SIMULADOR DE FÍSICA APLICADO AO FUTEBOL DE ROBÔS
RELATÓRIO INICIAL
Aluno: André de Oliveira Santos Número FEI: 12.109.144-1 Orientador: Flavio Tonidandel Departamento de Ciência da Computação Inicio: Agosto de 2009 Conclusão: Julho de 2010
RESUMO
Para o desenvolvimento de projetos de robótica móvel, como o futebol de robôs, muitas vezes se faz necessário o uso de simuladores. Mas para resultados mais satisfatórios, o ideal é que estes simuladores se aproximem ao máximo da realidade. Portanto, surge o interesse em aplicar um simulador de física ao dominio do futebol de robôs. Para tanto, serão demonstradas as características e a história do futebol de robôs, que servirão como base para o desenvolvimento deste projeto, além dos simuladores de física existentes. Espera-se que com este projeto de iniciação, seja possível realizar simulações de estratégia e de movimentação dos robôs antes de aplicá-los nos robôs reais de forma mais precisa.
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 1 1.1 Objetivo... 1 1.2 Justificativa... 2 1.3 Metodologia... 2 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 3 2.1 O futebol de robôs... 3
2.2 O futebol de robôs na FEI... 3
2.3 Visão Geral... 4
2.4 Simuladores de fisica... 4
2.5 O robô a ser modelado... 5
2.6 Modelo Cinemático... 6
3 O PROJETO... 7
4 CRONOGRAMA... 8
1 INTRODUÇÃO
O projeto de Competições Robóticas, conhecido como RoboFEI [1], tem o intuito de promover pesquisa e desenvolvimento tecnológico através dos alunos de graduação e pós-graduação em ambientes de competição de robôs como meio motivador. Desde seu inicio, projetos em futebol de robôs vêm sendo desenvolvidos, seja no âmbito de hardware, software ou mesmo na constituição física de robôs. Até hoje, foram concluídos diversas iniciações científicas, dois trabalhos de projeto de formatura e duas dissertações de mestrado. As iniciações científicas já concluídas possibilitaram ao projeto formar uma equipe completa e estável pertencente à categoria Very Small [2] com um novo robô, sistema de visão computacional, sistema de controle e estratégia de alto nível, além de uma equipe da categoria
Small Size [3], que ainda se encontra em desenvolvimento.
Recentemente, esta nova equipe já foi qualificada e participou de um campeonato mundial, onde consegui se qualificar entre as 12 melhores equipes, classificação inédita para uma equipe brasileira, além de um grande feito considerando o pouco tempo de desenvolvimento frente às equipes intenacionais.
Assim, é necessário que novos trabalhos de iniciação científica sejam realizados, para permitir que a nova equipe alcance o nível das equipes de ponta que vêm se desenvolvendo há mais tempo.
1.1 Objetivo
O objetivo dessa Iniciação Científica é aplicar um simulador de fisica aos robôs de um dominio de futebol de robôs.
Para se atingir o objetivo, deve-se modelar fisicamente o robô, considerando os modelos cinemáticos e dinâmicos, o campo de jogo, as interações físicas do robô com o ambiente e o campo de jogo, além das regras da categoria. O simulador deve ser adequado ao restante do sistema que constui uma equipe de futebol de robôs, sendo capaz de trocar informações com os demais módulos eletrônicos existentes.
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1.2 Justificativa
A equipe de Futebol de Robôs da categoria Very Small [2] da FEI tem conseguido ótimos resultados desde que foi criada, obtendo reconhecimento nacional, se tornando referência e a atual bicampeã brasileira.
A nova equipe da categoria Small Size [3] também começa a se destacar, com uma boa participação em sua primeira oportunidade em um campeonato mundial. Nesta oportunidade foi possivel verificar que o trabalho executado até o momento segue na direção correta, incentivando a pesquisa e o desenvolvimento através dos alunos. Entretanto, também foi possível verificar que há muito a ser feito, já que há equipes que estão nesta categoria a aproximadamente dez anos e um nível de desenvolvimento bem superior a equipe Small Size da FEI.
Baseado nisso, é necessário que novos projetos como esse continuem a surgir, de modo a agregar valor à equipe, aos alunos e à instituição.
Este projeto visa capacitar a equipe Small Size com um simulador real, que permita o desenvolvimento de programas computacionais de estratégias, controle e movimentação dos robôs sem a necessidade de testes em robôs reais. A vantagem disso é permitir diversos testes seqüenciais e exaustivos de longa duração, receber informações de jogos reais e a repeti-los em simulação para análise de falhas, bem como permitir perceber erros de projetos antes de sua efetiva execução nos robôs reais.
1.3 Metodologia
O aluno já faz parte da equipe há pouco mais de dois anos, e foi o responsável pelo desenvolvimento de eletrônica embarcada do robô existente hoje. Também foi o responsável pelo sistema de controle embarcado do robô, conhecendo profundamente o hardware e software desenvolvido.
