Desenvolvimento de um robô para o concurso Micromouse

(1)

Desenvolvimento de um robˆ

o para

o concurso Micromouse

Por

Davide Jos´e Dias Borges

Orientador:

Doutor Ant´onio Lu´ıs Gomes Valente

Co-orientador:

Doutora Teresa Paula Coelho Azevedo Perdico´

ulis

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o

74/2006 de 24 de Mar¸co e no Regulamento de Estudos P´os-Graduados da UTAD

DR, 2.a

s´erie – Delibera¸c˜ao n.o

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Desenvolvimento de um robˆ

o para

o concurso Micromouse

Por

Davide Jos´e Dias Borges

Orientador:

Doutor Ant´onio Lu´ıs Gomes Valente

Co-orientador:

Doutora Teresa Paula Coelho Azevedo Perdico´

ulis

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o

74/2006 de 24 de Mar¸co e no Regulamento de Estudos P´os-Graduados da UTAD

DR, 2.a

s´erie – Delibera¸c˜ao n.o

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Orienta¸c˜ao Cient´ıfica :

Doutor Ant´onio Lu´ıs Gomes Valente

Professor Associado C/ Agrega¸c˜ao do Departamento de Engenharias

Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Doutora Teresa Paula Coelho Azevedo Perdico´ulis

Professora Auxiliar C/ Agrega¸cão do Departamento de Engenharia Electrotécnica Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

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(7)

”A parte que ignoramos ´e muito maior que tudo quanto sabemos.”

Plat˜ao (428/27 a.C. – 347 a.C.)

”Al andar se hace el camino. | O caminho faz-se caminhando.”

Antonio Machado(1875 – 1939)

Dedico a todos que me acompanharam nesta caminhada, em especial aos meus pais, as minhas irmãs e á Vânia Rebelo

(8)

Declara¸c˜ao,

Esta disserta¸cão foi escrita sem ter em considera¸cão o novo acordo ortográfico.

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UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO Mestrado em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores

Os membros do Júri recomendam à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro a aceita¸cão da disserta¸cão intitulada “ Desenvolvimento de um robô para o concurso Micromouse” realizada por Davide José Dias Borgespara satisfa¸cão parcial dos requisitos do grau de Mestre.

Outubro 2013

Presidente: Doutor Jos´e Paulo Barroso de Moura Oliveira,

Direçcão do Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de

Computadores do Departamento de Engenharias da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Vogais do J´uri: Doutor Paulo Jos´e Cerqueira Gomes da Costa,

Professor Auxiliar da Universidade do Porto

Doutor Eduardo Jos´e Solteiro Pires,

Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Doutor Ant´onio Lu´ıs Gomes Valente,

Professor Associado C/ Agrega¸c˜ao do Departamento de Engenharias da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

Doutora Teresa Paula Coelho Azevedo Perdico´ulis,

Professora Auxiliar C/ Agrega¸cão do Departamento de Engenharia Electrotécnica da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

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Desenvolvimento de um robˆo para

o concurso Micromouse

Davide Jos´e Dias Borges

Submetido na Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obten¸c˜ao do grau de

Mestre em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores

Resumo —O micromouse é um concurso mundial onde pequenos robôs autónomos, também chamados micromice, resolvem um labirinto composto de 16x16 células. Um robô micromouse é constru´ıdo de forma a explorar um labirinto a partir de um dos seus cantos em direçcão ao seu centro, no menor per´ıodo de tempo poss´ıvel. Um micro-controlador está ligado aos sensores e motores permitindo que o micromouse se mova autonomamente numa direçcão predefinida, bem como receber informa¸cão de sensores e parar antes de bater numa parede. O robô precisa de manter o controlo da sua trajectória, fazer o mapeamento do labirinto na sua memória e de saber descobrir se o centro foi atingido. Neste trabalho é constru´ıdo um robô com as caracter´ısticas e requisitos necessários para a participa¸cão no concurso Micromouse. Para a escolha do algoritmo de pesquisa a ser adoptado pelo robô realizaram-se testes em ambiente simulado com compara¸cão de quatro dos principais algoritmos para este tipo de robôs e, após a análise dos resultados, escolhemos o algoritmo Flood Fill por ser aquele que resolve qualquer tipo de labirinto. É também o algoritmo que tem melhor desempenho na obten¸cão do caminho mais curto para o centro do labirinto.

Palavras Chave: micromouse, algoritmo de pesquisa, robótica didática, microrobótica.

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Development of a robot for

Micromouse contest

Davide Jos´e Dias Borges

Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical Engineering and Computers

Abstract — Micromouse is a worldwide contest where small autonomous robots, named micromice, solve a maze of 16 x 16 cells. A robot is built in order to explore a trajectory from one corner of the maze towards its center in the shortest time period; a micro-controller is connected to sensors and motors enabling the micromouse to move autonomously in a predefined direction as well as to receive information from sensors and also to halt before hitting a wall. The mouse needs to keep track of its trajectory, which is done by mapping the maze on to its memory and finding out whether its center has been reached. In this work, the mechanical and electrical design of the robot are described as well as some of the used search algorithms. After conducting tests in various simulated mazes to assess the performance of the algorithms, the Floodfill was chosen for its best timings and effectiveness in reaching the centre of the labyrinth.

Key Words: micromouse, search algorithms, didactic robotics, microrobotics.

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Agradecimentos

A realiza¸cão desta disserta¸cão foi só poss´ıvel devido ao aux´ılio e apoio prestado por algumas pessoas.

Gostaria de aqui deixar os meus sinceros agradecimentos a todas elas porque, directa ou indirectamente, me ajudaram a ultrapassar as dificuldades deste percurso e me incentivaram a concluir mais esta importante etapa da minha vida. Agrade¸co ent˜ao:

`

A UTAD, a mui nobre academia que me abriu a porta na altura em que me candidatei ao ensino superior e que me ofereceu as condi¸cões necessárias à realiza¸cão deste trabalho;

Aos meus orientadores, Prof. António Valente e Teresa Perdicoúlis, por me dirigirem e aconselharem desde o in´ıcio, sempre com irrefutável paciência, disponibilidade e simpatia;

Aos Comerciais da GE (General Electric) que sempre me apoiaram nos meus primeiros passos profissionais especialmente ao Romeu Gomes, Justiniano Cruz, Rufino Saraiva, Rui Malheiro e Olindina Maia;

Ao Engenheiro Cristóvão, das oficinas de mecânica pela disponibilidade, pois a sua ajuda foi preciosa para fixar os motores e o eixo, bem como na elabora¸cão das rodas;

`

A minha fam´ılia, que nunca deixou de acreditar em mim e que sempre me apoiou; `

A Vˆania Rebelo, em especial, pela compreens˜ao, apoio e amor, demonstrados em xv

(16)

todos os momentos da realiza¸c˜ao deste trabalho;

Aos meus amigos de agora e de sempre, Telmo Adão, António Santos, Miguel Pereira e Simão Cardeal por todo o companheirismo, amizade e apoio demonstrados ao longo da minha vida académica;

E a todos os que acreditaram, o meu MUITO OBRIGADO!

