Clei 2010 Tutorial - Slides Parte I

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CLEI 2010# 1

Robôs Móveis e Veículos Autônomos: Robôs Móveis e Veículos Autônomos:

Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios

na área da Inteligência Artificialna área da Inteligência Artificial

Denis F. Wolf Fernando S. Osório Kalinka R. J. Castelo Branco

Universidade de São Paulo – USP - ICMCGrupo de Sistemas Embarcados, Evolutivos e Robóticos - SEER

Laboratório de Robótica Móvel - LRMINCT – Sistemas Embarcados Críticos

CLEI 2010# 2

Denis F. Wolf Fernando S. Osório Kalinka R. J. Castelo Branco

Universidade de São Paulo – USP - ICMCGrupo de Sistemas Embarcados, Evolutivos e Robóticos - SEER

Laboratório de Robótica Móvel - LRMINCT – Sistemas Embarcados Críticos

Laboratório de Robótica Móvel – ICMC/USP

Robôs Móveis e Veículos Autônomos: Robôs Móveis e Veículos Autônomos:

Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios

na área da Inteligência Artificialna área da Inteligência Artificial

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CLEI 2010# 3

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# 4

Introdução à Robótica Móvel Inteligente Fundamentos de Robótica Móvel

• 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...

PARTE IPARTE I

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CLEI 2010# 5

Introdução a Robótica

• Robôs: O Início... RUR (Rossum's Universal Robots)

Ficção Científica

CLEI 2010# 6


• Robôs Manipuladores de Base Fixa:

Braços Manipuladores – Aplicações Industriais

Robôs SoldadoresRobôs de PinturaExemplos: PUMA, KUKA, CanadaARM

Robix

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CLEI 2010# 7



Braços Manipuladores – Aplicações Industriais

Tic-Tac-Toe

Scripts deControle do Braço Robótico

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Braços Manipuladores – Tele-Operados

Justin (Nasa)“copiando movimentos”

Não é tão fácil como parece:-Visão 3D (profundidade)- Tato (feed-back / “haptic”)

Robonaut / Justin Nasa

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• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente

* Robôs Móveis Tele-Operados, Guiados por Marcações (AGV)

* Robôs Móveis Semi-Autônomos

1912 - Electric Dog: http://davidbuckley.net/DB/HistoryMakers.htm

Mars RoversAGV – Automated Guided VehiclesRobôs Submarinos

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* Robôs Móveis Tele-Operados

1997 Mars Rover:

Soujourner / PathFinder

Ooops!!!

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* Robôs Móveis Tele-Operados

Data Glove – Redes Neural Artificial para Reconhecer GestosControle Remoto do Veículo (apenas comandos)

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Introdução a Robótica• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente

Em busca do desenvolvimento de Robôs Móveis Autônomos e Inteligentes

History: http://davidbuckley.net/DB/HistoryMakers.htm

Nova Geração: Pioneer, iRobot Roomba, Boston Dynamics Big Dog, Sony Aibo, Honda Asimo, Aldebaran NÃO

Asimo - Blooper

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CLEI 2010# 13

Introdução a Robótica• Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente

Em busca do desenvolvimento de Robôs Móveis Autônomos e Inteligentes

Darpa Grand Challenge

Robot Nao from Aldebaran

Darpa Urban Challenge

Nao

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Robôs MóveisScientific American - January 2007

A Robot in Every HomeThe leader of the PC revolution predicts that the next hot field will be roboticsBy 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.

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CLEI 2010# 15

Elementos dos Robôs Móveis• Robô Móvel: Agente capaz de PERCEBER o ambiente e

AGIR sobre este ambiente

Percepção: Sensores

Ação: Atuadores

Agente: Comportamento

DecisãoControle

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• Robô Móvel: Agente capaz de PERCEBER o ambiente e

AGIR sobre este ambiente

Elementos dos Robôs MóveisPercepção: Sensores

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CLEI 2010# 17

Tipos de SensoresSensor do Tipo Bumper (Sensor de Contato / “Pára-choque”)


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Tipos de SensoresSensor do Tipo Bumper (Sensor de Contato / “Pára-choque”)

Whiskers: “Bigodes de Gato”


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Tipos de SensoresSensores do tipo Encoder/Odômetro

Encoder

Encoder: Controle do giro da roda


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Tipos de SensoresSensores do tipo Encoder/Odômetro

Encoder: Controle do giro da roda


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CLEI 2010# 21

Tipos de SensoresSensores Infra-Vermelho (IR)

•Características dos Sensores Infra-Vermelho do Khepera:

Sensibilidade a luz ambiente/ Reflexão da Luz

Distância: 50 a 500mm (aproximadamente)

Valor lido: 0..450 (aproximadamente)

Dependente de: Potência = 1 Watt

Ângulo = -180 a +240 graus

IR


Khepera

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Tipos de SensoresSensores Ultra-Som (Sonar)


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CLEI 2010# 23

Tipos de SensoresSensores LASER (Lidar - Light Detection and Ranging)


Wikipedia: Lidar

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Tipos de SensoresSensores LASER (Lidar)

