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VII Simpósio de Iniciação Científica, Didática e de Ações Sociais da FEI Sistema de odometria para um robô humanoide Sylvio Rubens Juliani Neto¹, Reinaldo Bianchi³ 1,3 Centro Universitário da FEI [email protected] , [email protected] Resumo: Este projeto tem como intuito o desenvolvimento de um sistema de odometria que será implementado no time de futebol de robôs, RoboFEI- Humanoide. Ele será desenvolvido a partir de duas técnicas muito conhecidas de robôtica móvel, a odometria por cinemática direta, utilizando-se das respostas dos motores RX-28, e pelos sensores da IMU, que informa valores de velocidade do movimento angular e aceleração linear nos três eixos do robô. 1. Introdução A odometria[1] é algo de extrema importância para a robótica móvel[2] e robôs autônomos[3]. É pela sua utilização que temos o controle de o quanto e para onde o robô está se movimentando. Sem esse conhecimento não há como saber seu posicionamento em meio ao ambiente onde se encontra, tornando assim quase impossível fazer com que um robô vá de um ponto A a um ponto B com exatidão, pois existem muitas variáveis a se considerar, como problemas mecânicos no robô ou mesmo irregularidades na superfície de contato com o chão, o que pode ocasionar em quedas ou movimentações indesejadas. O conhecimento de posição e direção do robô móvel em meio a um ambiente é dada por diversas técnicas que podem ser empregadas, como a odometria visual, por cinemática, sensores como a IMU, ou mesmo radio frequência e sensores ultrassônicos. Nenhuma técnica é completamente precisa, por este motivo, na maior parte dos casos são implementados mais de uma técnica para se comparar seus resultados, assim, proporcionando um maior grau de precisão. Muitos sensores podem ser empregados para o mapeamento do robô em meio ao ambiente onde se encontra. Devido as regras da competição, são permitidos apenas sensores que sejam compatíveis aos sensores naturais aos do corpo humano. Assim tendo à disposição para este projeto o acelerômetro e o giroscópio. O giroscópio é utilizado para medir a velocidade angular em relação a seus eixos de referência iniciais perpendiculares entre si. Unido a outros sensores da IMU, é possível calcular a variação na orientação do corpo em seus eixos principais. O acelerômetro é um sensor capaz de medir forças externas ao corpo através da aceleração aplicada à ele, assim como a aceleração gravitacional. O princípio básico do acelerômetro é ter alguma característica modificada em função a uma força imposta ao corpo. Com o avanço da tecnologia os sensores foram ficando cada vez mais precisos e menores, com isso, foi criada a IMU (Inertial measurement system)[4], um dispositivo que integra acelerômetro, giroscópio, magnetômetro, GPS, entre outros sensores inerciais. É um sistema de medição muito importante pelo fato de englobar diversos sensores em uma única placa. A equipe RoboFEI-Humanoide utiliza da placa UM7 da ChRobotics. . Figura 1 – Placa de sensores UM7 O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema de odometria para a equipe RoboFEI Humanoide. Para isso, como foi descrito antes, serão utilizados como dados os sensores da IMU e a resposta de posição dos motores. Sendo criados e comparados por esses dados, diferentes sistemas de odometria, assim, determinando a partir de testes, o melhor método de integrar os sensores para uma odometria mais precisa. Um método muito importante de odometria funciona utilizando-se das respostas de posição dos motores localizados em cada junta do robô. Com esses valores de posição aquisitados, é possível implementar o método de cinemática direta[5], onde é possível através dessas respostas dos motores e do tamanho dos links, calcular a posição e orientação de qualquer parte do robô em relação a uma base, podendo assim, calcular em diversos instantes com a mesma base, o quanto o corpo do robô se deslocou em uma determinada direção. As bases em um robô humanoide são os pés, assim, para a execução do cálculo de cinemática direta, assim que o robô pisar no chão, poderá ser calculada a cinemática até o peito e antes que retire esse pé de apoio para levanta-lo, calcula-se novamente a cinemática, verificando-se o deslocamento do corpo. A ideia de unir diversas técnicas de odometria, deve- se ao fato de nenhum desses métodos serem completamente exatos. Mesmo a IMU e os motores sendo precisos, há um acumulo de erro associado a essas técnicas que ao longo do tempo podem se tornar um problema. Por esse motivo, quando são utilizadas mais de uma técnica, pode-se comparar ou mesmo completar os valores adquiridos e obter uma resposta mais precisa. São Bernardo do Campo – 2017
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VII Simpósio de Iniciação Científica, Didática e de Ações Sociais da FEI
Sistema de odometria para um robô humanoideSylvio Rubens Juliani Neto¹, Reinaldo Bianchi³
1,3Centro Universitário da [email protected], [email protected]
Resumo: Este projeto tem como intuito odesenvolvimento de um sistema de odometria que seráimplementado no time de futebol de robôs, RoboFEI-Humanoide. Ele será desenvolvido a partir de duastécnicas muito conhecidas de robôtica móvel, aodometria por cinemática direta, utilizando-se dasrespostas dos motores RX-28, e pelos sensores da IMU,que informa valores de velocidade do movimentoangular e aceleração linear nos três eixos do robô.