UTAD, Davide Jos´e Dias Borges

Vila Real, Julho 2013

(17)

´Indice geral

Resumo xi

Abstract xiii

Agradecimentos xv

´_{Indice de tabelas} _xix

´_{Indice de figuras} _xxi

Acr´onimos xxiii

1 Introdu¸cão 1 1.1 Motiva¸cão e objectivos . . . 2 1.2 Organiza¸cão da disserta¸cão. . . 3 2 O Micromouse 5 2.1 Descri¸cão . . . 5 2.2 Competi¸cões . . . 7

2.2.1 Resenha hist´orica sobre o Micromouse . . . 7

2.2.2 Regras . . . 12

2.3 Observa¸c˜oes finais . . . 13

3 O Robˆo micromouse 15 3.1 Perspectiva de todo o sistema . . . 15

(18)

3.2 Componentes do robˆo . . . 15

3.2.1 Motores . . . 16

3.2.2 Sensores . . . 18

3.3 Algoritmos de pesquisa . . . 21

3.3.1 Left Wall Follower e Right Wall Follower . . . 21

3.3.2 Tremaux . . . 22 3.3.3 Flood Fill . . . 22 3.4 Observa¸cões finais . . . 23 4 Implementa¸cão do Robô 25 4.1 Design electrónico . . . 25 4.2 Design mecânico . . . 27 4.3 Design eléctrico . . . 27 4.4 Programa¸cão . . . 31 4.5 Observa¸cões finais . . . 31 5 Testes e resultados 33 5.1 Teste labirinto 1 . . . 34 5.2 Teste labirinto 2 . . . 36 5.3 Teste labirinto 3 . . . 37 5.4 Teste labirinto 4 . . . 39 5.5 Teste labirinto 5 . . . 40 5.6 Teste labirinto 6 . . . 42 5.7 Observa¸cões finais . . . 43

6 Conclus˜ao e trabalho futuro 45 6.1 S´ıntese conclusiva . . . 45

6.2 Avalia¸c˜ao e principais conclus˜oes . . . 46

6.3 Perspectivas para trabalho futuro . . . 47

Bibliografia 49 A Regras Micromouse Portuguese Contest 55 A.1 Regras para o robˆo micromouse . . . 55

A.2 Regras para o labirinto . . . 56

A.3 Regras para o concurso . . . 57

A.4 Elegibilidade do concurso . . . 58

´_{Indice remissivo} ₆₁

Sobre o Autor 63

(19)

´Indice de tabelas

4.1 Tabela de conex˜ao ao Pic. . . 32

5.1 Tabela resultados teste 1. . . 35

(20)

(21)

´Indice de figuras

1.1 Micromouse . . . 2

2.1 Labirinto. . . 6

2.2 Topo Moonlight Special, meio Moonlight Flash , canto inferior direito Midnight Express.. . . 8

2.3 Jornal The Day em 7 Junho 1979. . . 9

2.4 Micromouse portuguese contest. . . 11

2.5 Resultados micromouse portuguese contest.. . . 11

3.1 Esquema de liga¸c˜ao interno. . . 16

3.2 Ajuste do robˆo `a esquerda. . . 19

3.3 Ajuste do robˆo `a direita. . . 19

3.4 Robˆo ajustado ao centro. . . 20

4.1 Constru¸c˜ao da board no eagle. . . 26

4.2 Micromouse na sua fase inicial. . . 26

4.3 Circuito de controlo dos motores. . . 28

4.4 Circuito transmissor IR. . . 29

4.5 Circuito receptor IR. . . 29 xxi

(22)

4.6 Esquema de liga¸c˜oes ao Pic. . . 30

4.7 Dspic33. . . 30

4.8 Esquema para controlar a tens˜ao. . . 31

5.1 Left Wall Follower 1. . . 34

5.2 Right Wall Follower 1. . . 34

5.3 Tremaux 1. . . 35

5.4 Flood Fill 1. . . 35

5.7 Tremaux 2. . . 36

5.8 Flood Fill 2. . . 36

5.11 Tremaux 3. . . 38

5.12 Flood Fill 3. . . 38

5.15 Tremaux 4. . . 39

5.16 Flood Fill 4. . . 39

5.19 Tremaux 5. . . 41

5.20 Flood Fill 5. . . 41

5.23 Tremaux 6. . . 42

5.24 Flood Fill 6. . . 42

6.1 Grigora . . . 48

(23)

Acr´

onimos

Lista de acr´

onimos

Sigla Expans˜ao

AC Alternating Current (corrente alternada)

IES Institui¸c˜ao de Engenheiros de Singapura (Institui¸c˜ao de Engenheiros de Singapura)

BBC British Broadcasting Corporation DC Direct Current (corrente cont´ınua) CAMM California Micromouse Competition

IRED Infravermelho

ISM Industrial, Scientific and Medical

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor NMOS Trans´ıstor MOSFET de canal N

PMOS Trans´ıstor MOSFET de canal P

(24)

1

Introdu¸c˜

ao

O conceito de micromouse, como um dispositivo para a resolu¸cão de labirintos, foi introduzido pela revista IEEE Spectrum em 1977 (Day, 1979). Nessa revista era anunciado o concurso amazing micromouse maze contest que teria lugar em Nova York em Junho de 1979. A esse concurso chegaram cerca de 6000 inscri¸cões mas somente 15 robôs entraram em competi¸cão. Nos dias de hoje esta competi¸cão existe em diversos pa´ıses, sendo de real¸car a competi¸cão anual UK Micromouse que se realiza no Reino Unido, e a all japan micromouse robot competition no Japão, que no ano de 2010 ia já na sua 31a

edi¸cão. A competi¸cão consiste numa corrida contra-relógio de robôs autónomos designados ratos ou mice em inglês, em busca do centro do labirinto. O labirinto é composto por 256 células, numa matriz de 16 x 16 células dispostas numa grelha de 180 mm. Cada parede do labirinto tem 5 cm de altura e 12 mm de espessura o que torna a distância livre, ou seja de parede a parede, de 168 mm. O objectivo do trabalho descrito nesta disserta¸cão foi a elabora¸cão de um micromouse para a participa¸cão no concurso Micromouse. O trabalho pressupõe a constru¸cão da parte de hardware do robô, bem como a implementa¸cão de algoritmos com vista à resolu¸cão do labirinto, designados por firmware, com posterior optimiza¸cão do desempenho em prova. Pretende-se não só ter um robô capaz de executar a prova mas também de a vencer.

(25)

2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇ ÃO

1.1 Motiva¸

c˜

ao e objectivos

Com este trabalho pretende-se contribuir para o desenvolvimento da robótica móvel e didáctica na UTAD bem como na região, sobretudo às camadas mais jovens da popula¸cão. Para esse fim foi constru´ıdo um robô para participar no concurso Micromouse que se pretende que venha a ter um bom desempenho no concurso. Inicialmente são estudados vários algoritmos para a resolu¸cão do labirinto para posteriormente se escolher de entre eles o que se revelar mais eficiente na resolu¸cão do labirinto.

Figura 1.1 – Micromouse.

Os principais objectivos deste trabalho são a constru¸cão de um robô para o concurso Micromouse, o que compreende todo o projecto de hardware, montagem do robô e desenvolvimento de firmware para a implementa¸cão de rotinas de baixo n´ıvel, ou seja, movimentos primários. Compreende também o estudo de algoritmos já

(26)

1.2. ORGANIZAÇ ÃO DA DISSERTAÇ ÃO 3

utilizados noutros robôs e publicados em diversos artigos, estudo este que compreende a leitura dos artigos, implementa¸cão em software de simula¸cão dos diversos algoritmos e análise detalhada do desempenho.

O estudo dos algoritmos dá lugar à seleçcão de um, ou vários, tendo em vista uma determinada fun¸cão de desempenho na resolu¸cão de labirintos. Os algoritmos a estudar são o Left Wall Follower, o Right Wall Follower, o Tremaux e o Flood Fill.

1.2 Organiza¸

c˜

ao da disserta¸

c˜

ao

Esta disserta¸cão encontra-se estruturada em seis Cap´ıtulos, servindo o presente Cap´ıtulo como uma introdu¸cão de enquadramento do trabalho, apresentando-se também a motiva¸cão e os principais objectivos do trabalho.