SICKIBEOVELODYNE


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Sensores: Laser SICK, GPS, Câmera de Vídeo Adicional: Bússola, IMU (Inercial)


Tipos de SensoresSensores LASER (Lidar) + GPS + Câmera

Veículo equipado com Laser SICK LMS2xx Resolução: ~10 mmDistância Máxima: 80 mts - Varredura: 180º de 0.5 em 0.5 graus

Sw-Demo

Projeto Sena

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Tipos de SensoresSensores LASER (Lidar) – Hokyuo + Base Giratória

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CLEI 2010# 27


Tipos de SensoresSensores LASER (Lidar) – Hokyuo + Base Giratória

Modelo VRML 3D criado usando Laser Hokuyo

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Tipos de Sensores: Sensores usados no LRM

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Tipos de Sensores: Câmera Estéreo

Videri STOC (Stereo-on-a-Chip) Video Camera :Fornece o mapa de disparidade (depth field)

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Tipos de Sensores: Camera Termal (PathFindIR Flir)

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CLEI 2010# 31


Tipos de Sensores: Veículos do LRM Instrumentados com Sensores

Sensores:Laser Sick (x2), Câmera Vídeo, Câmera Termal, Câmera Estéreo, GPS, Bússola,

Encoders (roda e barra da direção), Acelerômetro (Unidade Inercial - IMU)

http://www.lrm.icmc.usp.br/

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Tipos de Sensores: Veículo Instrumentado com Sensores

http://www.autonomos-labs.com/

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Tipos de AtuadoresAtuadores mais comuns...

• Servo Motor

• Motor DC

• Motor de Passo (Step-Motor) Servomotor


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Tipos de Atuadores: Veículo Elétrico Autônomo (LRM-ICMC)


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CLEI 2010# 35


• Servo Motor


Arduino Uno (Atmega328) ~ US$25,- a US$30,- + Servo Motor ~ US$10,-

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• Motor DC


Roboteq + Encoder + Motor DC Bosh

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CLEI 2010# 37

Tipos de AtuadoresAtuadores

•Aceleração

• Limite de Velocidade

• Inércia

ACIONAMENTO

•AC/DC Servo Motors

• Step Motors

MALHA DE CONTROLE

• Open Loop

• Closed Loop: P, PI, PID

SET POINT

Elementos dos Robôs MóveisAção:

Atuadores

CLEI 2010# 38

Tipos de AtuadoresAtuadores: Robôs Móveis

C0

C1

C2 C3

C4

C5

C7 C6

M1 M2

θ

X

Y

φ


Atuadores

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CLEI 2010# 39

Tipos de AtuadoresAtuadores: Veículo Autônomo do LRM / INCT-SEC


Atuadores

Controle de Direção:

Roboteq + Bosh DC Motor

Controle de Aceleração:

Arduino – Controle de um

Potenciômetro

Controle de

Parada:

Emergency Stop

CLEI 2010# 40

Comportamentos: Controle de Robôs

Arquiteturas de Controle

Robôs Móveis: Agentes Autônomos dotados de SENSORES e ATUADORES

Integração Sensorial-Motora

Como Agir?

Como Interpretar as Percepções?

Como Tomar Decisões?

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CLEI 2010# 41

Arquitetura REATIVA [Pura]


Reativo: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# 42

Simulador do Khepera / SIM 2.0 Unix / Olivier Mitchell / INRIA Sophia Antipolis

1997/98Sensores: 8 IR / Atuadores: 2 motores com cinemática diferencial



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CLEI 2010# 43

• Reativo: Integração Sensorial-Motora

IF S1 < Limite andS2 < Limite andS3 < Limite andS4 < Limite

THEN Action (Go_Forward)

IF S1 < Limite andS2 < Limite andS3 > Limite andS4 > Limite

THEN Action(Turn_Left)

IF S2 > Limite andS3 > Limite andS2 > S3 andS1 > S4

THEN Action(Turn_Right)

Controle Reativo

Evitar colisões e obstáculos Sensorial-Motor: Sentir => Agir

S0

S1

S2 S3

S4

S5

S7 S6

M1 M2



CLEI 2010# 44

Simulador do Khepera Robô Khepera

> 2 DC brushed servo motors with incremental encoders> 8 infrared proximity and ambient light sensors (SFH900)

Arquitetura de Controle: Reativo

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CLEI 2010# 45


Navegação: Direcionamento + Desvio de Obstáculos

Simulador Robombeiros:Http://pessin.googlepages.com

Desvio

Simulador Robombeiros

CLEI 2010# 46


Aplicações práticas comerciais:

Reativo

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CLEI 2010# 47

Arquitetura DELIBERATIVA [Pura]


Deliberativo: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# 48

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)

SIMROB2DDeliberativo

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CLEI 2010# 49


# 49

CSBC 2009 - JAI

Arquiteturas

CONTROLECONTROLE: : ArquiteturasArquiteturas ReativasReativas

Solução?

Buscar aproveitar o que de melhor tem cadauma das duas abordagens...

