in a standby mode where its normal processing is suspended The Running state is used for controlling the device in normal operation allowing for instance to obtain sensor data from sensor nodes and to send actuation commands to actuator nodes A custom communication protocol based on the time triggered protocol paradigm was designed and imple mented All events are synchronized by a message sent from a Synchronization Micro Controller Unit syncMCU that synchronizes other Micro Controller Units MCUs and defines the control loop time refer ence The syncMCU message 15 sent every ms by the PIC Trigger node instructing the MCUs to perform data E 11 bits O to 8 bytes Destination Commands and Information Data 4 bits 4 bits 3 bits 0 to 8 bytes Figure 5 CAN ID field composition acquisition and or actuation Figure 4 shows the message flow along time As shown the syncMCU messages are triggered each 1 ms but the control cycle time is of 5 ms When a MCU receives the synchronization message an internal processing is triggered taking the corresponding action according to the predefined time table Note that Fig 4 only represents a single motor and encoder be ing the procedure duplicated to the other motor encoder nodes Robchair can operate in different modes such as au tonomous navigation under human machine shared con trol mod
100. seada tamb m numa filosofia de sistema distribu do software e hardware semelhan a da outra Toda a sua concep o tal como escolha e dimensionamento de todos os sistemas que a constituem descrito ao pormenor em cap tulos desta disserta o S o descritos todos os m dulos de hardware constru dos para Interac o com a parte de actua o e recolha de informa o por parte dos sistemas sensoriais 1 5 Organiza o da Tese A disserta o aqui apresentada apresenta se dividida em v rias partes sendo em cada cap tulo feita uma abordagem a uma determinada parte espec fica da evolu o do trabalho desenvolvido No Cap tulo 1 apresentada a motiva o do trabalho e o seu mbito S o apresentados tamb m os objectivos delineados e a sua realiza o O Cap tulo 2 apresenta o estado da arte nas reas que envolvem a Condu o Aut noma de Ve culos e de modo mais particular a sua aplicabilidade na prova de Condu o Aut noma que se realiza durante o Festival Nacional de Rob tica No Cap tulo 3 apresentada uma filosofia distribu da de controlo e interac o com sistemas robotizados nos quais utilizado um barramento de comunica o de forma a tornar o sistema modular e flex vel O Cap tulo 4 apresenta os diversos componentes escolhidos e seu dimensionamento que por sua vez fazem parte da nova estrutura robotizada No Cap tulo 5 s o apresentados alguns algoritmos que foram incorporados no
101. sions are made as a result of processing the information per ceived from the environment and human machine shared control mode where the decisions result from a symbiosis of human and machine and are function of the environ ment state From the control viewpoint the robot performs many tasks related to the implementation of control loops op erating with pre specified deadlines that transform sen sor data into actuator commands Each task has its own sample rate computational load and time constraint To ensure the time execution of all tasks a real time system is used From the system developer viewpoint the system should have properties such as extensibility reliability maintainability availability security and usability Ob ject oriented programming developed with characteris tics of code modularity and readability was chosen to fa cilitate the attainment of the desired properties Using a stable and standardized language it is guaranteed that all present and future developers can learn and understand the language and consequently the architecture Taking into account this property good performance in computa tional time and in the low memory requirements in gen erated applications the C C programming languages were used to code the entire system These languages have also a big support on Linux systems which are used as the base operating system of the wheelchair Figure 6 shows the designed Robchai