O Cap´ıtulo 2 inicia-se com uma resenha histórica sobre o concurso Micromouse, onde se enumera a evolu¸cão da competi¸cão do micromouse ao longo dos anos. Seguidamente faz-se um levantamento das regras do concurso, sendo que as regras em rela¸cão aos participantes podem ser alteradas a cada concurso.

A discussão de alguns dos métodos que podem utilizar-se na programa¸cão assim como das diversas componentes é apresentada no Cap´ıtulo 3. O desenho dos circuitos para o processo de fabrico do micromouse encontram-se no Cap´ıtulo 4, assim como e enumera¸cão e descri¸cão das componentes presentes no micromouse.

No Cap´ıtulo 5 apresentam-se os testes efectuados e os resultados obtidos em simula¸cões com vista à avalia¸cão do desempenho do robô.

A finalizar a disserta¸c˜ao, no Cap´ıtulo 6 discutem-se os resultados obtidos e apresentam-se algumas perspectivas de trabalho futuro.

(27)

(28)

2

O Micromouse

Este Cap´ıtulo inicia-se com uma apresenta¸cão geral do Micromouse assim como da enumera¸cão das suas caracter´ısticas. Segue-se uma resenha histórica do concurso, pois no que diz respeito ao robô propriamente dito não houve grandes evolu¸cões nem flexibilidade do seu fabrico. É real¸cada a competi¸cão portuguesa de micromouse que teve in´ıcio no ano de 2013. São depois ainda apresentadas as regras que regem para o concurso Micromouse.

2.1 Descri¸

c˜

ao

O Micromouse é um evento onde pequenos robôs autónomos competem entre si de forma a resolver um labirinto no m´ınimo tempo poss´ıvel. Os robôs, também designados de micromouse, têm como objectivo encontrar o caminho para o centro do labirinto a partir de um canto desconhecido do labirinto. À medida que o robô avan¸ca no labirinto através do seu algoritmo, os micromice devem ser capazes de manter em memória a configura¸cão do labirinto, a sua posi¸cão dentro do labirinto, o registo das células já percorridas no labirinto e optimizar um caminho que deve ser percorrido no menor tempo poss´ıvel. Uma vez atingido o centro, retorna à sua

(29)

6 CAP´ITULO 2. O MICROMOUSE

Figura 2.1– Labirinto.

posi¸c˜ao inicial.

Ao longo dos anos, o desafio de criar um robô autónomo que possa resolver um labirinto espalhou-se no mundo inteiro sendo o desafio inicial desenvolver um robô capaz de encontrar o centro do labirinto, o que em si exige competências em micro robótica e programa¸cão. Ao longo dos anos os objectivos transformaram-se numa corrida para o centro, com robôs capazes de atingir velocidades elevadas (Davis,

2012). O micromouse não poderá exceder os 250mm de largura e de comprimento sendo que não existem restri¸cões na altura do mesmo.

O labirinto é constitu´ıdo por células quadradas de 18 cent´ımetros de face e com muros com 5 cm de altura, perfazendo no seu conjunto uma matriz composta de 16x16 células.

As paredes constituintes do labirinto deverão ter 50mm de altura e 12mm de largura e exteriormente deverá envolver o labirinto por completo. Estas deverão ser brancas reflectindo a luz infravermelha e as passagens entre elas deverão ter 168mm de largura. O chão do labirinto deverá ser preto fosco absorvendo a luz infravermelha. A célula de partida deverá ser num dos quatro cantos do labirinto contendo paredes

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2.2. COMPETIC¸ ˜OES 7

em três lados com orienta¸cão de modo a que quando a abertura estiver a ’norte’, as paredes exteriores estão a ’sul’ e a ’oeste’ como ditam as regras. O centro do labirinto é um conjunto das quatro células centrais sem paredes internas e constitui o destino. Serão permitidas, e até espectáveis, a existência de múltiplos caminhos para o destino.

Os eventos Micromouse são actualmente realizados regularmente em escolas, colégios, universidades e centros de exposi¸cão a volta do mundo.

2.2 Competi¸

c˜

oes

Desde 1950 até aos tempos de hoje têm vindo a crescer as competi¸cões de micromice por todo o mundo, verificando-se cada vez com mais qualidade na constru¸cão dos robôs e melhores tempos obtidos na resolu¸cão do labirinto.

2.2.1 Resenha hist´

orica sobre o Micromouse

O Micromouse come¸ca por ser um pequeno robô autónomo constru´ıdo para navegar num labirinto. O primeiro registo dum robô a resolver um labirinto é datado de 1950, contru´ıdo por Claude Elwood Shannon (Shannon,2012) sendo ele quem construiu e apresentou pela primeira vez o labirinto original. No entanto, a primeira competi¸cão de Micromouse só come¸cou na década de 1970 (Kibler et al.,2011), quando os robôs foram testados um contra o outro. Em 1972 robôs mecânicos foram constru´ıdos com molas para um concurso de corrida patrocinado pela revista Machine Design. O conceito de Micromouse como um dispositivo de solu¸cão de um labirinto foi introduzido pela revista IEEE Spectrum, em 1977. Spectrum anunciou o Concurso Amazing Maze Micromouse que iria ser realizado em junho de 1979, em Nova Iorque, tendo sido recebidas cerca de 6000 inscri¸cões, mas somente 15 micromouses faziam parte da fase final pois aparentemente muitos relataram brain failure, enquanto outros afirmaram blow-up e uma variedade de outras razões. Dos 15 robôs apurados para a fase final, apenas 4 conseguiram resolver o labirinto de 8 x 8 durante a

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Figura 2.2– Topo Moonlight Special, meio Moonlight Flash , canto inferior direito Midnight Express.

sua primeira passagem e dois nas restantes tentativas. O vencedor foi Moonlight Flash,com um tempo de 30,04 segundos (Day, 1979;Kibler et al., 2011).

As regras dos concursos seguintes come¸caram então a tornar-se mais sofisticadas, tendo os próximos concorrentes um desafio cada vez maior na constru¸cão de robôs inteligentes capazes de encontrar o centro do labirinto. Em 1980, realizou-se a primeira competi¸cão europeia que teve lugar em Londres. Das 100 inscri¸cões recebidas, apenas 9 robôs competiram nas finais. Nesse ano, apenas Nick Smith com o seu robô Sterling, encontrou o centro do labirinto com o tempo de 3 minutos e 49 segundos (Mosa et al., 2012). Os delegados da new japan science foundation levaram as

(32)

Figura 2.3 – Jornal The Day em 7 Junho 1979.

regras de volta para T´oquio e organizaram o 1o

all-japan competition Micromouse em Novembro do mesmo ano, mas nenhum dos participantes resolveu o labirinto (Online,2012). Em 1981 teve lugar em Paris uma competi¸cão, onde participaram 13 concorrentes. Nick Smith ganhou novamente, sendo o seu robô Sterling o mais rápido dos 8 robôs a atingir o centro do labirinto. Alan Dibley venceu a edi¸cão britânica de 1982 com seus robôs Thezeus. O primeiro concurso mundial de Micromouse foi realizado em Tsukuba, no Japão, em Agosto de 1985 (Harrison, 2013), onde participaram concorrentes da Europa e dos EUA. Os robôs foram se tornando bastante sofisticados, usando sensores infra-vermelhos ou ultra-som, com motores de passo ou DC. O campeão desse ano foi o japonês Noriko e o melhor concorrente não-japonês sendo Dave Woodfield’s na sétima posi¸cão. A edi¸cão de 1987 foi organizada

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pelo Instituto de Engenheiros Elétricos em Londres, com 13 concorrentes. David Otten, do MIT, obteve os dois primeiros prémios com os micromouses Mitee I e II. Nesse ano, uma nova pontua¸cão foi introduzido para recompensar robôs capazes de resolver o labirinto de forma completamente independente, nomeadamente 10 segundos foram deduzidos ao tempo de execu¸cão se o robô nunca fosse tocado do in´ıcio ao fim (Bradbeer,2012). As competi¸cões de Singapura Micromouse come¸caram em 1987, patrocinado pela IES, a Institui¸cão de Engenheiros de Singapura. Em 1988, mir3+, da Nanyang Technological Institute conquistou o terceiro lugar. Em julho de 1989 na cidade de Londres, a equipa de Singapura teve 6 dos 8 melhores prémios. David Otten com o seu Mitee III terminou em 2 o

lugar, enquanto que a Empresa Dave Woodfield ficou em quinto. Em outubro do mesmo ano, o IES realizou a sua primeira competi¸cão Micromouse Internacional, e a equipa local, mais uma vez venceu cinco dos sete lugares contra os robôs do Reino Unido, EUA, Japão, Taiwan e Austrália.

