Tutorial CLEI 2010 - Assuncion - Paraguay Outubro 2010 LRM - ICMC - USP São Carlos INCT-SEC Titulo: "Robôs Móveis e Veículos Autônomos: Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios na área da Inteligência Artificial"

1. 18/10/2010
Robôs Móveis e Veículos Autônomos:
Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios
na área da Inteligência Artificial
Denis F. Wolf Fernando S. Osório Kalinka R. J. Castelo Branco
Universidade de São Paulo – USP - ICMC
Grupo de Sistemas Embarcados, Evolutivos e Robóticos - SEER
Laboratório de Robótica Móvel - LRM
INCT – Sistemas Embarcados Críticos
CLEI 2010
#1
Laboratório de Robótica Móvel – ICMC/USP
Robôs Móveis e Veículos Autônomos:
Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios
na área da Inteligência Artificial
Denis F. Wolf Fernando S. Osório Kalinka R. J. Castelo Branco
Universidade de São Paulo – USP - ICMC
Grupo de Sistemas Embarcados, Evolutivos e Robóticos - SEER
Laboratório de Robótica Móvel - LRM
INCT – Sistemas Embarcados Críticos
CLEI 2010
#2
1

2. 18/10/2010
Robôs Móveis e Veículos Autônomos:
Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios na área da I.A.
• Parte I: Lunes 18, 9 a.m.
Introdução à Robótica Móvel Inteligente
História, Evolução, Sensores e Atuadores, Arquit. de Controle
• Parte II: Lunes 18, 11 a.m.
Técnicas e Algoritmos aplicados em Robôs Inteligentes
Localização, Mapeamento, Navegação e Controle
• Parte III: Martes 19, 9 a.m.
Desenvolvimento de Projetos de Robótica Inteligente
• Parte IV: Martes 19, 11 a.m.
Apresentação de Aplicações de Robótica Inteligente
CLEI 2010
#3
Introdução à Robótica Móvel Inteligente
Fundamentos de Robótica Móvel
PARTE I
• Introdução à Robótica:
Robôs Manipuladores e Robôs Móveis
• Elementos dos Robôs Móveis
Sensores, Atuadores, Comportamento e Controle
• Arquiteturas de Controle
Arquiteturas Reativa, Deliberativa, Hierárquica e Híbrida
• Modelos de Simulação
Sensores, Atuadores, Cinemática e Comportamento
• Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas: OpenGL, SDL, ODE, OSG, GALib, SNNS, Weka...
CLEI 2010
#4
2

3. 18/10/2010
Introdução a Robótica
• Robôs: O Início... RUR (Rossum's Universal Robots)
Ficção Científica
CLEI 2010
#5
Introdução a Robótica
• Robôs Manipuladores de Base Fixa:
Braços Manipuladores – Aplicações Industriais
Robôs Soldadores
Robôs de Pintura
Exemplos: Robix
PUMA, KUKA, CanadaARM
CLEI 2010
#6
3

4. 18/10/2010
Introdução a Robótica
• Robôs Manipuladores de Base Fixa:
Braços Manipuladores – Aplicações Industriais
Tic-Tac-Toe
Scripts de
Controle do
Braço Robótico
CLEI 2010
#7
Introdução a Robótica
• Robôs Manipuladores de Base Fixa:
Robonaut / Justin
Braços Manipuladores – Tele-Operados Nasa
Justin (Nasa)
“copiando movimentos”
Não é tão fácil como parece:
-Visão 3D (profundidade)
- Tato (feed-back / “haptic”)
CLEI 2010
#8
4

5. 18/10/2010
Introdução a Robótica
• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente
* Robôs Móveis Tele-Operados, Guiados por Marcações (AGV)
* Robôs Móveis Semi-Autônomos
Mars Rovers
AGV – Automated Guided Vehicles
Robôs Submarinos
1912 - Electric Dog: http://davidbuckley.net/DB/HistoryMakers.htm
CLEI 2010
#9
Introdução a Robótica
• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente
* Robôs Móveis Tele-Operados
Ooops!!!
1997 Mars Rover:
Soujourner / PathFinder
CLEI 2010
# 10
5