102. ssamento com os m dulos dos sistemas sensoriais e de actua o d se o nome de Arquitectura de Controlo do Rob ACR A an lise da ACR pode ser feita segundo dois planos o de software e o de hardware sendo que um dependente do outro Com o aparecimento dos sistemas de tempo real as arquitecturas de software s o constru das de forma modular sistema de processamento central tipicamente o PC No entanto ao n vel do hardware a op o dominante durante muito tempo era que tanto os sistemas sensoriais como de actua o convergiam todos para a mesma unidade de processamento Esta op o trazia os inconvenientes de uma cablagem volumosa e complexa n o permitindo a extensibilidade do sistema uma vez que n o modular Inspirado em grande parte na ind stria autom vel onde a cablagem devido sua dimens o uma parte dispendiosa e cr tica onde s o usados sistemas DES Distributed Embedded Systems tem se vindo a desenvolver cada vez mais rob s com este tipo de arquitectura tanto ao n vel de hardware como software 1 3 Objectivos do Trabalho No decurso do trabalho desenvolvido no mbito do projecto RobChair Maia 2004 em que essa plataforma foi dotada de um sistema DES de forma a providenci la de novas capacidades e melhor desempenho verificou se a necessidade de redefinir toda a parte de processamento distribu do que est interligada por um barramento de comunica o com o sistema central de processament
103. ta assim muita electr nica externa Este facto confere mais flexibilidade s aplica es que integram recaindo sobre este tipo de dispositivo a escolha para o desenvolvimento dos v rios componentes que constituem o sistema Os microcontroladores utilizados neste sistema s o da fam lia PICISFXXS8 sendo o modelo utilizado neste trabalho o PICI8F258 o qual integra diversos perif ricos como comunica o via RS232 CAN SPI ou mesmo ADCs e geradores de sinais de PWM 17 2 Base um m dulo de hardware utilizado para fazer o interface entre os PICs os v rios m dulos de hardware desenvolvidos Este m dulo de interface tem v rias capacidades das quais se destaca a possibilidade de programa o do PIC atrav s do programador dispon vel da Microchip que o MPLAB ICD 2 Este programador utilizado na fase inicial para programa o do bootfirmware de cada PIC que incorpora a sua identidade inequ voca no barramento de CAN para posterior acesso Para al m da possibilidade de programa o o m dulo PIC Base permite a liga o f cil a todos os portos por meio de uma ficha de 20 pinos e disp e dos transceivers de liga o ao RS232 e CAN A comunica o CAN tamb m usada para a programa o dos microcontroladores recorrendo ao programa canbootmngr v2 que vai interagir com o bootfirmware previamente colocado no PIC A identifica o dos m dulos feita tendo em conta dois factores Caso o m dulo ten
104. tado por usar apenas uma c mara central a seguir a linha tracejado como alternativa mais simples Neste caso o varrimento da imagem faz se da zona central da imagem para as extremidades e segue se a linha tracejado tendo sido atingido uma solu o minimamente aceit vel tendo em conta as limita es existentes neste vasto leque de solu es pass veis de serem implementadas futuramente 61 62 Capitulo 6 6 Resultados Comecando pela plataforma RobChair uma vez que foi nesta plataforma que se procedeu inicialmente implementa o do DES foram realizados alguns testes com vista comprova o da funcionalidade do sistema distribu do desenvolvido para controlo da mesma Inicialmente esses testes foram realizados recorrendo ao controlo da RobChair atrav s do joystick controlo manual e posteriormente noutro trabalho desenvolvido por Razvan Solea no controlo de seguimento de traject ria Solea et al ICINCO 08 Em ambos os casos serviu para aperfei oar o sistema distribu do nomeadamente impondo determinismo nas ac es realizadas pelos m dulos uma vez que se verificou que com o joystick controlo malha aberta n o era cr tico este determinismo mas no caso de controlo aut nomo controlo malha fechada este pormenor indispens vel sendo o determinismo obtido com base no sistema de tempo real Para comprovar a portabilidade deste sistema e para termos uma plataforma para a prova de Condu o Aut noma como ja foi
