Uma Arquitetura Distribuída de Hardware e Software para Controle de um Robô Móvel Autônomo

(1)

UNIVERSIDADEFEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE

Uma Arquitetura Distribu´ıda de Hardware e

Software para Controle de um Robˆ

o M´

ovel

Autˆ

onomo

Ricardo de S. Britto

rbritto@dca.ufrn.br

Orientador: Adelardo A. D. Medeiros

adelardo@dca.ufrn.br

UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN

DCA - Departamento de Engenharia de Computa¸

c˜

ao e Automa¸

c˜

ao

LAR - Laborat´

orio de Rob´

otica

(2)

Sum´

ario

1 Introdu¸c˜

ao

2 Arquitetura Proposta

Blackboards

Robot

3 Organiza¸

c˜

ao de Controle Proposta

4 Resultados Experimentais

5 Conclus˜

oes e Trabalhos Futuros

(3)

Arquitetura de Controle

Como coordenar os recursos de hardware e software de um

robˆ

o de forma a permit´ı-lo interagir com o mundo que o

cerca?

(4)

Arquitetura de Controle

Solu¸

c˜

ao

(5)

Arquitetura de Controle

Caracter´ısticas:

Habilitar um robˆ

o m´

ovel autˆ

onomo a operar em seu ambiente

utilizando-se de seus recursos f´ısicos e computacionais.

Assegurar o cumprimento das tarefas do robˆ

o de maneira

est´

avel e robusta.

Deve ser flex´ıvel e modular.

(6)

(7)

Motiva¸c˜

ao

A inexistˆ

encia de uma arquitetura de controle para o robˆ

o

Kapeck, LAR-DCA-UFRN torna dificulta o uso deste robˆ

o

como plataforma para desenvolvimento de pesquisas no

ˆ

ambito da rob´

otica.

O desenvolvimento de uma arquitetura de hardware e software

para controle do robˆ

o Kapeck, de modo a tornar este robˆ

o um

ambiente prop´ıcio para desenvolvimento de pesquisas em

rob´

otica constitui-se na maior motiva¸

c˜

ao deste trabalho.

(8)

Objetivos

Defini¸c˜

ao de uma Arquitetura de Hardware e Software de

baixo custo para controle do robˆ

o Kapeck.

Desenvolvimento de uma base de software que permita a

utiliza¸c˜

ao do Kapeck como plataforma para pesquisas futuras.

Implementa¸

c˜

ao de uma organiza¸c˜

ao de controle para

(9)

Robˆ

o Kapeck

Robˆ

o multi-tarefa

n˜

ao-holonˆ

omico com

acionamento diferencial.

Dois manipuladores com 5

graus de liberdade.

Cabe¸ca est´

ereo com duas

cˆ

ameras.

Colar com 8 sonares.

19 motores CC.

(10)

Robˆ

o Kapeck

Restri¸c˜

oes:

Muitos Sensores e Atuadores.

Muitos processos concorrentes

Baixos per´ıodos de amostragem.

Solu¸

c˜

ao

(11)

Arquitetura de Hardware

HD IDE 20 GB Linux Fedora 5 kapeck2 128 MB RAM SC−60 Cameras HD IDE 20 GB Linux Fedora 5 Ethernet IEEE 802.11b kapeck1 256 MB RAM Athlon 64 2GHz HD IDE 40 GB Linux Fedora 5 Monitor 1GB RAM Frame Grabber PCI

...

Sonar 1 Sonar 8 PentiumIII 1GHz PentiumIII 1GHz Encoder Motor Encoder Motor Barramento CAN Placa USB−CAN Microcontrolada

Placa Placa Placa Microcontrolada Microcontrolada e e 1A 7A

...

Caracter´ısticas:

Processamento distribu´ıdo:

Microprocessadores

Microcontroladores

Barramento CAN.

Rede Ethernet.

(12)

Arquitetura de Software

blackboard :

bBoard.

bBoardAtt.

bBoardRe.

bBoardServer.

robot.

periodic.

