AMBIENTE DE SIMULAÇÃO PARA NAVEGAÇÃO ROBÓTICA

SÃO BERNARDO DO CAMPO - SP 2017 felipe bonventi AMBIENTE DE SIMULAÇÃO PARA NAVEGAÇÃO ROBÓTICA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação da Fundação Inaciana “Padre Saboia de Medeiros”, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação. Comissão examinadora _____________________________________ Professor 1(Titulação e nome completo) Instituição 1 _____________________________________ Professor 2 (Titulação e nome completo) Instituição 2 _____________________________________ Professor 3 (Titulação e nome completo) Instituição 3 São Bernardo do Campo, ____ de ________ de 2017. A minha família. agradecimentos Primeiramente, agradeço a Deus por me dar saúde, força e foco, para realizar meus sonhos e objetivos, sem ele, nada disso seria possível. Agradeço a esta respeitável Universidade e em especial, aos dignos Mestres, Professores dedicados, que com muita sabedoria e singular apreço, expandiram meus conhecimentos, contribuindo para meu crescimento e evolução.

ABSTRACT This work shows some types of environments for robotic simulation, such as Storm, Webots, Stage, Player, Mobilesim, Gazebo, MRS, Rossum, Simbad and emphasizes the importance of using this tool in the design and design of robots, aiming at minimize errors and costs. Robots are an essential component of the technological apparatus that several companies support and the need to create these machines and improvement becomes latent. It also emphasizes the initial assumptions for the understanding of simulation environments, such as the operation of simulators, the role of virtual simulation, existing types of navigation (maps or not) and the modules that constitute a virtual simulation environment. Thus, robotic navigation allows to work with the features and functionalities that a real robot would have, allowing a more realistic understanding and the intervention of the developer at a time when the robotic equipment is in development, allowing all its purposes to be explored , fully.

Keywords: Simulation. Figura 18 Mapa utilizado nas simulações 36 Figura 19 Cenário dos simuladores 37 Figura 20 Cenários de dificuldade - comparativo 38 Figura 21 Código de cenário com muros e caixas - Rossum 39 Figura 22 Código de cenário com muros e caixas – Simbad 3D 42 Figura 23 SEVA 3D 43 Figura 24 Simulação feita no MRS 44 Figura 25 Simulação 2 44 Figura 26 Simulação feita no Webots 45 Figura 27 Simulação 2 Webots  46 Figura 28 Simulador Player/Stage (2D) 47 Figura 29 Simulador Gazebo. Lista de Tabelas Tabela 1 Ferramentas usadas para implementar Simulações Virtuais 21 Tabela 2 Resumo da análise comparativa 41 Lista de abreviaturas e siglas 2d – duas dimensões 3d – três dimensões API - Application Programming Interface ou de interface de programação da aplicação ARIA - Advanced Robot Interface for Applications DLL - Dynamic Link Library GNU GPL - GNU General Public License MRS – Microsoft Robotic Studio Obj - objeto RNA - Rede Neural Artificial  RP1 – Rossum’s PlayHouse SEVA - Sistema de Estacionamento de Veículos Autônomos STORM - simulador teórico online de robôs móveis SUMÁRIO 1 Introdução 12 1.

QUESTÃO 13 1. Objetivos 13 1. Objetivo Geral 14 1. AMBIENTE DE SIMULAÇÃO PARA NAVEGAÇÃO DE ROBÔS 27 2. MÓDULOS DO SISTEMA 30 3 ambientes de simulação 31 3. storm – simulador teórico online de robôs móveis 31 3. ambiente mobilesim 34 3. rossum’s playhouse e simbad 3d 36 3. Isso contribui para que mais aplicações sejam incorporadas e a popularização se torne ainda mais consolidada. Os robôs trabalham com tarefas bastante complicadas, que antes eram realizadas por humanos. Desta forma, é necessário que ele possa caminhar por ambientes que, inicialmente, são desconhecidos, aprender e lidar com as dificuldades que apareçam, deslocar de obstáculos e enfrentar, de forma inteligente, aos estímulos do meio. A partir desta realidade, as pesquisas envolvendo a robótica móvel tem sido conduzidas, principalmente, no que tange à dispositivos que possuam autonomia e capacidade de interaçao com o ambiente que o cerca.