6. 18/10/2010
Introdução a Robótica
• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente
* Robôs Móveis Tele-Operados
Data Glove – Redes Neural Artificial para Reconhecer Gestos
Controle Remoto do Veículo (apenas comandos)
CLEI 2010
# 11
Introdução a Robótica
• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente
Em busca do desenvolvimento de Robôs Móveis Autônomos e Inteligentes
Asimo - Blooper
History: http://davidbuckley.net/DB/HistoryMakers.htm
Nova Geração: Pioneer, iRobot Roomba, Boston Dynamics Big Dog,
Sony Aibo, Honda Asimo, Aldebaran NÃO
CLEI 2010
# 12
6

7. 18/10/2010
Introdução a Robótica
• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente
Em busca do desenvolvimento de Robôs Móveis Autônomos e Inteligentes
Nao
Darpa Urban Challenge
Darpa Grand Challenge
Robot Nao from Aldebaran
CLEI 2010
# 13
Robôs Móveis
Scientific American - January 2007
A Robot in Every Home
The leader of the PC revolution predicts that
the next hot field will be robotics
By Bill Gates
Imagine being present at the birth of a new industry.
It is an industry based on groundbreaking new technologies,
wherein a handful of well-established corporations sell
highly specialized devices for business use and
a fast-growing number of start-up companies produce
innovative toys, gadgets for hobbyists and other interesting
niche products. But it is also a highly fragmented industry
with few common standards or platforms.
Projects are complex, progress is slow, and practical applications
are relatively rare. In fact, for all the excitement and promise,
no one can say with any certainty when--or even if--this industry
will achieve critical mass. If it does, though,
it may well change the world.
Of course, the paragraph above could be a description of
the computer industry during the mid-1970s, around the time
that Paul Allen and I launched Microsoft.
CLEI 2010
# 14
7

8. 18/10/2010
Elementos dos Robôs Móveis
• Robô Móvel: Agente capaz de PERCEBER o ambiente e
AGIR sobre este ambiente
Percepção:
Sensores
Ação:
Atuadores
Agente:
Comportamento
Decisão
Controle
CLEI 2010
# 15
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
• Robô Móvel: Agente capaz de PERCEBER o ambiente e
AGIR sobre este ambiente
CLEI 2010
# 16
8

9. 18/10/2010
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores
Sensor do Tipo Bumper (Sensor de Contato / “Pára-choque”)
CLEI 2010
# 17
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores
Sensor do Tipo Bumper (Sensor de Contato / “Pára-choque”)
Whiskers: “Bigodes de Gato”
CLEI 2010
# 18
9

10. 18/10/2010
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores
Sensores do tipo Encoder/Odômetro
Encoder
Encoder: Controle do giro da roda
CLEI 2010
# 19
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores
Sensores do tipo Encoder/Odômetro
Encoder: Controle do giro da roda
CLEI 2010
# 20
10

11. 18/10/2010
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores •Características dos Sensores Infra-Vermelho do Khepera:
Sensibilidade a luz ambiente/ Reflexão da Luz
Sensores Infra-Vermelho (IR) Distância: 50 a 500mm (aproximadamente)
Valor lido: 0..450 (aproximadamente)
Dependente de: Potência = 1 Watt
Ângulo = -180 a +240 graus
IR
Khepera
CLEI 2010
# 21
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores
Sensores Ultra-Som (Sonar)
CLEI 2010
# 22
11

12. 18/10/2010
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores
Sensores LASER (Lidar - Light Detection and Ranging)
Wikipedia: Lidar
CLEI 2010
# 23
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores SICK
IBEO
Sensores LASER (Lidar) VELODYNE
CLEI 2010
# 24
12

13. 18/10/2010
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Projeto
Tipos de Sensores Sena
Sensores LASER (Lidar) + GPS + Câmera
Veículo equipado com Laser SICK LMS2xx Resolução: ~10 mm
Distância Máxima: 80 mts - Varredura: 180º de 0.5 em 0.5 graus
Sw-Demo
Sensores: Laser SICK, GPS, Câmera de Vídeo Adicional: Bússola, IMU (Inercial)
CLEI 2010
# 25
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores
Sensores LASER (Lidar) – Hokyuo + Base Giratória
CLEI 2010
# 26
13

14. 18/10/2010
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores
Sensores LASER (Lidar) – Hokyuo + Base Giratória
Modelo VRML 3D criado usando Laser Hokuyo
CLEI 2010
# 27
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores: Sensores usados no LRM
CLEI 2010
# 28
14