(13)

UNIVERSIDADEFEDERALDO RIO GRANDE DO NORTE Blackboards

bBoard

do Sistema Módulo de Software bBoard Inicializador Módulo bBoardAtt

Caracter´ısticas:

Criam e destroem ´

areas de

mem´

oria compartilhada.

Gerenciam seu acesso em

exclus˜

ao m´

utua via

sem´

aforos.

(14)

Blackboards

bBoardAtt, bBoardRe, bBoardServer

Modulo X Modulo Y socket tcp _{socket tcp} PC−2 bBoardAtt bBoardAtt bBoardRe bBoardRe PC−1 bBoardServer bBoardServer

Caracter´ısticas:

bBoardAtt: acopla `

a

blackboards j´

a criados.

Fornece as primitivas de

leitura e escrita.

bBoardRe: semelhante

`

abBoardAtt, por´

em ´

e

utilizada para se acoplar a

blackboard remoto, via

bBoardServer.

(15)

Robot

Modulo 1

Modulo Modulo Modulo

2 3 4

Sensores−Atuadores

Rede de

busArbiter

Caracter´ısticas:

Barramento CAN l´

ogico.

Fornece modularidade e

reusabilidade `

a arquitetura.

Composi¸c˜

ao:

robot.

busArbiter.

(16)

Robot

Periodic

Linux standard n˜

ao ´

e um SO de tempo real.

Processos n˜

ao temporalmente previs´ıveis.

Periodic

Fornece primitivas que melhoram a previsibilidade temporal na

execu¸

c˜

ao dos processos que o utilizam.

Sincroniza so processos com a grade de execu¸

c˜

ao do Linux.

Faz com que os processos durmam apenas o tempo

(17)

Organiza¸c˜

ao de Controle

Instancia¸

c˜

ao de uma Arquitetura de Controle = Organiza¸c˜

ao

de controle

De modo a demonstrar o uso e viabilidade da arquitetura aqui

proposta, uma organiza¸

c˜

ao de controle foi implementada.

Esta organiza¸

c˜

ao utiliza todos os recursos de software e

hardware fornecidos pela arquitetura.

(18)

Organiza¸c˜

ao de Controle

Localizer Blackboard Blackboard bBoardServer busArbiter Cartographer Blackboard Blackboard Blackboard Blackboard Blackboard Blackboard trajExec IEEE 802.11b Ethernet Monitor kapeck2 Interface User bBoardServer Blackboard Blackboard Legenda − Blackboards − Computadores − Placas Microcontroladas visionSys Blackboard − Módulos de Software kapeck1 actionPl pathPl posCon Sonar Board 1A a 7A Controlador de Sonares Supervisor de Encoder Controlador de Velocidade Barramento CAN

(19)

Localizer

busArbiter kapeck1

Legenda

− Blackboards − Computadores − Placas Microcontroladas − Módulos de Software 1A a 7A Sinal de Ação Posição do Robô Localizer Supervisor de Encoder Barramento CAN Mapa

(20)

Cartographer

Cartographer Mapa kapeck1 busArbiter

Legenda

− Blackboards − Computadores − Módulos de Software Sinal de Ação Barramento CAN

Placa dos Sonares

Controlador do Robô

Posição

(21)

actionPl e pathPl

actionPl pathPl bBoardServer Posição do Robô Mapa Polinômio

...

kapeck1 de AçãoSinal

Legenda

− Blackboards − Computadores − Módulos de Software de AçãoSinal

(22)

trajExec

Legenda

− Blackboards − Modulos de Software − Computadores kapeck1 posCon Polinômio de ReferênciaPosição trajExec

(23)

posCon

posCon do Robô Posição busArbiter pathExec kapeck1 1A a 7A de Ação Sinal

Legenda

− Blackboards − Computadores − Placas Microcontroladas − Módulos de Software Velocidade Controle Supervisor de Encoder Barramento CAN

(24)

visionSys

Graber Frame

visionSys Visão Câmeras kapeck2 Sinal de Ação

Legenda

− Blackboards − Computadores − Hardware Dedicado − Módulos de Software

(25)

O Experimento

A tarefa do robˆ

o no experimento efetuado foi explorar um

ambiente conhecido a priori em busca de uma marca.

visionSys captura e processa imagens em busca da marca

Per´ıodo de amostragem de posCon ´

e 100 ms, compensado por

controle embarcado.