Para que isso se concretize, é necessário que as máquinas robóticas consigam se localizar com certa precisão dentro de um sistema referencial, que elas consigam conhecer o seu local de trabalho para se localizarem de forma eficiente (BIGHETI, 2011). Por último, o Gazebo é construído em três dimensões, mais próximo do real e permite um resultado com fidelidade de comportamento e de interação física entre os dispositivos robóticos e o ambiente. O capítulo 4 apresentará a conclusão, com todos os aspectos relevantes do trabalho e as considerações finais. Visando alcançar os objetivos propostos, utilizou-se como recurso metodológico, as referências bibliográficas, mediante análise de trabalhos disponíveis na internet. O texto final teve como embasamento as concepções e entendimentos de autores como: Barros (2010), Bigheti (2011), Caldeira (2013), Santos (2009), Silva (2006) e Wolf (2009).

QUESTÃO Este trabalho propõe a utilização de ambientes de simulação robótica na concepção posterior de robôs. Seminários, painéis, debates, resumos críticos, monografias não dispensam a pesquisa bibliográfica. Ela é obrigatória nas pesquisas exploratórias, na delimitação do tema de um trabalho ou pesquisa, no desenvolvimento do assunto, nas citações, na apresentação das conclusões. ANDRADE, 2001, p. referencial teórico Os robôs estão presentes em uma série de aplicações, envolvendo a indústria e diversos setores. Investir neles é uma estratégia que demanda tempo e custos relativamente altos, sem contar com possíveis problemas e estragos decorrentes de uma concepção e planejamento que, na prática, não se alinham com o pensado anteriormente.

Possuem, também, um sensor óptico para posicionamento do braço na posição que se quer e um ultrassônico, que calcula a distância para objetos que estão ao seu redor. Os softwares são desenvolvidos em algumas linguagens, como a C e Delphi, permitindo conhecer o sinal enviado pelos sensores e fazer o controle dos motores, em função do objetivo desejado. SILVA, 2006). o papel da simulação virtual A utilização de um ambiente virtual de simulação de robôs tem se destacado como uma ferramenta poderosa, demonstrando várias vantagens: • Opção mais barata, pois, uma série de ensaios e testes podem ser feitos antes de conceber fisicamente o dispositivo robótico. • Grande economia de tempo, em virtude de se fazer diversos testes pelo simulador, o que dispensa a necessidade da configuração e reconfiguração de equipamentos (WOLF, 2009).

É vital salientar que a capacidade de detectar e desviar de objetos depende diretamente do local que o dispositivo robótico se encontra, impactando na escolha do sensor adequado (WOLF, 2009). Os sensores também são considerados quanto ao aspecto do ambiente e possuem uma dependência da capacidade interna sensorial para a realização de determinada tarefa específica. Desta forma, o tipo, o número de sensores e a relação custo x benefício são itens imprescindíveis. Deve-se avaliar o erro, a precisão, o consumo, o quanto ele agrega de peso ao equipamento robótico e a qualidade. O equipamento robótico deve possuir uma capacidade de processamento suficiente para receber e tratar todas as informações que são passadas pelos sensores e acionar os atuadores.

Assim, poderá se saber qual será o caminho descrito pelo robô, usando este modelo comportamental. A literatura já contempla vários modelos confiáveis que já forma estudados e testados para sensores e atuadores. Incluem-se, neste caso, sensores infra-vermelho, sonares, lasers, GPS (sistema de posicionamento global), bússolas, acelerômetros e sensores de contato. Da mesma forma que existem modelos estudados para sensores e atuadores, também existem diversos modelos cinemáticos, bastante estudados e fidedignos, onde pode-se simular dispositivos robóticos com formas distintas de controle de locomoção, como robôs que possuem cinemática diferencial de duas rodas (ou com uma terceira roda livre), outros com cinemática Ackermann (simulam veículos com tração e barra de direção) e também com cinemática do tipo Slip/Skid (simulação de tração por esteiras), robôs aéreos, robôs aquáticos, entre outros (WOLF, 2009).

A Figura 1 mostra exemplos de modelos reais e virtuais de robôs móveis, que foram concebidos objetivando o aperfeiçoamento dos sistemas de controle autônomo primeiramente através da simulação, e depois através de sua implementação em sistemas reais. A Tabela 1 mostra o conjunto das principais ferramentas utilizadas na execução de ambientes virtuais de simulação robótica. Tabela 1 – Ferramentas usadas para implementar Simulações Virtuais. Fonte: (WOLF, 2009) 2. navegação robótica (wolf, 2009) A navegação robótica tem como objetivo fazer o controle de deslocamento robótico de uma posição para outra. Um procedimento que parece simples, mas que exige o emprego de várias técnicas, como planejar a trajetória, fazer a navegação com base no mapa do local ou até mesmo, navegar supervisionado, que consistem em uma navegação visual.