15. 18/10/2010
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores: Câmera Estéreo
Videri STOC (Stereo-on-a-Chip) Video Camera :
Fornece o mapa de disparidade (depth field)
CLEI 2010
# 29
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores: Camera Termal (PathFindIR Flir)
CLEI 2010
# 30
15

16. 18/10/2010
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores: Veículos do LRM Instrumentados com Sensores
http://www.lrm.icmc.usp.br/
Sensores:
Laser Sick (x2), Câmera Vídeo, Câmera Termal, Câmera Estéreo, GPS, Bússola,
Encoders (roda e barra da direção), Acelerômetro (Unidade Inercial - IMU)
CLEI 2010
# 31
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Sensores: Veículo Instrumentado com Sensores
http://www.autonomos-labs.com/
CLEI 2010
# 32
16

17. 18/10/2010
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Atuadores
Atuadores mais comuns...
• Servo Motor
• Motor DC
• Motor de Passo (Step-Motor) Servomotor
CLEI 2010
# 33
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Atuadores: Veículo Elétrico Autônomo (LRM-ICMC)
CLEI 2010
# 34
17

18. 18/10/2010
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Atuadores
Atuadores mais comuns...
• Servo Motor
Arduino Uno (Atmega328) ~ US$25,- a US$30,- + Servo Motor ~ US$10,-
CLEI 2010
# 35
Percepção:
Elementos dos Robôs Móveis Sensores
Tipos de Atuadores
Atuadores mais comuns...
• Motor DC
Roboteq + Encoder + Motor DC Bosh
CLEI 2010
# 36
18

19. 18/10/2010
Ação:
Elementos dos Robôs Móveis Atuadores
Tipos de Atuadores
Atuadores
• Aceleração
• Limite de Velocidade
• Inércia
ACIONAMENTO
• AC/DC Servo Motors
• Step Motors
MALHA DE CONTROLE
• Open Loop
• Closed Loop: P, PI, PID
SET POINT
CLEI 2010
# 37
Ação:
Elementos dos Robôs Móveis Atuadores
Tipos de Atuadores
Atuadores: Robôs Móveis
φ
Y
θ
X
C2 C3
C1 C4
C0 C5
M1 M2
C7 C6
CLEI 2010
# 38
19

20. 18/10/2010
Ação:
Elementos dos Robôs Móveis Atuadores
Tipos de Atuadores
Atuadores: Veículo Autônomo do LRM / INCT-SEC
Controle de
Controle de Direção: Parada:
Roboteq + Bosh DC Motor Emergency Stop
Controle de Aceleração:
Arduino – Controle de um
Potenciômetro
CLEI 2010
# 39
Arquiteturas de Controle
Comportamentos: Controle de Robôs
Robôs Móveis:
Agentes Autônomos dotados de
SENSORES e ATUADORES
Integração Sensorial-Motora
Como Agir?
Como Interpretar
as Percepções?
Como Tomar Decisões?
CLEI 2010
# 40
20

21. 18/10/2010
Arquiteturas de Controle
Arquitetura REATIVA [Pura]
Reativo: Percepção => Ação
- Reage diretamente aos estímulos externos;
- Esquema sensorio-motor;
Comportamentos Típicos: Reactive Behaviour
- Vagar pelo ambiente, evitando colisões e obstáculos;
- Acompanhar uma parede ou corredor;
- Comportamento direcionado pela luz;
- Ir em direção a uma determinada orientação
Composição de Comportamentos: Direção x Obstáculo
CLEI 2010
# 41
Arquiteturas de Controle
Arquitetura REATIVA [Pura]
Simulador do Khepera / SIM 2.0 Unix / Olivier Mitchell / INRIA Sophia Antipolis
Sensores: 8 IR / Atuadores: 2 motores com cinemática diferencial 1997/98
CLEI 2010
# 42
21