105. trando desta forma a cor vermelha e verde com filtros com determinado gama de valores de H sendo o amarelo detectado por passar nos dois filtros Esta t cnica n o suficiente pois existem s mbolos diferentes com a mesma cor mas com forma diferente portanto indispens vel a an lise da forma do s mbolo Essa an lise pode passar por modela es distintas tais como a compara o do envelope desse s mbolo com a geometria dos poss veis candidatos de correla o poder ser tamb m analisada as dimens es dum rect ngulo m nimo contendo o s mbolo e comparar qual o lado maior e de que lado se encontra o centr ide do s mbolo poss vel mediante a an lise do centr ide e da rea real do s mbolo em compara o com a rea do envelope fazer a identifica o mequ voca do s mbolo presente 14 e Zona Obras Figura 2 7 Sinaliza o de zona de obras No caso da zona de obras esta pode ser identificada de forma semelhante ao tunel e obst culo ou seja esta zona delimitada por cones e uma fita altura predefinida que os interliga ao longo de toda esta zona como ilustra a Figura 2 7 Deste modo com um sensor de dist ncias poss vel fazer o seu seguimento semelhan a do t nel Atrav s de vis o tamb m poss vel a identifica o dos cones A identifica o da fita poder n o ser t o trivial dadas as condi es de aquisi o da c mara ngulo Sendo os cones de cor laranja poss vel 1dentifi
106. ttom layer 70 A 3 Figura A 8 PCB do m dulo Infra Red Interface R Ultra Sound Interface GHO BATTI 3 i aci PEL 1 220 Figura 9 Esquematico do 71 HCPL2201 Prolecto ISRabot infra Designed Luis Alves ESR UC m dulo Infra Red 1 4 Intra Red 727 090 7009 50 17 79 E a 4 r 3 GND 48 OUT id is GND 2 i 1 ee Intra Red Tm po T Sheet 1 1 _ Figura A 10 Esquem tico do m dulo Infra Red 2 4 4 3 2 E a 1 Er um Ea Intra Red p L Sheet 1 1 _ Figura A 11 Esquem tico do m dulo Infra Red 3 4 72 7 29 Intra Red 268 2099 22 gh E El ary Proiecto SRobot Designed Luis Alves SR UC DODD CONVERTER i HIGI 5L JEM i Eat Lm 6660 k P eo 90 00 00 00 Esquematico do modulo Infra Red 4 4 522 999990909 Figura A 12 Layout do PCB Infra Red Interface top layer 73 Figura A 13 Tm y E Figura A 15 PCB do m dulo Infra Red Interface 74 A 4 Power Convertion pr T p CHARGER 2 7 Ok CHARGER CH PORTA PARALELA DOHC Wir PORTA PARALELA 1 EF 2 BATERIAS HO a Hi BATERIAS Dm 4 d S5 E
107. utura Um dos aspectos importantes para al m das dimens es do rob o seu peso e a distribui o da carga centro de massa Esta ltima j se encontra com uma distribui o optimizada dado a simetria de ambos os lados do rob sendo que o peso total do rob aproximado em cerca de 20 kg 4 10 Sistemas Perif ricos do Rob Como percept vel toda a informa o circula entre os v rios PIC s e o PC que o c rebro do sistema atrav s de um barramento CAN Os PIC s comportam se como escravos Slaves cumprindo as ordens do PC que vai ser o mestre Master Os PIC s associados aos sensores de IV e Ultra Sons t m como tarefa enviar o estado dos sensores periodicamente para tomada de decis es por parte do PC Temos portanto ligado rede distribu da de CAN alguns sensores que em termos de quantidade de dados suport vel para este tipo de rede Outros tipos de sensores tais como o Laser e a Vis o s o sistemas perif ricos que s o ligados directamente ao PC visto usarem outro tipo de comunica o que suporta uma taxa de transfer ncia de dados maior que o USB e FireWire respectivamente 56 Para al m destes sensores perif ricos existem alguns mecanismos de seguran a inerentes ao rob tais como um bot o de emerg ncia local para parar o sistema ou por r dio frequ ncia telecomando que se revelou indispens vel em fase de testes Associado ao PC temos os perif ricos normais pa

ISROBOT: - ISR-Coimbra - Universidade de Coimbra

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