A Figura 4 mostra como se comporta a trajetória baseada no grafo de visibilidade e a escolha do menor caminho. Figura 4 - Planejamento de Trajetória com Grafo de Visibilidade: caminho do robô circular até o seu destino marcado no mapa geométrico. Fonte: (WOLF, 2009) A navegação fundamentada em mapas opera bem só quando há um mecanismo confiável de localização, ligado ao processo de deslocamento junto ao caminho planejado. Caso o equipamento robótico não esteja onde considera-se estar, devido a erros de posição ou de deslocamento, ele terá dificuldades em ultrapassar passagens curtas, graças ao planejamento não adequado, provocado por um caminho definido inicialmente com erros (WOLF, 2009). navegação sem a utilização de mapas Consiste em um modo de navegação que não exige uma inteligência muito robusta e utiliza recursos menos dispendiosos, pode-se citar três tipos: a navegação baseada em campos potenciais (vetoriais), a navegação por informações visuais e navegação por composição de comandos.

Este tipo de navegação também pode usar um método similar ao anterior, no qual o robô registra previamente todos os comandos de navegação e depois volta a reproduzí-los. O grande dilema deste tipo de navegação é a dificuldade no tratamento de posicionamento errado e desviar de obstáculos não previstos. Geralmente, esta tecnologia é usada em conjunto com sistemas híbridos que podem fazer, ao mesmo tempo, a parte de localização e de ajuste na rota (WOLF, 2009). Logo, o planejamento e navegação robótica são missões que precisam ser projetadas com o intuito de executar um controle robótico inteligente e robusto, com a utilização integrada de técnicas distintas, como já falado acima, que possibilitarão ao equipamento robótico, maior capacidade de navegação autônoma e de desvio de obstáculos.

AUTONOMOUS CONTROL O Autonomous Control é um software desenvolvido em linguagem C para ajudar na criação do código de programação do modo autônomo do robô. Na tela programação, pode-se criar um ambiente para controle robótico, a partir da utilização da linguagem de comandos, que são executados no próprio dispositivo, onde essa programação pode ser salva e carregada posteriormente. A tela treinamento mostra para o usuário, um menu para os conteúdos a respeito de robótica. A tela programação automática, permite ao usuário mover o robô através das setas e poder salvar a trajetória como um dado, também podendo resetar essa rota. A tela motores mostra ao usuário informações sobre os motores. A tela modo autônomo permite a ativação e a desativação da opção que permite ao dispositivo robótico andar sozinho e desviar de obstáculos.

MÓDULOS DO SISTEMA A figura abaixo mostra de forma resumida como se estrutura o software de simulação, mostrando a seqüência de execução e realização das tarefas que precisam ser visualizadas nas telas do programa. Figura 13 – Diagrama do Software de Simulação. Fonte: (SILVA, 2006) 3 ambientes de simulação 3. storm – simulador teórico online de robôs móveis O STORM é um simulador que possibilita a criação de atividades de aprendizagem relacionadas com a robótica (CALDEIRA, 2013). Composto por um robô com duas rodas motoras, dois sensores de toque e dois sensores óticos, como mostra a figura 14. O uso de conhecimentos de geometria analítica ajudaram na detecção de colisões. Figura 15 - O ambiente STORM Fonte: (CALDEIRA, 2013) A interface de controle do STORM, indicada na Figura 16a, consiste em um conjunto de chaves com os seguintes nomes: ação inicial, sensores, motores e tempo.

Ação Inicial é responsável pelo primeiro movimento do robô e possui duas chaves que gerenciam a roda esquerda e duas para a roda direita. A primeira chave é responsável por a roda girar para frente enquanto a outra faz com que gire para trás. Os conjuntos de chaves chamadas de sensores, motores e tempo estão relacionadas com o estado do sensor. O simulador manipula um banco de dados dos robôs da família Pioneer, que possui toda a configuração robótica, dimensional, aceleração e velocidade máxima de movimentação, disposição dos sensores, resolução e erros dos encoders, que torna a simulação bem próxima do mundo real (SANTOS, 2009). Figura 18 - Mapa utilizado nas simulações. Fonte: (SANTOS, 2009) 3. rossum’s playhouse e simbad 3d É um simulador robótico de código aberto em duas dimensões, totalmente programado em Java.

Por possuir o código aberto, acaba por colaborar com a implementação do próprio usuário, de novas características. Mesmo assim, o desenvolvedor pode se adaptar de forma fácil, pois os parâmetros utilizados são fáceis de se entender. Diferentemente do Rossum, que possibilita a criação de diversos alvos, o Simbad permite apenas implementar objetos com características parecidas das de alvos. Figura 20 – Cenários de dificuldade - comparativo. Fonte: (BARROS, 2010) O Simbad, quando comparado ao anterior – RP1 ou Rossum’s PlayHouse – é que o primeiro possui uma limitação quanto aos alvos, ou seja, possui apenas dois definidos inicialmente. Caso sejam necessários mais, o desenvolvedor terá que criá-los, coisa que não acontecesse com o RP1. Mais do que isso, o software possibilita que dois agentes se reconheçam, ou seja, possibilita simulações com vários robôs.