Em 1990, os clubes Micromouse come¸caram a aparecer nas escolas. As regras do campeonato foram alteradas para o Campeonato Mundial de 1991, em Hong-Kong, de forma a que o foco fosse a fiabilidade e não apenas a velocidade pura (Xioco and Tascon, 1999). Foi a maior reunião internacional de robôs desde Tsukuba, em 1985, com 30 robôs de 13 pa´ıses. A Royal Holloway organizou o seu primeiro evento, em 2000, em Londres, e os robôs apareceram já na TV para os Technogames, programa da BBC. Em 2001, a primeira competi¸cão de Escolas e Faculdades é organizada pela Manchester Metropolitan University. Desde então, em cada ano, realiza-se um evento Micromouse. Pela primeira vez em 2004, o campeonato nacional Micromouse foi realizado no Centro de Inova¸cão Tecnológica, em Birmingham. Várias competi¸cões se seguiram com a realiza¸cão na Universidade de Santa Clara em 2005, seguindo-se a competi¸cão no estado de Fresno em 2006 com Tepidius, o micromouse constru´ıdo por Kyle Tanabe, Dian Nguyen e Paul Ramirez a terminar num fantástico segundo lugar, perdendo contra a equipa UC Davis por apenas 1,71 segundos. O IEEE 6 decorreu a 3 de maio de 2008 em San Jose State University sendo novamente a equipa UC Davis a ganhar com o seu Mousey a fazer o tempo de 8:31.74 sendo os lugares seguintes atribu´ıdos por células exploradas. Actualmente,

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já no ano de 2013 decorreram vários concursos como o ’All America Micromouse’ onde em primeiro lugar ficou a equipa Green Giant V2.2 com um tempo fantástico de 0:6.55 segundos. O segundo e terceiro lugares apenas conseguiram acabar a prova com os tempos de 1:11.4 e 2:56.1 respectivamente. Em portugal já existe

Figura 2.4 – Micromouse portuguese contest.

Figura 2.5 – Resultados micromouse portuguese contest.

uma competi¸cão designada Micromouse Portuguese Contest que realizou a sua primeira edi¸cão em Maio de 2013 e contou com quatro participa¸cões, sendo dois destes representantes da Utad através do clube de robótica (Valente,2013a). Esta é uma competi¸cão aberta a todos os interessados querendo a organiza¸cão realizar esta

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competi¸cão em diversas zonas do pa´ıs num futuro próximo. Os resultados de uma forma geral foram satisfatórios visto que dois dos quatro robôs conseguiram resolver o labirinto, tendo o robô Gr´ıgora ganho com um tempo de 0:44:477 na sua primeira manga. Os outros participantes foram classificados consoante as células descobertas pelo seu robô.

2.2.2 Regras

As regras que regem os principais concursos Micromouse são as regras oficiais da IEEE International Micromouse Competition(IEEE,2013). Em resumo uma equipa pode ser constitu´ıda no máximo por 5 elementos e apenas corresponder a um micromouse, tendo um elemento responsável pela equipa. Por norma só existe um escalão de competi¸cão. Depois do parque fechado só um elemento da equipa poderá ter acesso, quando solicitado pelo júri, ao labirinto. A participa¸cão está sujeita ao pagamento de uma inscri¸cão no valor estipulado por equipa. O micromouse deverá ser totalmente autónomo e sem a utiliza¸cão de fontes de energia que utilizem processos de combustão. É permitido fazer pequenas repara¸cões durante o concurso mas não é permitido ter qualquer hardware ou software adicionado, substitu´ıdo, apagado ou modificado pelo operador. Um micromouse não poderá saltar, subir, arranhar, danificar ou destruir as paredes que constituem o labirinto podendo os ju´ızes impedir um micromouse de participar se existir um risco de tal acontecer. Cada corrida come¸ca na célula de partida e termina quando o micromouse retorna a essa mesma célula e fica imobilizado por 2 segundos ou é suspensa pelo júri, sendo que o tempo m´ınimo para ir da partida ao destino deverá ser registado como o seu tempo oficial de uma corrida. O operador não poderá tocar no micromouse durante uma corrida sem a autoriza¸cão do júri. O micromouse pode viajar de volta desde o destino até à célula partida que não é considerado uma corrida. Cada micromouse terá um limite máximo de actua¸cão de 10 minutos obtendo a pontua¸cão pelo melhor tempo de uma corrida. Quando um micromouse chega ao destino poderá parar e permanecer no centro do labirinto ou continuar a explorar outras partes do labirinto regressando à célula de partida. Caso este não permane¸ca no destino não poderá ser parado

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2.3. OBSERVAC¸ ˜OES FINAIS 13

manualmente e depois recome¸car. O tempo para cada corrida deverá ser medido desde o instante que o micromouse sai da célula de partida até que entra na zona de destino. Ao concorrente é dado 1 minuto, desde o momento em retira o micromouse do parque fechado, para fazer ajustes aos sensores se assim o necessitar. Depois de retirado do parque fechado, não poderá haver seleçcão de estratégias nem é poss´ıvel introduzir no micromouse, por qualquer processo, informa¸cão sobre o labirinto. O cronómetro recome¸cará ao fim de 1 minuto, mesmo que o concorrente ainda esteja a ajustar os sensores do robô. Se um micromouse tiver problemas o concorrente poderá pedir permissão ao júri para abandonar a corrida e recome¸car desde o in´ıcio. Um micromouse não poderá recome¸car somente porque falhou uma curva, podendo neste caso o júri adicionar uma penalidade pelo recome¸co. Se nenhuma corrida com sucesso for conseguida o júri dará uma avalia¸cão qualitativa do desempenho do robô, baseada na distância alcan¸cada, no comportamento e na qualidade do controlo. Se um robô tiver de sair por problemas técnicos, o júri poderá admitir que este volte mais tarde ao concurso. Os robôs deverão permanecer no parque fechado até o labirinto ser revelado, colocando o micromouse na partida às ordens do júri. Os casos omissos serão resolvidos pelo júri do concurso (Valente, 2013b).

2.3 Observa¸

c˜

oes finais

Portugal come¸ca a ter alguns bons exemplos de robôs para participar em competi¸cões europeias e até internacionais de Micromouse. No próximo Cap´ıtulo é analisado o que devemos ter em conta para a escolha de componentes f´ısicos para o robô assim como alguns dos poss´ıveis algoritmos para a resolu¸cão de labirintos para podermos construir e programar o melhor robô poss´ıvel.