1. IntroduçãoA odometria[1] é algo de extrema importância para a
robótica móvel[2] e robôs autônomos[3]. É pela suautilização que temos o controle de o quanto e para ondeo robô está se movimentando. Sem esse conhecimentonão há como saber seu posicionamento em meio aoambiente onde se encontra, tornando assim quaseimpossível fazer com que um robô vá de um ponto A aum ponto B com exatidão, pois existem muitas variáveisa se considerar, como problemas mecânicos no robô oumesmo irregularidades na superfície de contato com ochão, o que pode ocasionar em quedas oumovimentações indesejadas.
O conhecimento de posição e direção do robô móvelem meio a um ambiente é dada por diversas técnicasque podem ser empregadas, como a odometria visual,por cinemática, sensores como a IMU, ou mesmo radiofrequência e sensores ultrassônicos.
Nenhuma técnica é completamente precisa, por estemotivo, na maior parte dos casos são implementadosmais de uma técnica para se comparar seus resultados,assim, proporcionando um maior grau de precisão.
Muitos sensores podem ser empregados para omapeamento do robô em meio ao ambiente onde seencontra. Devido as regras da competição, sãopermitidos apenas sensores que sejam compatíveis aossensores naturais aos do corpo humano. Assim tendo àdisposição para este projeto o acelerômetro e ogiroscópio.
O giroscópio é utilizado para medir a velocidadeangular em relação a seus eixos de referência iniciaisperpendiculares entre si. Unido a outros sensores daIMU, é possível calcular a variação na orientação docorpo em seus eixos principais.
O acelerômetro é um sensor capaz de medir forçasexternas ao corpo através da aceleração aplicada à ele,assim como a aceleração gravitacional. O princípiobásico do acelerômetro é ter alguma característicamodificada em função a uma força imposta ao corpo.
Com o avanço da tecnologia os sensores foramficando cada vez mais precisos e menores, com isso, foicriada a IMU (Inertial measurement system)[4], umdispositivo que integra acelerômetro, giroscópio,magnetômetro, GPS, entre outros sensores inerciais. É
um sistema de medição muito importante pelo fato deenglobar diversos sensores em uma única placa. Aequipe RoboFEI-Humanoide utiliza da placa UM7 daChRobotics.
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Figura 1 – Placa de sensores UM7
O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de umsistema de odometria para a equipe RoboFEIHumanoide. Para isso, como foi descrito antes, serãoutilizados como dados os sensores da IMU e a respostade posição dos motores. Sendo criados e comparadospor esses dados, diferentes sistemas de odometria,assim, determinando a partir de testes, o melhor métodode integrar os sensores para uma odometria maisprecisa.
Um método muito importante de odometria funcionautilizando-se das respostas de posição dos motoreslocalizados em cada junta do robô. Com esses valoresde posição aquisitados, é possível implementar ométodo de cinemática direta[5], onde é possível atravésdessas respostas dos motores e do tamanho dos links,calcular a posição e orientação de qualquer parte dorobô em relação a uma base, podendo assim, calcularem diversos instantes com a mesma base, o quanto ocorpo do robô se deslocou em uma determinada direção.
As bases em um robô humanoide são os pés, assim,para a execução do cálculo de cinemática direta, assimque o robô pisar no chão, poderá ser calculada acinemática até o peito e antes que retire esse pé de apoiopara levanta-lo, calcula-se novamente a cinemática,verificando-se o deslocamento do corpo.
A ideia de unir diversas técnicas de odometria, deve-se ao fato de nenhum desses métodos seremcompletamente exatos. Mesmo a IMU e os motoressendo precisos, há um acumulo de erro associado aessas técnicas que ao longo do tempo podem se tornarum problema. Por esse motivo, quando são utilizadasmais de uma técnica, pode-se comparar ou mesmocompletar os valores adquiridos e obter uma respostamais precisa.