ARQUITETURA HIERÁRQUICAARQUITETURA HÍBRIDA

CONTROLECONTROLE: : ArquiteturasArquiteturas DeliberativasDeliberativas

Ambas possuem Ambas possuem problemas e limitações!problemas e limitações!Abordagens “puras”

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Controle Hierárquico

Hierarquia de Comportamentos:

- Evitar/Desviar de obstáculos- Seguir em uma determinada direção- Seguir uma determinada rota


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CLEI 2010# 51

Controle Hierárquico: Vertical

Brooks - Arquitetura Subsumption

Figure From:

Brooks, R. A.MIT A.I. Memo 864Sept. 1985


CLEI 2010# 52

Controle Hierárquico: Horizontal

Arquiteturas Hierárquicas

SMPA“Sense” – “Model” - “Plan” - “Act”


SMPA: Decomposição tradicional do sistema de controle de um robô móvel em módulos funcionais

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CLEI 2010# 53

Arquiteturas HíbridasArquiteturas Híbridas

Controle Híbrido: Arquitetura com Estados Internos (Autômato)


Percepção+

Mapas+

Estado Interno

CLEI 2010# 54

Controle Híbrido Robusto Controle Híbrido Robusto –– COHBRA / SimRob3DCOHBRA / SimRob3D


Controle

HíbridoArquiteturaCOHBRA

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CLEI 2010# 55

Controle Híbrido Robusto Controle Híbrido Robusto

COHBRA / SimRob3DCOHBRA / SimRob3D


Arquitetura COHBRACOntrole HíBrido de Robôs Autônomos

CLEI 2010# 56

Controle Híbrido Robusto Controle Híbrido Robusto –– COHBRA / SimRob3DCOHBRA / 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)

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CLEI 2010# 57

Modelos de Simulação

Modelagem: Sensores e Atuadores

Sensores

- Infra-Vermelho

- Sonar

- Laser

- GPS

- Odômetro

- Vídeo

SimRob2D

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Sensores

- Infra-Vermelho

- Sonar

- Laser

- GPS

- Odômetro

- Vídeo

SimRob3D

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Sensores

- Infra-Vermelho

- Sonar

- Laser

- GPS

- Odômetro

- Vídeo

Robombeiros

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Sensores

- Infra-Vermelho

- Sonar

- Laser

- GPS

- Odômetro

- Vídeo

Player-Stage- Gazebo

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CLEI 2010# 61



Atuadores

- Rodas

- Esteiras

- Pernas/Patas

θ

X

Y

φ

C0

C1

C2 C3

C4

C5

C7 C6

M1 M2

Diferencial

Ackerman

Cinemática do Robô

Kinematics

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Atuadores

- Rodas

- Esteiras

- Pernas/Patas


Dinâmica do Robô

FlipRobombeiros

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Atuadores

- Rodas

- Esteiras

- Pernas/Patas


Dinâmica do Robô

Dog

LegGen

NateW - Juice

CLEI 2010# 64

Ferramentas de Simulação Virtual

Bibliotecas:

OpenGL

SDL

ODE

OSG

GALib

SNNS

Weka

Simuladores

Completos

Visualização 2D e 3D

Simulação Sensores/Atuadores

Simulação Física: Cinemática e Dinâmica

Controle Inteligente: Evolução e Aprendizado

Seva3D

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Bibliotecas:

OpenGL

SDL

ODE

OSG

GALib

SNNS

Weka

Simuladores

Completos





ODEOpen Dynamics Engine

Rigid Body Physics Simulation:Gravity, inertia, friction, collision, joints, actuators, etc

http://www.ode.org/ Physics Engine

ODE

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Bibliotecas:

OpenGL

SDL

ODE

OSG

GALib

SNNS

Weka

Simuladores

Completos





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CLEI 2010# 67


Bibliotecas:

OpenGL

SDL

ODE

OSG

GALib

SNNS

Weka

Simuladores

Completos





LegGen

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Bibliotecas:

OpenGL

SDL

ODE

OSG

GALib

SNNS

Weka

Simuladores

Completos





Hoap

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CLEI 2010# 69


Bibliotecas:

OpenGL

SDL

ODE

OSG

GALib

SNNS

Weka

Simuladores

Completos





Simulated Car Racing

The simulated car racing competition of CIG-2009 is the final event of the 2009 Simulated Car Racing Championship, an event joining the three competitions held at CEC-2009, GECCO-2009, and CIG-2009.

http://www.ieee-cig.org/ Competitions

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Bibliotecas:

OpenGL

SDL

ODE

OSG

GALib

SNNS

Weka

Simuladores

Completos

TORCS:The Open Racing Car Simulatorhttp://torcs.sourceforge.net/

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CLEI 2010# 71


Bibliotecas:

OpenGL

SDL

ODE

OSG

GALib

SNNS

Weka

Simuladores

Completos

Simulação:

Sem Limites!

Claytronics – http://www.cs.cmu.edu/~claytronics/

CLEI 2010# 72

OBRIGADO!

Laboratório de Robótica Móvel

www.lrm.icmc.usp.br

Denis Fernando Wolf – [email protected] Santos Osório - [email protected] R. J. C. Branko - [email protected]

Technology

Clei 2010 Tutorial - Slides Parte I