(26)

A¸c˜

oes Configuradas

As a¸c˜

oes configuradas no m´

odulo actionPl foram:

irCentro - Ir para centro de um ambiente n˜

ao-percorrido;

irAmbiente - Ir para um outro ambiente ainda

n˜

ao-percorrido;

irMarcar - Ir para a posi¸

c˜

ao da marca;

pararRobˆ

o - Parar o robˆ

o.

(27)

Trajet´

oria Percorrida pelo Robˆ

o

T5 T4 T1 T0 Legenda − Caminho Replanejado T3 T2 − Marca − Robô − Porta − Caminho Executado − Caminho Planejado Corredor Sala 01 Sala 02 Largura Comprimento

(28)

Grade de Execu¸c˜

ao dos M´

odulos de Software em Fun¸c˜

ao

do Tempo

actionPl

pathPl

Cartographer

Localizer

posCon

visionSys

T0

T1

T2

T3

T4

T5

Gera

Gera Gera Gera Gera

Localiza Robô

Velocidades

Calcula Calcula Calcula

Velocidades Calcula Velocidades Velocidades Calcula Velocidades Robô Localiza Robô Localiza Robô Localiza Processa Imagens Processa Imagens Processa Imagens Processa Imagens Exporta Posição

irCentro irAmbiente irCentro irAmbiente irMarca pararRobô

Caminho Caminho Caminho Caminho Caminho

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

Conclus˜

oes e Trabalhos Futuros

As principais contribui¸

c˜

oes desse trabalho foram:

Ferramentas de software que permitem a programa¸c˜

ao de

m´

odulos de software distribu´ıdos.

Uma organiza¸

c˜

ao de controle que permite a realiza¸c˜

ao de

tarefas autˆ

onomas por um robˆ

o m´

ovel com rodas.

(34)

Conclus˜

oes e Trabalhos Futuros

Como pontos que podem ser melhorados neste trabalho, pode-se

citar:

A gerˆ

encia da rede de sensores e atuadores.

A implementa¸

c˜

ao dos m´

odulos de software da organiza¸c˜

ao de

controle.

O m´

etodo de comunica¸

c˜

ao entre o m´

odulo actionPl e os

outros m´

odulos da organiza¸

c˜

ao de controle.

(35)

Conclus˜

oes e Trabalhos Futuros

Uma investiga¸

c˜

ao sobre m´

etodos mais elaborados de gerˆ

encia

de redes de sensores e posterior implementa¸c˜

ao;

Re-implementa¸

c˜

ao da implementa¸c˜

ao dos m´

odulos de software

da organiza¸

c˜

ao de controle;

Modelagem e verifica¸

c˜

ao formal da arquitetura j´

a

desenvolvida, provavelmente com redes de petri temporizadas;

Realiza¸

c˜

ao de an´

alise de desempenho, an´

alise temporal e de

tolerˆ

ancia a falhas da arquitetura;

Realiza¸

c˜

ao de estudos mais profundos para se averiguar como

ser´

a utiliza¸

c˜

ao de hardware reconfigur´

avel ou dedicado na

arquitetura.

(36)

Publica¸c˜

oes

Britto, Ricardo S., Medeiros, Adelardo A. D., Alsina, Pablo

J.(2007), Uma Arquitetura Distribu´ıda de Hardware e

Software para Controle de um Robˆ

o M´

ovel Autˆ

onomo, em

Simp´

osio Brasileiro de Automa¸c˜

ao Inteligente 2007.