Serão utilizados os computadores do laboratório dedicados ao futebol de robôs, e o objetivo é utilizar apenas softwares gratuitos, o que não trará nenhum custo adicional ao projeto.
3 Serão avaliados os simuladores de fisica existentes, e então um será selecionado, baseado na disponibilidade de informação ao seu respeito, facilidade de uso, precisão da simulação e outras caracteristicas a serem avaliadas durante o projeto.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 O Futebol de Robôs
O futebol de robôs é um campo de pesquisa que tem como foco o desenvolvimento de robôs móveis autônomos, desenvolvidos para atuar sem supervisão de um operador humano.
No ano de 1993 foi criada a Robocup [4], um projeto mundial para o desenvolvimento da Inteligência Artificial, robótica e assuntos relacionados. Seu objetivo é o desenvolvimento e organização de diversas categorias de Futebol de Robôs. É uma proposta padrão com um grande universo de possibilidades e tecnologias a ser utilizadas onde todas as pesquisas devem ser publicadas em congressos que acontecem paralelamente às competições, para que seus resultados possam ser conhecidos e aproveitados, e talvez até aplicados à indústria, ou à vida cotidiana.
2.2 O Futebol de Robôs na FEI
O projeto de Futebol de Robôs na FEI teve inicio no ano de 2003, como um grupo de pesquisas dedicado à simulação, sem robôs físicos. Esse projeto foi iniciado pelo Profº. Reinaldo Bianchi, que participou do desenvolvimento dos times FUTEPOLI [5] e Guaraná [6], times de Futebol de Robôs de expressão nacional e internacional. Em setembro do mesmo ano aconteceria o 6º SBAI (Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente), em conjunto com a Second IEEE Student Robotics Competition, onde haveria uma competição da categoria de Futebol de Robôs Mirosot, ou Very-Small [2], coordenada pela Fira [7]. Surgiu então o interesse em se construir uma equipe de robôs adequada a esta competição, onde nasceu o projeto RoboFEI [1], coordenado pelos professores Reinaldo Bianchi e Flavio Tonidandel.
4 Desde então ótimos resultados foram alcançados por esta equipe, e novos resultados aparecem com o novo desenvolvimento da categoria Small Size [3].
2.3 Visão Geral
O desenvolvimento de uma equipe de futebol de robôs envolve diversos esforços em frentes diferentes:
a) Visão computacional, que capta a imagem de todo o campo de jogo e possibilita a localização e identificação dos jogadores e de cada elemento do jogo;
b) Estratégia, que com as informações da visão, localiza e identifica cada robô do time, do time adversário e a bola, e baseado nessas posições, avalia as possibilidades e toma uma determinada decisão de defesa ou ataque;
c) Sistema de trajetória, que com as informações da visão e estratégia, define a trajetória que cada jogador deve ter em determinada situação, de modo a desviar de obstáculos, interceptar a bola, etc.;
d) Sistema de controle, que com as informações da trajetória, determina como cada robô deve ser acionado, controlando sua velocidade linear e angular de modo que este siga a trajetória previamente definida;
e) Projeto mecânico, que projeta e constrói a estrutura física de cada robô, de acordo com as características das categorias (tamanho, tipo de movimentação, etc.);
f) Projeto eletrônico, que projeta e constrói a interface eletrônica de cada robô, para que este receba as informações do controle, interprete e possa executá-las da maneira mais exata possível.
A aplicação do simulador proposto neste trabalho substituiria de certa maneira o projeto mecânico e eletrônico. Permitindo testar os outros componentes do sistema, de maneira a isolar possiveis imperfeições do sistema real ou executar testes de longa duração, o que poderia gerar resultados que permitiriam melhorar o sitema real.
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2.4 Simuladores de fisica
Simuladores de física são programas de computador capazes de utilizar variáveis como massa, velocidade, atrito e resistência do vento para simular sistemas físicos reais. Eles podem simular e prever efeitos produzidos sobre diferentes situações que se aproximam do mundo real. Eles são utilizados principalmente em simulações cientificas ou na programação de jogos de video-game.[8]
Simuladores de fisicas são compostos basicamente por dois componentes principais: um detector de colisão e simulador de dinâmica. Porém, simuladores mais complexos podem também ter um simulador de mecânica dos fluídos. Existem basicamente dois tipos de simuladores, os de alta precisão, e os de tempo real.
Os simuladores de alta precisão oferecem resultados muito mais próximos à realidade, mas podem demorar muito mais tempo para serem executados, além de consumir muito mais recursos computacionais. Eles são usados principalmente pela comunidade científica, ou por indústrias, que podem, por exemplo, calcular o coeficiente aerodinâmico de um carro, ao invés de utilizar um túnel de vento, que requer grande investimento. Como exemplo de simulador de alta precisão é possivel citar o Working Model 2D [9].