(37)

(38)

3

O Robˆ

o micromouse

O robô tem como finalidade encontrar o centro do labirinto, onde estão as quatro células designadas como destino. Depois de encontrado esse destino, o robô tem de calcular qual o melhor caminho no sentido de alcan¸car o destino no m´ınimo tempo poss´ıvel, ganhando quem fizer o menor tempo desde a partida até ao designado destino.

3.1 Perspectiva de todo o sistema

A figura 3.1 representa a inter-rela¸cão entre os diferentes componentes do micromouse. O robô é controlado pelo micro controlador que é o cérebro do robô, sendo alimentado por uma fonte de alimenta¸cão que é, neste caso, uma bateria. Recebe informa¸cões dos sensores que processa de forma a comandar correctamente os motores.

3.2 Componentes do robˆ

o

A parte f´ısica é constitu´ıda por duas componentes principais: os motores e os sensores. É através deles que o cérebro do robô pode funcionar. Comparando com

(39)

16 CAP´ITULO 3. O ROB ˆO MICROMOUSE

Figura 3.1 – Esquema de liga¸c˜ao interno.

um humano, os motores seriam as pernas e os sensores os olhos.

3.2.1 Motores

Existem motores de passo de todos os tamanhos e resolu¸cões. Mesmo que o nosso esquema conceptual de um motor de passo execute uma rota¸cão completa em quatro etapas, a maioria dos motores têm maior resolu¸cão(mais etapas). Alguns motores de passo giram 7,5◦ _{por passo e outros giram tão pouco quanto 0,9}◦ _{por passo. Alguns} motores de passo são fortes, outros só precisam mover a cabe¸ca de um CD-player (Auyeung, 2005).

O funcionamento básico do motor de passo é dado pelo uso de solenóides alinhados dois a dois, que quando energizados atraem o rotor fazendo-o alinhar-se com o eixo determinado pelos solenóides, causando assim uma pequena varia¸cão de ângulo que

(40)

3.2. COMPONENTES DO ROB ˆO 17

é chamada de passo. A velocidade e o sentido de movimento são determinados pela forma como cada solenóide é activado (a ordem e a velocidade entre cada activa¸cão). O número de passos é dado pelo número de alinhamentos poss´ıveis entre o rotor e as bobinas. Ou seja, para aumentar o número de passos de um motor usa-se um número maior de bobinas, número maior de pólos no rotor (para isso usa-se uma roda dentada)(elipe Gon¸calves Brites and de Almeida Santos, 2008).

Em geral, os motores de passo de tamanhos menores (2,54 cm de diâmetro e cerca de 1,9 cm de espessura) têm tamanhos de passo maiores e menos torque, enquanto as maiores (3,8 cm cúbicos ou mais) têm tamanhos mais finos e mais torque. Um motor menor e mais leve faz com que o tamanho total do micromouse seja mais pequeno e mais leve. Alta resolu¸cão e alto torque de motor de passo pode ser directamente ligado a uma roda motriz. Esta abordagem simplifica o desenho mecânico, mas acrescenta mais peso e aumenta a dimensão global. No caso de motores de passo, é poss´ıvel aumentar o fornecimento de energia para os motores de modo que se possa usar uma pilha com uma tensão mais baixa. O princ´ıpio básico é o mesmo que o de um regulador de comuta¸cão de impulso. No entanto, porque o motor não necessita de uma tensão exacta, a maior parte do retorno e o controlo de um regulador de impulso podem ser omitidos (F.Farias and T.M.Raunheitte, 2013).

Um motor DC destina-se a trabalhar a partir de uma fonte de corrente cont´ınua, sendo que tensão é aplicada aos terminais do motor e este come¸ca a girar (Hall,2004). Um dos motores DC com codificador inclu´ıdo mais utilizados no desenvolvimento do robô para o Micromouse são os motores da Faulhaber. É um motor de 6 V com 14000 rpm sem carga e com o codificador cupulado (IE2-256) de 256 pulso por volta. A desvantagem deste tipo de motor com codificador é o pre¸co, cerca de 150 e por motor, tornado o pre¸co total do robô num valor elevado. Mas o desempenho de um motor DC, em rela¸cão ao de um motor passo-a-passo, é também muito superior. Também é poss´ıvel utilizar motores DC e associar codificadores sendo que os valores retirados desses codificadores não são muito exatos pois existem sempre erros. Em termos de electrónica de controlo estes motores requerem uma ponte H, PWM (de Pulse-width modulation) para controlar a tensão, e deste modo a velocidade, e

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de um processo de contar os pulsos do codificador QEI (de quadrature codificador interface). Para este último, um microcontrolador com um módulo de leitura QEI é o ideal. No entanto, também se pode utilizar dois temporizadores para o efeito (Valente, 2013a).

Ao compararmos estes motores sob o ponto de vista econ´omico escolhemos os motores DC sem codificadores que se podem encontrar, por exemplo, em brinquedos.

3.2.2 Sensores

Os sensores num micromouse servem para vários propósitos. O primeiro objectivo, independentemente do algoritmo de explora¸cão e abordagem, é garantir que o robô possa detectar erros. Nenhum robô é perfeito, nenhum labirinto é perfeito com a especifica¸cão. Os sensores detectam pequenos erros que o robô tem de corrigir, antes que esses erros se acumulem até um n´ıvel que não possam ser corrigidos. O segundo propósito é mapear o labirinto. Naturalmente, esta finalidade só faz sentido para os robôs inteligentes. Os sensores que podem detectar paredes ao longe minimizam o movimento do robô durante a fase de explora¸cão e economizam tempo (Gims et al.,

1999).

Quando o robô está em movimento no labirinto, as suas rodas vão escorregar e podem ter rota¸cões diferentes, pelo que nunca temos a certeza que o robô está a andar em linha recta. Para compensar esses erros que aparecem, usamos uma espécie de sistema de controlo de feedback, ou seja, controlar os movimentos baseando-se nos dados recebidos constantemente. O sistema de controlo que vamos utilizar é chamado de controlo proporcional.

A ideia subjacente é que controlo proporcional tem uma sa´ıda, neste caso, os motores, e uma entrada de retorno que são os sensores de infravermelhos, onde utilizamos os dados do feedback para alterar o valor de sa´ıda em fun¸cão do caminho que o robô tem de seguir. Aqui temos um exemplo onde o robô terá de ser ajustado para a esquerda.

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3.2. COMPONENTES DO ROB ˆO 19

Figura 3.2– Ajuste do robˆo `a esquerda.

Como podemos verificar na Figura 3.2, a sa´ıda do sensor de esquerda será menor do que a sa´ıda do sensor de direita, porque o sensor está mais afastado da parede. Com a diferen¸ca dos sensores da direita e da esquerda podemos ver qual é o erro, e assim, adicionando esse valor de erro na velocidade do motor da direita e, simultaneamente, subtrai-lo na velocidade do motor da esquerda faz com que o robô vire ligeiramente para a esquerda e assim se aproxime do centro da célula (Wang et al., 2008).

Figura 3.3– Ajuste do robˆo `a direita.

Aqui temos um exemplo onde o robô terá de ser ajustado para a direita. Os nossos sensores têm novamente valores diferentes, mas desta vez o sensor da direita terá o menor valor. Então, fazendo o mesmo cálculo da diferen¸ca entre os valores dos

(43)

sensores obtemos um valor negativo para o erro. Quando somamos esse valor á velocidade do motor direito e subtraimos a velocidade do motor esquerdo, o robô vai virar ligeiramente à direita reduzindo assim o erro e desloca o robô para o centro.

Figura 3.4 – Robˆo ajustado ao centro.