22. 18/10/2010
Arquiteturas de Controle
Arquitetura REATIVA [Pura]
• Reativo: Integração Sensorial-Motora Controle Reativo
IF S1 < Limite and
S2 < Limite and
S2 S3
S1 S4
S3 < Limite and
S0 S5
S4 < Limite
THEN Action (Go_Forward)
M1 M2
IF S1 < Limite and
S2 < Limite and
S7 S6
S3 > Limite and
S4 > Limite
THEN Action(Turn_Left)
IF S2 > Limite and
S3 > Limite and
S2 > S3 and
S1 > S4
THEN Action(Turn_Right)
Evitar colisões e obstáculos Sensorial-Motor: Sentir => Agir
CLEI 2010
# 43
Arquitetura de Controle: Reativo
Simulador do Khepera Robô Khepera
> 2 DC brushed servo motors with incremental encoders
> 8 infrared proximity and ambient light sensors (SFH900)
CLEI 2010
# 44
22

23. 18/10/2010
Arquitetura de Controle: Reativo
Navegação: Direcionamento + Desvio de Obstáculos
Simulador
Robombeiros
Desvio
Simulador Robombeiros:
Http://pessin.googlepages.com
CLEI 2010
# 45
Arquitetura de Controle: Reativo
Aplicações práticas comerciais:
Reativo
CLEI 2010
# 46
23

24. 18/10/2010
Arquiteturas de Controle
Arquitetura DELIBERATIVA [Pura]
Deliberativo: Planejamento => Seqüência de Ações
- Possui conhecimento sobre a situação do robô e do ambiente;
- Usualmente baseado no uso de mapas e planejamento de trajetórias.
Comportamentos Típicos: Deliberative Behaviour
- Execução de scripts de ações planejadas previamente;
- Executar uma seqüência de ações previamente determinada;
- Seguir trajetórias especificadas com uso de mapas;
- Execução de Tarefas de Alto Nível;
CLEI 2010
# 47
Arquiteturas de Controle
Arquitetura DELIBERATIVA [Pura]
SIMROB2D - Referência:
Farlei Heinen (Orientador: Fernando Osório )
Robótica Autônoma: A integração entre planificação e
comportamento reativo. 2000.
Robô tipo Khepera: Sensores: 5 IR / Atuadores: 2 motores (diferencial)
SIMROB2D
Deliberativo
CLEI 2010
# 48
24

25. 18/10/2010
Arquiteturas de Controle
CONTROLE: Arquiteturas Reativas
CONTROLE:
Ambas possuem
Abordagens “puras” problemas e limitações!
CONTROLE:
CONTROLE: Arquiteturas Deliberativas
Solução?
Buscar aproveitar o que de melhor tem cada
uma das duas abordagens...
ARQUITETURA HIERÁRQUICA
ARQUITETURA HÍBRIDA
CSBC 2009 - JAI
CLEI 2010
# 49 Arquiteturas # 49
Arquiteturas de Controle
Controle Hierárquico
Hierarquia de Comportamentos:
- Evitar/Desviar de obstáculos
- Seguir em uma determinada direção
- Seguir uma determinada rota
CLEI 2010
# 50
25

26. 18/10/2010
Arquiteturas de Controle
Controle Hierárquico: Vertical
Brooks - Arquitetura Subsumption
Figure From:
Brooks, R. A.
MIT A.I. Memo 864
Sept. 1985
CLEI 2010
# 51
Arquiteturas de Controle
Controle Hierárquico: Horizontal
Arquiteturas Hierárquicas
SMPA
“Sense” – “Model” - “Plan” - “Act”
SMPA: Decomposição tradicional do sistema de controle
de um robô móvel em módulos funcionais
CLEI 2010
# 52
26

27. 18/10/2010
Arquiteturas de Controle
Arquiteturas Híbridas
Controle Híbrido: Arquitetura com Estados Internos (Autômato)
Percepção
+
Mapas
+
Estado Interno
CLEI 2010
# 53
Arquiteturas de Controle
Controle Híbrido Robusto – COHBRA / SimRob3D
Controle
Arquitetura
COHBRA Híbrido
CLEI 2010
# 54
27

28. 18/10/2010
Arquiteturas de Controle
Controle Híbrido Robusto
COHBRA / SimRob3D
Arquitetura COHBRA
COntrole HíBrido de Robôs Autônomos
CLEI 2010
# 55
Arquiteturas de Controle
Controle Híbrido Robusto – COHBRA / SimRob3D
Controle Híbrido – TAREFAS:
- Localização: MCL (Monte-Carlo Localization)
- Planejamento de Trajetórias: A* (A Star)
- Controle e Navegação: Campos Potenciais
- Uso de Mapas do Ambiente:
Mapa de Ocupação (Grid)
Mapa Geométrico (Poligonal)
Mapa de Conectividade (Topológico)
- Alteração dos Mapas:
Inclusão de Obstáculos (Construçaõ de Mapas)
Exclusão de Obstáculos (Adaptação de Mapas)
CLEI 2010
# 56
28