Os simuladores de tempo real apresentam resultados menos precisos, mas ainda sim satisfatórios. Eles são utilizados principalmente em jogos de video-game, onde eles podem oferecer o grau de realismo necessário, sem comprometer o desempenho das demais tarefas, como o processamento gráfico. Como exemplo de simulador de tempo real é possivel citar o Bullet [10].
2.5 O robô a ser modelado
O robô a ser modelado é um pertencente à categoria Small Size [3], um robô omnidirecional, capaz de se mover em qualquer direção, sem a necessidade de girar em seu próprio eixo, ou realizar em conjunto movimento de translação e rotação. Uma representação do protótipo existente pode ser vista na Figura 1.
6 Este robô tem seu sistema de movimentação composto por quatro rodas, cada uma ligada a um motor independente. Para o controle de cada um destes motores, foi utilizado um microcontrolador que mede a sua velocidade, sentido de rotação, e corrente consumida, além de gerar o sinal responsável por alterar a velocidade do motor. Nestes microcontroladores foi implementado um controle de velocidade PID (proporcional, integral e derivativo).
Figura 1 – Desenho CAD da estrutura mecânica do protótipo
O robô será devidamente caracterizado, com sua medidas e peso, assim como seu motores, com caracteristicas de velocidade e torque.
2.6 Modelo Cinemático
O modelo cinemático deve ser o ponto de partida para a modelagem do robô, devido a ser mais simples que o modelo dinâmico, por não levar em consideração fatores como o peso do robô, ou limitação de torque dos motores. O modelo cinemático de um robô omnidirecional [11] pode ser compreendido através das mais simples leis da física clássica. A Figura 2 representa um robô onminidirecional muito semelhante ao utilizado neste projeto.
A partir desta configuração, a velocidade, força ou aceleração resultante sobre o robô pode ser determinada através da soma vetorial destas grandezas para cada uma das rodas do
7 robô, que também dependem de certas características como diâmetro da roda, ângulo de cada um dos motores, entre outras.
Figura 2 – Modelo cinemático de um robô onminidirecional [11]
3 O PROJETO
O trabalho será iniciado buscando e avaliando os simuladores de fisica existentes. Após selecionado, sua documentação será estudada, exemplos aplicados, e então o robô deverá ser modelado no simulador.
As regras especificas da categoria também precisam ser implementadas, como tamanho do campo, gols, número de jogadores e entre outros.
Também se faz necessário que o simulador passe a ser mais um módulo do sistema que constitui a equipe, deve ser capaz de se comunicar com os sistemas de controle, trajetória e estratégia.
Ao fim do trabalho, o simulador deve ser capaz de substituir os robós reais em determinadas situações, como testes prolongados ou a comparação entre estratégias de jogo.
8 4 CRONOGRAMA Ano 2009 2010 Meses A G O S E T O U T N O V D E Z J A N F E V M A R A B R M A I J U N J U L Atividade Revisão bibliográfica Escolha do simulador de física Estudo do simulador escolhido Desenvolvimento de exemplos
Modelagem do robô Modelagem da regras Integração ao restante do sistema
Testes Relatório Parcial
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5 BIBLIOGRAFIA
[1] - “RoboFEI” - Disponível em: <http://www.fei.edu.br/robo>. Acesso em: 5 Jul. 2009. [2] - “Robo Soccer Mirosot”. Disponivel em:
<http://www.fira.net/soccer/mirosot/overview.html>. Acesso em: 7 Jul. 2009. [3] - “Small Size Robot League”. Disponível em: <http://small-size.informatik.uni-bremen.de/>. Acesso em: 7 Jul. 2009
[4] - “RoboCup Official Site” . Disponível em: <http://www.robocup.org>. Acesso em: 7 Jul. 2009.
[5] - “The Futepoli Team Homepage”. Disponível em:
<http://www.lti.pcs.usp.br/robotics/futepoli>. Acesso em: 7 Jul. 2009.
[6] - Guaraná COSTA, A. H.R.; PEGORARO, R. Construindo Robôs Autônomos para
Partidas de Futebol: O time Guaraná. Controle e Automação SBA, v.11,n.2, p.141-149.,
2000.
[7] - “Federation of International Robosoccer Association”. Disponível em: <http://www.fira.net>. Acesso em: 5 Jul. 2009.
[8] - “Physics Engine”. Disponível em: < http://en.wikipedia.org/wiki/Physics_engine>. Acesso em 10 Jul. 2009.
[9] - “Working Model 2D”. Disponível em: <http://www.design-simulation.com/WM2D/index.php>. Acesso em 10 Jul. 2009.
[10] - “bullet”. Disponível em: <http://code.google.com/p/bullet/>. Acesso em 10 Jul. 2009.
[11] - Alexander Gloye and Raúl Rojas: Holonomic Control of a Robot with an
Omnidirectional Drive. Künstliche Intelligenz, 2006.