Na Figura 3.4 temos um exemplo onde o robô já está centrado com a célula. O valor da sa´ıda do sensor da direita será igual ao valor da sa´ıda do sensor da esquerda. Então, fazendo o mesmo cálculo dos exemplos anteriores obtemos uma resposta de valor 0. Neste caso a velocidade dos motores não é alterada visto o robô já estar no centro da célula (Eakins, 2008).

O sensor IR (de intensidade reflexiva) é o mais simples de todos os sensores de telemetria. É emitido para uma parede um feixe de IR, e um fototransistor recebe a intensidade da radia¸cão reflectida. Em teoria, a intensidade é o inverso do quadrado da distância. Na prática, este tipo de abordagem só é utilizável para aplica¸cões que tem uma distancia muito pequena. Um grande problema é que se o labirinto é pintado em vários tons de branco a calibra¸cão trona-se quase imposs´ıvel. Além disso, como os micromice competem em ambiente de ilumina¸cão normal, as lâmpadas também produzem IR o que pode interferir ficando o micromouse sem saber quais são os seus IR ou os das lâmpadas. Este tipo de sensores é do tipo mais antigo, e também o mais utilizado devido à sua simplicidade. Eles são propensos a problemas como a vibra¸cão do micromouse porque os sensores reflexivos são optimizados para a deteçcão de reflexão a uma certa distância. Os sensores reflectores podem ser

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3.3. ALGORITMOS DE PESQUISA 21

usados para detectar as paredes que não estão imediatamente em torno do robô. Ao maximizar a largura da frente de sensores, estes podem detectar paredes reflectoras frontais, que são perpendiculares à direçcão de movimento. São também muito ´

uteis na deteçcão de erros de rota¸cão, porque eles podem ser utilizados para alinhar a direçcão do robô durante uma curva. Mesmo que tenha ideias de utiliza¸cão de outros sensores muito melhores, é seguro garantir que o robô possa passar a usar este tipo de sensores no caso de as coisas não sa´ırem como o esperado (Mosa et al.,

2012).

Os sensores IR são os aconselhados para este tipo de robôs, pois é uma solu¸cão económica e de grande eficiência, precisando apenas de ligeiras calibra¸cões devido á luz que se fa¸ca sentir no labirinto e possa interferir no feixe de luz dos sensores.

3.3 Algoritmos de pesquisa

O objectivo do algoritmo de pesquisa é encontrar um caminho desde a origem até ao destino pretendido do labirinto, que no nosso caso é o centro do labirinto. A forma mais simples de resolver um labirinto é com o algoritmo aleatório, que anda sempre em frente no labirinto até encontrar uma parede. Embora existam muitos algoritmos diferentes os algoritmos mais utilizados para a resolu¸cão do labirinto são o Left Wall Follower, o Right Wall Follower, o Tremaux e o Flood Fill (Sharma,

2009).

3.3.1 Left Wall Follower e Right Wall Follower

O seguidor de parede é das regras mais conhecidas, também conhecida como a regra da mão esquerda ou direita. Se o labirinto é simplesmente conexo, isto é, todas as suas paredes estão ligadas entre si ou com limite exterior do labirinto, o algoritmo processa-se mantendo uma mão em contacto com uma das paredes do labirinto, onde o jogador está a garantir que não se perde e vai chegar ao centro caso haja uma liga¸cão da parede exterior ao centro. Caso contrário, vai voltar para

(45)

a entrada após percorrido os corredores do labirinto. Se as paredes estão ligadas, o micromouse pode ser enganado e fazer um loop ou c´ırculo, não chegando assim ao objectivo (Mishra and Bande, 2008).

3.3.2 Tremaux

O algoritmo Trémaux, inventada por Charles Trémaux (Snapp,2010), é um método eficiente para encontrar a sa´ıda de um labirinto que requer o desenho de linhas no chão para marcar um caminho e, é garantido que funcione para todos os labirintos que têm passagens bem definidas. Cada célula do caminho terá um estado de não visitado, marcado uma vez ou marcado duas vezes. Cada vez que um sentido é escolhido, é marcado pelo desenho de uma linha no chão. No in´ıcio é escolhida uma direçcão aleatória, caso haja mais do que um. Ao chegar a um cruzamento que não foi visto antes, ou seja sem marcas, escolhe-se uma direçcão aleatória marcando o caminho. Ao chegar a um cruzamento marcado e se o caminho actual é marcado apenas uma vez, de seguida, vira-se e caminha de volta marcando o caminho uma segunda vez. Se este não é o caso, escolhe a direçcão com o menor número de marcas. Quando finalmente chegar ao centro, os caminhos marcados exactamente uma vez vão indicar um caminho directo de volta para o in´ıcio. Se não houver sa´ıda, este método irá levá-lo de volta ao come¸co, sendo que neste caso, cada caminho estará marcado exactamente duas vezes, uma vez em cada direçcão (Snapp, 2010).

3.3.3 Flood Fill

A teoria básica do algoritmo Floodfill é simples. A distância de uma célula a partir de outra célula é simplesmente a distância horizontal entre as células. Naturalmente, esta distância não corresponde directamente ao tempo que o robô requer para se deslocar entre as células. No entanto, está perto o suficiente para dar um bom come¸co ao micromouse. Dada esta suposi¸cão básica, cada célula de destino tem o valor zero, porque cada uma está a zero de distância do destino. Todas as células vizinhas, não contando com as diagonais tem valores de 1, porque estas estão a

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uma célula de distância do destino. Da mesma forma, todas as células vizinhas das células de valor 1 tem valor 2, porque se trata de duas células de distância do destino. Note-se que o algoritmo de Floodfill apenas tenta atribuir um número a cada célula indicando a distância a partir do destino. O algoritmo não diz ao robô o que fazer a seguir mas, assim que descobrir a distância de cada célula ao destino, é trivial descobrir o que fazer. E se não sabemos toda a configura¸cão do labirinto? Isto não é um problema pois, se não explorou todas as células, simplesmente assumimos que não existe muro nas células. Isto significa que o algoritmo é ’ganancioso’, segue sempre o palpite mais optimista quando a informa¸cão é insuficiente. O robô vai procurar o caminho mais curto. A prova é bastante longa e complicada, mas a ideia básica é que se existir um caminho mais curto do que o caminho tomado, o robô teria explorado o caminho mais curto. Portanto, não é poss´ıvel para o robô à primeira encontrar um caminho mais longo. Esta afirma¸cão, no entanto, não garante que o robô vai encontrar o caminho mais curto na primeira passagem, isto porque o robô pode ser enganado para tomar ’caminhos curtos’, enquanto cada novo muro mapeado na verdade revela o caminho tomado não é o óptimo (cai et al.,2010).

3.4 Observa¸

c˜

oes finais

No Cap´ıtulo seguinte são descritos os componentes utilizados assim como os circuitos para o bom funcionamento do micromouse. Os motores DC e os sensores IR são os principais componentes para a movimenta¸cão e orienta¸cão do micromouse, sendo estes os componentes a usar no nosso micromouse. Podemos confirmar nos testes do capitulo 5 que o algoritmo que melhor serve na busca de uma boa resolu¸cão do labirinto é o Flood Fill podendo ainda ser rectificado em alguns aspectos como tra¸car o percurso na diagonal quando temos duas curvas consecutivas, isto é, uma para cada lado.

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(48)

4

Implementa¸c˜

ao do robˆ

o

Este trabalho está dividido em duas partes: A primeira consiste na implementa¸cão de todos os circuitos de controlo, assim como toda a parte mecânica do Micromouse. A segunda parte é a implementa¸cão de métodos de pesquisa para resolver o labirinto e assim dar vida ao micromouse.

