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Projecto Atlas II

Festival Robótica 2004

Engenharia Mecânica

DEMUA

Universidade de Aveiro

Robot Autónomo para Competição no Robótica 2004

Autores: Miguel Oliveira

Miguel Neta

Orientador: Prof. Dr. Vítor Santos

Objectivos

• Participação no Festival Robótica 2004 – Classe CA (Condução Autónoma)

• Percorrer autonomamente uma pista de trajecto conhecido

• Desenvolver Robot Autónomo e Móvel

• Remodelação e actualização da versão do ano passado

Apresentação do problema

• Pista e Obstáculos

Túnel

Painel Sinalético

Passadeira

Parque

Zona de Obras

As três rondas • Primeira – Percorrer a pista duas vezes sem qualquer

obstáculo. O Robot deve imobilizar-se no final do percurso• Segunda – Presença do painel sinalético. O robot deve fazer

reconhecimento por visão daquele e obedecer às ordens dadas

• Terceira – Presença de mais dois obstáculos, zona de obras (consiste num trajecto alternativo demarcado por pinos) e túnel.

Plano de Intervenção

• Sistema Operativo:

• Ambiente de Programação:

• Microcontrolador:

• Seguimento de Pista:

• Painel Sinalético:

Windows LINUX

Matlab Linguagem C

Sensores Terceira Webcam

Webcam 2 Webcams

Carta Aquisição Sinais PIC (16F786)

Percepção dos obstáculos

Túnel

Painel Sinalético

Passadeira

Parque

Zona de Obras

Visão – Câmaras USB fornecem a imagem que será analisada pelo algoritmo de navegação

Linhas da pista

Retroreflector deinfravermelhos

Sensor de Infravermelhosanalógico

Visão – Algoritmos de identificação de cor

Memorização do percurso aefectuar a partir de um ponto dereferencia

Configuração do RobotCâmara Direita

Botão de emergência

Fonte de Alimentação

Potenciómetro

Placa Electrónica

da Direccão

Placa Electrónica

da Tracção / PIC

Suporte para Câmara

dos Semáforos

Motherboard

Fusível de Protecção

Servo Amplificador da

Tracção

Botões de ON/OFF,

RESET, PIC RESET,

START

Câmara Esquerda

Dissipador do Circuito de Direcção

Baterias Tracção

Baterias

Direcção / PC

Régua de Sensores

Infravermelhos

Estrutura de Alumínio

Esquema Funcional

Imagem dacâmara da Esquerda

Imagem dacâmara daDireita

Motherboard – CPU Central • Analisa imagem das câmaras e informações vindas dos sensores

• Algoritmo de navegação toma uma decisão no que respeita à velocidade e direcção desejadas

• Envia decisões tomadas para o PIC

Ordem develocidade

Ordem dedirecção

Sensoresdos pinos

Sensor dapassadeira

MicroControlador PIC16F876• Interpreta as ordens vindas do Algoritmo de

Navegação e envia os sinais eléctricos necessários aos motores

• Recolhe informações de todos os sensores do robot• Envia para o algoritmo de navegação as informações

dos sensores de distância e da passadeira

Comunicação entreCPU e PIC viaRS232

.É um microcontrolador – trata-se de um controlador lógico programável de tamanho muito reduzido.

.É muito utilizado hoje em dia – são a nova geração de microcontroladores aplicado na indústria de electrodomésticos devido à sua facilidade de programação (são facilmente reprogramados por porta RS232)

.Consegue ler valores analógicos ou digitais de tensão, gerar PWM e são totalmente programáveis, podendo inclusivamente alterar a função dos pinos (por exemplo de entrada para saída) em tempo real.

Será responsável pelo controlo de baixo nível, o que permitirá simplificar o algoritmo principal de navegação

• O que é?

.Pode ser comparado a um computador em ponto pequeno

• Para que serve?

• Função no Atlas

Programação Baixo Nível I Introdução ao PIC16F876

Programação Baixo Nível I Protocolo de comunicação desenvolvido.

PC PICOrdem para alterar estado dos

motores (1 byte).

Identificador

SentidoQuantidade

• Permite saber qual a ordem que se quer dar bem como caracterizá-la num único byte.

Informa o estado de todos os sensores e botões (20 bytes).

• Início de trama.• Sensores de túnel / zona de obras.• Sensor de passadeira.• Estado dos botões.• Final de trama.