O Rossum também permite que mais de um seja utiliza, mas não é possível que eles se interajam (BARROS, 2010). O Simbad possui sonares apresenta que possibilitam medir a distância que um objeto se encontra do agente e os obstáculos que estão mais pertos; sensores de colisão, que indicam informações sobre colisão, mas não medem distância; e um sensor que mostra as imagens do cenário por onde o robô passa. O programa também possibilita que sejam criados os sensores por parte do programador, caso ele tenha conhecimento de classes Java. O Rossum apresenta sensores de colisão, de distância e também aqueles que possibilitam pesquisar uma localização especificada. Fonte: (BARROS, 2010) Figura 22 – Código de cenário com muros e caixas – Simbad 3D.

Fonte: (BARROS, 2010) 3. seva 3d O simulador SEVA3D (Sistema de Estacionamento de Veículos Autônomos) foi concebido com o intuito de colaborar no projeto, implementação e teste de um veículo suficientemente capaz de estacionar automaticamente em uma vaga. A modelagem de um ambiente virtual de simulação tridimensional possibilita a definição do posicionamento e direcionamento de cada um dos sensores, assim como outros componentes próximos da atuação do veículo (carros, meio-fio). É de vital importância que os sonares estejam posicionados em lugares chaves do carro e, com relação detecção da calçada, houve a necessidade de se ajustar o sensor para o chão, para conseguir percebê-la. webots O Webots é simulador implementado pela empresa Cyberbotics junto com pesquisadores do Swiss Federal Institute of Technology.

Ele é usado em mais de 450 universidades e institutos de pesquisa e é compatível com plataformas Linux, Windows e Macintosh e linguagens C, C++ e Java (WOLF, 2009). A versão total do programa necessita de licença, entretanto, a versão para testar é conseguida grátis. O simulador fornece uma vasta gama de plataformas robóticas e sensores, que são os robôs AIBO e Lego Mindstorms. Possibilita que dispositivos robóticos e ambientes sejam modelados de forma tridimensional, permitindo a simulação física de sistemas complexos que possuem articulações mecânicas, sistemas dinâmicos e detecção de colisão, baseado na biblioteca ODE. stage Trata-se de um simulador de vários robôs destinado a ambientes bidimensionais (sensores e visualização 2D), possuindo compatibilidade com o Player.

Vários sensores e dispositivos robóticos podem ser simulados ao mesmo tempo, controlados por um ou mais clientes (WOLF, 2009). Por ser muito eficiente, o Stage tem a capacidade de simular dezenas de robôs operando concomitantemente em apenas um computador. Os robôs simulados pelo Stage são fundamentados no Pioneer (robô construído pela MobileRobots), uma vez que esse ambiente é bastante usado em laboratórios de ensino e pesquisa. Simula também o deslocamento dos robôs e dos sensores, como lasers, sonares, odômetros, câmeras e garras. Figura 29 - Simulador Gazebo Fonte: (WOLF, 2009) 4 CONCLUSÃo Robôs são dispositivos que possuem cada vez mais importância em diversas áreas e lugares. Eles possibilitam economia de tempo em tarefas árduas, precisão e regularidade em execuções que necessitam de alto grau de similaridade.

Mesmo evidenciando a necessidade e as vantagens em possuir um equipamento robótico, não se pode simplesmente desenvolvê-lo, sem algum planejamento, detalhes de seu funcionamento e de possíveis falhas, além de se saber se ele está realizando o que foi inicialmente planejado. Além do mais, máquinas robóticas são dispendiosas na maioria das vezes e qualquer erro de projeto ou falha na concepção do equipamento pode levar a grande perda de recursos financeiros e de tempo. Nesse sentido, o ambiente de navegação robótico é de fundamental importância na concepção dessas máquinas, por evitar erros possíveis de projeto e funcionamento, além do custo financeiro. br/ocs/index. php/connepi/CONNEPI2010/paper/viewFile/1289/829 >. Acesso em: 22 dez. BIGHETI, J. A.

Ambiente gráfico de simulação robótica para fins educacionais. XX Simpósio Nacional de Geometria Descritiva e Desenho Técnico. Florianópolis, SC. SANTOS, K. R. Leonardo de Mello Honório. Itajubá, MG. SILVA, J. F. R. Disponível em: < http://osorio. wait4. org/palestras/JAI2009-Osorio. pdf>. Acesso em: 16 jan.