4.1 Design electr´

onico

Todas as placas impressas foram projectadas usando o EAGLE (Araújo, 2005) e foram produzidas no laboratório de Circuitos Impressos na UTAD. Na placa mãe encontram-se os componentes essenciais que fazem o robô funcionar e nela está, entre outros, o PIC dsPIC33fj128MC804 da Microchip (Microchip, 2008), um LCD de um Nokia 1100, mosfet drivers MAX4427 da Maxim (Maxim, 1993), ULN2803A da Motorola (Motorola,2001), MOSFETs ZXMC3A16DN8 da Zetex (Zetex,2005), o integrado LP38690 (semiconductor, 2009), o integrado TSL 261 (Instruments,

1992) e se necessário mais tarde também podemos colocar uma memória FM24V10 (Ramtron, 2009).

(49)

26 CAPÍTULO 4. IMPLEMENTAÇ ÃO DO ROB Ô

Figura 4.1 – Constru¸c˜ao da board no eagle.

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4.2. DESIGN MEC ˆANICO 27

4.2 Design mecˆ

anico

O robô foi feito seguindo o regulamento que define os limites de concep¸cão do mesmo. O Micromouse tem um sistema de contagem do número de voltas que a roda efectua ao longo do seu percurso.

Podemos observar na Figura 1.1 o micromouse praticamente na sua fase final. A placa preta colocada na parte dianteira do robô não é apenas um elemento de estética, tem como objectivo impedir que exista perturba¸cões entre o emissor IR e o receptor IR, permitindo assim uma boa utiliza¸cão destes. Na parte traseira, do lado de cá da imagem existem dois botões de pressão, tendo estes a fun¸cão de start e reset. Do lado contrário estão dois conectores para que se possa ligar uma ou duas baterias como preferir. No centro da traseira estão dois conectores, um para a liga¸cão com o programador do PIC e outro para ligar o LCD. Foram aplicadas duas placas para a fixa¸cão do eixo, tendo presas nas extremidades do eixo as rodas através de rolamentos. Essas placas são feitas de alum´ınio e foram fixas na placa principal, sendo então furadas nos locais de interesse para a passagem do eixo, do tubo do codificador, do eixo do motor e também para fixar o motor. As rodas têm uma parte dentada para assim fazer a liga¸cão com os movimentos do motor e, por sua vez, rodar também o ´ıman que faz parte do codificador. As rodas foram revestidas de borrachas para que o atrito no labirinto seja maior e assim o micromouse possa ter menos erros com deslizes em curvas ou outros movimentos como o de correçcão de posi¸cão. A parte mecânica foi conseguida com a ajuda das oficinas de mecânica.

4.3 Design el´

ectrico

Um circuito muito popular para motores DC é chamado de ponte H representado na Figura 4.3. É chamado assim porque se parece com a letra maiúscula ’H’ em esquemas clássicos. A grande habilidade dum circuito de ponte H é que o motor pode ser controlado para a frente ou para trás a qualquer velocidade. Uma ponte H pode

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Figura 4.3 – Circuito de controlo dos motores.

ser implementada com vários tipos de componentes, por exemplo, com trans´ıstores bipolares comuns, trans´ıstores de FET ou trans´ıstores de MOSFET. São precisos quatro trans´ıstores para uma ponte H. Cada transistor forma um canto no ’H’, com o motor que é a barra no meio. À entrada de cada MOSFET driver MAX4427 da Maxim chega a informa¸cão para o controlo do motor, sendo que um sinal indica o PWM e outro indica a direçcão.

O Micromouse possui seis sensores, os quais estão colocados de maneira a cumprirem de forma optimizada a sua tarefa. No circuito emissor, Figura 4.4, são alimentados com a tensão da bateria para podermos ter uma maior potência. Todos eles funcionam por infravermelhos. Todos são colocados na parte frontal do micromouse, mas cada um tem uma direçcão especifica para assim detectar as paredes. Eles emitem um feixe de infravermelhos o qual reflecte no obstáculo, neste caso nas paredes, e retorna

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4.3. DESIGN EL´ECTRICO 29

Figura 4.4 – Circuito transmissor IR.

Figura 4.5 – Circuito receptor IR.

para o receptor, Figura 4.5, sendo que a atenua¸cão do sinal diz qual a distância a que o obstáculo se encontra. A distância será sempre uma fun¸cão da luz emitida versus sensibilidade do receptor. Como cada porta tem uma sa´ıda de 20mA é necessário ligar o emissor através de um driver,neste caso o ULN2803, e não directamente do microcontrolador. No caso dos receptores apresentados não é necessário nenhuma

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amplifica¸c˜ao extra pois estes j´a amplificam.

Figura 4.6 – Esquema de liga¸c˜oes ao Pic. Figura 4.7– Dspic33.

O PIC representado nas Figuras 4.6 e 4.7 pertence á fam´ılia dsPIC33FJ128MCX02/4, sendo constitu´ıdo por 44 pinos. É um circuito integrado produzido pela Microchip Technology Inc., que pertence à categoria dos microcontroladores, ou seja, um integrado que num único dispositivo contempla todos os circuitos necessários para realizar um completo sistema digital programável. Neste projecto são utilizados 40 dos 44 pinos descritos na Tabela 4.1, pinos estes com diferentes fun¸cões para controlar e comandar os diferentes métodos de actua¸cão de cada componente. Os PWM são utilizados no controlo dos motores. As portas PGC PGD e MCLR são utilizadas para a programa¸cão do PIC, ou seja, para fazer a liga¸cão com o programador. Os RPs são sa´ıdas de programa¸cão no PIC que se utilizam na grande parte dos componentes pois são portas que se podem programar.

No circuito de controlo de tensão da Figura 4.8 é utilizado um LP38690, assim como também é projectado um divisor de tensão. Circuitos estes que fazem com que a alimenta¸cão dos diversos componentes tenham um valor correcto para o bom funcionamento dos mesmos.

(54)

4.4. PROGRAMAC¸ ˜AO 31

Figura 4.8 – Esquema para controlar a tens˜ao.

A alimenta¸cão é feita através de uma bateria de Li-poly cell com 7.4V e 130mAH. Se preferirmos podemos utilizar duas baterias pois existem duas entradas para esse efeito, ligadas em paralelo.

4.4 Programa¸

c˜

ao

Foram realizados v´arios testes descritos no Cap´ıtulo seguinte para a escolha do melhor algoritmo para implementar no micromouse.

4.5 Observa¸

c˜

oes finais

Toda a parte f´ısica do robô está presente neste capitulo. Existe já uma evolu¸cão a este robô, nomeadamente o novo micromouse Grigora onde existem algumas altera¸cões em rela¸cão, por exemplo, aos motores e ao número de sensores. No capitulo seguinte são realizados os testes com algoritmos.