Aplicação do PIC no Robot

PWM

PWMSentido de Rotação

tensão correspondente à direcção

Controlo malha fechada do motor passo a passoControlo em malha fechada para o motor DC

Programação Alto Nível I Colocação das câmaras

Proposta inicial

• Longo alcance.

• Robots vencedores utilizam esta configuração.

• Difícil interpretação das imagens obtidas.

Proposta Intermédia

• Médio alcance.

• Diminui risco de perda de linha.

• Fácil encontrar uma configuração do robot em que se perca a linha.

• Difícil interpretação das imagens.

• Solução inovadora.

Solução Final

• Pouco alcance.

• Fácil interpretação das imagens.

• Solução inovadora.

• Risco reduzido de perda de linha.

• Aumenta a necessidade de rapidez de processamento.

Programação Alto Nível II Busca de Linha

• Dada a seguinte imagem:

• Importa decidir um limite de binarização adequado.

• Busca de linha horizontal

• Busca de linha vertical

• Ponto de linha encontrado (Busca Vertical)

• Ponto de linha encontrado (Busca Horizontal)

Programação Alto Nível III Busca da Postura Ideal

• Localização defeituosa • Câmara da direita

• Desfasamento em relação à linha ideal. Valores de linha dos pixeis encontrados (azul) muito elevados.

• Compensação do desfasamento virando para a esquerda.

• Compensação é função do desfasamento.

Programação Alto Nível IV Busca da Postura Ideal

• Orientação defeituosa • Câmara da Esquerda

• Construção da linha virtual.

• Cálculo do desfasamento virtual.

• Compensação do desfasamento. Virar para a esquerda.

• Cálculo do ângulo da linha.

• As falhas de orientação pesam mais do que as de localização.

Programação Alto Nível V Parâmetros de Validação

• Situação Problemática I • Câmara da Esquerda

• Ângulos consecutivos muito dispares.

• Desvio padrão dos ângulos consecutivos.• Busca de linha tem em conta a sua espessura.

• Cálculo dos ângulos entre pontos consecutivos.

Outros Parâmetros:

• A imagem deve ser invalidada e…Deve ser a câmara direita a ditar a

direcção a tomar.

Programação Alto Nível VI reconhecimento dos símbolos do sinalizador.

• Como reconhecer os símbolos? Reconhecimento de Forma

Identificação de Cor

• É suficiente para reconhecer todos os símbolos?

Programação Alto Nível VII Modelos de cor

• Modelos de Cor: Modelos matemáticos para representar a cor de cada pixel.

RGB

• É dos mais utilizados.

• Fácil de obter, com base na informação vinda da câmara.

HSV

• A informação da cor está contida apenas numa variável.

Programação Alto Nível VIII RGB vs HSV

RGB HSV

Participação no robótica 2004

Primeira MangaSegunda MangaTerceira MangaData: 23-04-2004

Local: Porto

Duração da Prova: 0:01:00

Classificação Parcial:

Data: 24-04-2004

Local: Porto

Duração da Prova: 0:02:05

Classificação Parcial:

Data: 25-04-2004

Local: Porto

Duração da Prova: 0:01:03

Classificação Parcial:

Classificação Final:

ConclusõesSolução Mecânica de Mobilidade•Já utilizada pelos nossos colegas no ano passado,•Facilita a escolha da direcção de forma rápida e eficaz,•Persistem ainda alguns problemas no controlo da direcção.

Alteração do sistema operativo / Programação em c•Linux dispõe de muito mais potencial para aplicações robóticas, •Ficheiros compilados de execução muito mais rápida,•Aprendizagem difícil do Linux e C,•Fazem aumentar imenso o potencial do robot.

Utilização do microcontrolador•É possível efectuar o pré-processamento dos dados obtidos,•Possibilita uma cisão entre o software e o firmware,•No futuro, talvez se deva utilizar um microcontrolador superior.

Duas câmaras para seguimento de pista•Concede redundância ao sistema,•Opção, sem dúvida acertada.

Câmara para interpretação do semáforo•Apesar de não estar a funcionar aquando do festival, é a única opção possível,•Faltou a implementação da heurística que analisa os histogramas HSV.

Configuração das câmaras•O pouco alcance implica malha aberta na aproximação à passadeira.•Foi uma solução adequada ao tempo disponível.

Calendarização de tarefas

Agradecimentos

• Prof. Dr. Vítor Santos

• Eng. Camilo Christo

• Eng. António Festas

• Eng. André Quintã

• Luís Clara Gomes

• A todos os nossos colegas, em especial aos nossos antecessores José Luís Silva e José Miguel Gomes

FIM