29. 18/10/2010
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores SimRob2D
Sensores
- Infra-Vermelho
- Sonar
- Laser
- GPS
- Odômetro
- Vídeo
CLEI 2010
# 57
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Sensores
- Infra-Vermelho
SimRob3D
- Sonar
- Laser
- GPS
- Odômetro
- Vídeo
CLEI 2010
# 58
29

30. 18/10/2010
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Sensores
- Infra-Vermelho
- Sonar
- Laser
- GPS
- Odômetro
- Vídeo
Robombeiros
CLEI 2010
# 59
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Sensores
Player-Stage- Gazebo
- Infra-Vermelho
- Sonar
- Laser
- GPS
- Odômetro
- Vídeo
CLEI 2010
# 60
30

31. 18/10/2010
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Cinemática do Robô
Atuadores
Kinematics
- Rodas
- Esteiras φ
- Pernas/Patas Ackerman
Diferencial
C2 C3
C4
C1
Y
C0 C5
M1 M2
θ
C7 C6
X
CLEI 2010
# 61
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Cinemática do Robô
Atuadores
Dinâmica do Robô
- Rodas
- Esteiras Robombeiros Flip
- Pernas/Patas
CLEI 2010
# 62
31

32. 18/10/2010
Modelos de Simulação
Modelagem: Sensores e Atuadores
Cinemática do Robô
Atuadores LegGen
Dinâmica do Robô
- Rodas
- Esteiras
- Pernas/Patas
Dog
NateW - Juice
CLEI 2010
# 63
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas: Visualização 2D e 3D
OpenGL Simulação Sensores/Atuadores
SDL Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
ODE Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
Seva3D
CLEI 2010
# 64
32

33. 18/10/2010
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas: Visualização 2D e 3D
OpenGL Simulação Sensores/Atuadores
SDL Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
ODE Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
OSG ODE
GALib Open Dynamics Engine
SNNS Rigid Body Physics Simulation:
Gravity, inertia, friction, collision,
Weka joints, actuators, etc
http://www.ode.org/
Simuladores Physics Engine
Completos
ODE
CLEI 2010
# 65
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas: Visualização 2D e 3D
OpenGL Simulação Sensores/Atuadores
SDL Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
ODE Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
CLEI 2010
# 66
33

34. 18/10/2010
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas: Visualização 2D e 3D
OpenGL Simulação Sensores/Atuadores
SDL Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
ODE Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
OSG
GALib
LegGen
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
CLEI 2010
# 67
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas: Visualização 2D e 3D
OpenGL Simulação Sensores/Atuadores
SDL Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
ODE Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
OSG
GALib
Hoap
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
CLEI 2010
# 68
34

35. 18/10/2010
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas: Visualização 2D e 3D
OpenGL Simulação Sensores/Atuadores
SDL Simulação Física: Cinemática e Dinâmica
ODE Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simulated Car Racing
Simuladores The simulated car racing competition of CIG-2009 is the final event of the
2009 Simulated Car Racing Championship, an event joining the three
Completos competitions held at CEC-2009, GECCO-2009, and CIG-2009.
http://www.ieee-cig.org/
Competitions
CLEI 2010
# 69
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas: TORCS:
The Open Racing Car Simulator
OpenGL http://torcs.sourceforge.net/
SDL
ODE
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
CLEI 2010
# 70
35

36. 18/10/2010
Ferramentas de Simulação Virtual
Bibliotecas:
OpenGL Simulação:
SDL
Sem Limites!
ODE
OSG
GALib
SNNS
Weka
Simuladores
Completos
Claytronics – http://www.cs.cmu.edu/~claytronics/
CLEI 2010
# 71
OBRIGADO!
Laboratório de Robótica Móvel
www.lrm.icmc.usp.br
Denis Fernando Wolf – denis@icmc.usp.br
Fernando Santos Osório - fosorio@icmc.usp.br
Kalinka R. J. C. Branko - kalinka@icmc.usp.br
CLEI 2010
# 72
36