São Bernardo do Campo – 2017
VII Simpósio de Iniciação Científica, Didática e de Ações Sociais da FEI
2. MetodologiaPara o desenvolvimento deste projeto, é necessário
primeiramente, ser estudado o funcionamento dosmotores, desde o funcionamento mecânico, elétrico eaté o funcionamento do sensor que indica a posição domotor, assim como, deverá ser estudado a aquisição dosdados de posicionamento dos mesmos. Com esteconhecimento, será utilizado um software feito pelosalunos da equipe, onde é possível aquisitar esses valoresdiretamente dos motores, a fim de estudar seufuncionamento e precisão nos dados aquisitados.
Em paralelo ao estudo dos motores, deve serestudado o funcionamento da placa de sensores IMU, ecomo se dará a aquisição de dados referentes a variaçãoem sua orientação e aceleração em seus três eixos, afimde se estudar a movimentação do corpo e as forças quesão exercidas a ele.
Utilizando o conhecimento do funcionamento doshardwares e de como se dará a aquisição de dados, seráfeito um estudo para o desenvolvimento de métodos deunião das técnicas, onde serão feitos testes para analisaro erro que pode ser acumulado em diversos tipos demovimento, como andar para frente, para os lados,rotacionar e andar para trás.
Para a utilização dos valores de posição dos motores,será estudado o cálculo de cinemática direta, quepossibilita estimar a posição e orientação de um pontodo robô até a sua base, sendo esta o pé de apoio do robô.O ponto a ser estudado será o peito, onde estará contidaa IMU.
Com a utilização da IMU, será estudado o cálculo dedistância aquisitado em um certo periodo de tempo,assim como a aquisição dos dados de variação daorientação, para que assim, possa ser desenvolvida umaodometria própria da IMU.
Serão feitos testes em situações reais de um jogo,como quando o robô cair em campo. Estes experimentosserão realizados com o intuito de saber até que ponto eem quais situações cada técnica é confiável, assimcomo, o que poderá ser feito para melhorar essesresultados.
Após testar as técnicas separadas e entender comofuncionam e o quão precisas são, será criado um sistemaonde ambas as técnicas serão utilizadas ao mesmotempo. Deverá ser feito um estudo e o desenvolvimentode uma lógica que permita essa união, para que facilite aconstrução do programa.
Um método muito utilizado em artigos e livrossobre localização é proporcionando distância percorridapelo corpo do robô utilizando o cálculo de cinemáticadireta e da resposta da IMU para fornecer a orientaçãodeste deslocamento. Assim como pode ser utilizada aIMU para estimar a velocidade e o valor dedeslocamento em função do tempo, calculando a partirda integração numérica dos valores de aceleração docorpo medidos pelo acelerômetro.
Ao final deste projeto serão comparados osresultados obtidos em relação aos valores aquisitadospelos sistemas de odometria criados e a movimentaçãoreal do robô, utilizando dos experimentos descritos
anteriormente, assim, determinando a confiabilidade decada sistema criado, utilizando o sistema mais confiávelpara aplicar na localização do robô da equipe.
Figura 1 – Time RoboFEI-Humanoide
4. ConclusõesO futuro dessa pesquisa é a implementação de um
sistema de odometria que seja precisa, onde serãoutilizadas as técnicas de odometria por cinemática e porsistemas de medição inercial através da IMU. Serãofeitos testes de cada técnica de odometriaindividualmente e comparadas com a odometria ondeambas são integradas em conjunto. Ao final do projeto,a odometria a ser desenvolvida será implementada nosrobôs da equipe RoboFEI Humanoide, auxiliando emsua localização em meio ao campo.
5. Referências[1] OLSON, Edwin. A Primer on Odometry and MotorControl. 2009. 15f. [2] SECCHI, Humberto. Uma introdução aos robôsmóveis. 2008. 81 f. Disponível em: <http://www.obr.org.br/wp- content/uploads/2013/04/Uma_Introducao_aos_Robos_Moveis.pdf >Acesso em: 14 de set 2016.[3] SIEGWART, Roland; NOURBAKHSH, Illah.Introduction to Autonomous Robots. London. The MITPress. 2004.[4] Bruno Siciliano and Oussama Khatib. SpringerHandbook of Robotics. Springer-Verlag New York, Inc.,Secaucus, NJ, USA. 2007. p. 743-744.[5] ORIOLO, Giuseppe; PAOLILLO, Antonio; ROSA,Lorenzo; VENDITTELLI, Marilena. Humanoidodometric localization integrating kinematic, inertialand visual information. Autonomous robots. 40 ed.Springer Science, business Media New York. 2016. 867– 879.
Agradecimentos À instituição Centro Universitário da FEI pela realizaçãodas medidas ou empréstimo de equipamentos.
1 Aluno de IC do Centro Universitário FEI. Projeto comvigência de 02/17 a 01/18.
São Bernardo do Campo – 2017