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Portas Pinagem identificador

SDA1/RB9 1 SDA PWM2H1/RC6 2 INBE PWM2L1/RC7 3 INAE RP24(1)/RC8 4 SCLK RP25(1)/RC9 5 SDI VSS 6 GND VCAP/VDDCORE 7 VCC RP10(1)/RB10 8 AD RP11(1)/RB11 9 BD RP12(1)/RB12 10 ID RP13(1)/RB13 11 – RA10 12 XRES RA7 13 XCS PWM1H1/RB14 14 INAD PWM1L1/RB15 15 INBD AVSS 16 AGND AVDD 17 AVCC MCLR 18 MCLR AN0/RA0 19 ADC1 AN1/RA1 20 ADC2 AN2/RB0 21 ADC3 AN3/RB1 22 ADC4 AN4/RB2 23 ADC5 AN5/RB3 24 ADC6 AN6/RC0 25 ADC7 AN7/RC1 26 – RP18(1)/RC2 27 – VDD 28 VCC VSS 29 GND RA2 30 OPT1 RA3 31 OPT2 RA8 32 – RB4 33 LEDD RA4 34 LEDC RA9 35 LEDE RP19(1)/RC3 36 IE RP20(1)/RC4 37 BE RP21(1)/RC5 38 AE VSS 39 GND VDD 40 VCC PGD3/RB5 41 PGD PGC3/RB6 42 PGC RB7 43 START SCL1/RB8 44 SCL

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5

Testes e resultados

No âmbito do presente trabalho foram realizados testes em vários labirintos distintos com os quatro métodos descritos no Cap´ıtulo 4. Os testes são realizados em seis labirintos com caracter´ısticas diferentes, onde apenas se alteram paredes do interior do labirinto, sendo que os algoritmos são testados em iguais condi¸cões onde para cada labirinto é usada a mesma casa de partida assim como as condi¸cões do labirinto previstas no regulamento do concurso. Os algoritmos testados são os descritos no Cap´ıtulo 3, ou seja, foi considerado o método Left Wall Follower como método 1, Right Wall Follower como método 2, Tremaux como método 3 e finalmente Flood Fill como método 4. Os testes foram realizados num simulador ”MicroMouse-r194” (solver, 2013). Os labirintos utilizados são os já existentes no programa oferecendo estes a possibilidade de serem alterados. A nossa escolha dos testes foram seis labirintos que com diferentes configura¸cões que pensamos serem relevantes por essas mesmas diferen¸cas que têm, para que estejamos preparados a explorar qualquer labirinto.

Os testes apresentados mostram os resultados que o micromouse obtém após a fase de negocia¸cão do labirinto e cálculo do caminho curto. O micromouse faz o reconhecimento do labirinto não só enquanto procura o seu centro mas também quando faz o caminho de retorno para a célula inicial. Dessa forma, um algoritmo

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34 CAP´ITULO 5. TESTES E RESULTADOS

que obtenha vários caminhos para o centro vai escolher o menor entre eles, podendo este por vezes não ser o mais rápido. Analisando as imagens dos testes, as partes que aparecem a escuro significam que o robô desconhece essas células, pois não passou por lá. Os tra¸cos de cor azul significam o primeiro caminho encontrado para o centro do labirinto e o vermelho significa o caminho mais curto para o centro do labirinto determinado pelo algoritmo. Nas tabelas podemos comparar os diferentes desempenhos dos algoritmos em cada labirinto constitu´ıdo por 256 células onde as quatro células centrais constituem o objectivo do labirinto. Foram realizados testes idênticos a estes em matlab, num programa elaborado pelo Prof. António Valente com a ajuda dos alunos de robótica, sendo os resultados coerentes com estes.

5.1 Teste labirinto 1

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5.1. TESTE LABIRINTO 1 35

Figura 5.3 – Tremaux 1. Figura 5.4 – Flood Fill 1.

Left Wall F. right Wall F. Tremaux Flood Fill

Total c´elulas exploradas 200 200 256 208

Caminho encontrado N/A N/A 378 140

Curvas Caminho encontrado N/A N/A 160 42

Melhor caminho N/A N/A 378 84

Curvas melhor caminho N/A N/A 160 28

Tabela 5.1– Tabela resultados teste 1.

O labirinto do teste 1 tem como caracter´ıstica não ter nenhuma parede que una o centro a uma das paredes da extremidade do labirinto. Além disso, existem poucos caminhos alternativos de forma que o robô tem poucas op¸cões de caminho. Como podemos verificar com os métodos 1 e 2 o robô não chega a conhecer um caminho para o centro do labirinto mesmo tendo explorado 200 das 256 células do labirinto. Isto acontece devido à falta da parede que une o centro à parede exterior fazendo com que o robô fa¸ca o seu percurso em torno do centro. Nos métodos 3 e 4 o objectivo é alcan¸cado. A diferen¸ca é que no método 3 tanto o caminho encontrado na primeira explora¸cão como o de retorno são consideravelmente mais longos que no método 4, que numa primeira fase, obtém um percurso com 140 células mas encontra um caminho com 84 células para este labirinto.

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5.2 Teste labirinto 2

Figura 5.5– Left Wall Follower 2. Figura 5.6 – Right Wall Follower 2.

Para o teste 2 foi escolhido um labirinto apenas com a parede na casa de partida, como exigido no concurso, e a delimitar o centro do labirinto. Ainda que aparente

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maior facilidade, tal como no teste anterior com os métodos 1 e 2 o robô não chega a conhecer um caminho para o centro do labirinto pois anda sempre em c´ırculo. Nos métodos 3 e 4 o objectivo é alcan¸cado sendo claramente percept´ıvel ser o caminho do método 3 é uma solu¸cão mas não em termos de caminho mais curto ou rápido. O facto do método 3 ter este caminho tão longo deve-se ao seu método de pesquisa que é baseado no método 2 e, ao optar virar sempre à esquerda não vai ter a percep¸cão de que não existem paredes, percorrendo o labirinto em forma de espiral até ao centro.

5.3 Teste labirinto 3

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Tabela 5.3 – Tabela resultados teste 3.

O labirinto usado para o teste 3 tem caracter´ısticas idênticas ao do teste 1 só que este tem caminhos mais curtos o que obriga o robô a fazer mais curvas. Como podemos verificar com os métodos 1 e 2 o robô não chega a conhecer uma rota para o centro do labirinto fazendo o percurso todo à volta do mesmo. Nos métodos 3 e 4 o objectivo é alcan¸cado com a diferen¸ca de no método 3 serem calculados os vários caminhos poss´ıveis enquanto que no método 4 é calculado o caminho mais curto, que nem sempre poderá ser o mais rápido.

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5.4 Teste labirinto 4

Figura 5.13 – Left Wall Follower 4. Figura 5.14 – Right Wall Follower 4.

Neste teste n´umero 4 o labirinto tem a particularidade de ter uma parede que une o centro do labirinto a uma das paredes exteriores. Devido a esse facto os m´etodos

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Caminho encontrado 134 152 152 138

Curvas Caminho encontrado 68 94 94 58

Melhor caminho 134 152 152 92

Curvas melhor caminho 68 94 94 50

Tabela 5.4 – Tabela resultados teste 4.

1 e 2 conseguem chegar até ao centro do labirinto visto essa parede não deixar que se fa¸ca o percurso em volta como nos primeiros testes. Mesmo assim o método 4 continua a ser o método com o caminho mais curto, embora tendo partes do labirinto desconhecidas estas não são necessárias para o melhor percurso.

5.5 Teste labirinto 5

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O labirinto do teste 5 é idêntico ao anterior com a diferen¸ca de ter o canto superior esquerdo como caminho obrigatório para todos os algoritmos. Apesar disso, e olhando mais uma vez para os resultados obtidos, o método 4 mesmo sem precisar de explorar mais de metade do labirinto encontra o caminho mais curto.

(65)

5.6 Teste labirinto 6

Figura 5.21 – Left Wall Follower 6. Figura 5.22 – Right Wall Follower 6.

Para o ultimo teste foi escolhido o labirinto com todas as entradas do centro abertas e com a parede desde o exterior at´e ao centro. Pelo facto de existir essa parede foi

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poss´ıvel a todos os métodos encontrarem um caminho. No entanto podemos mais uma vez verificar que o método 4 é o vencedor mesmo este desconhecendo grande parte do labirinto. Com apenas 69 células exploradas o método 4 consegue encontrar o caminho mais curto com 41 células enquanto que no segundo lugar o método 1 precisa de 71 células para percorrer o seu caminho mais curto

5.7 Observa¸

c˜

oes finais

Com base nos testes realizados e considerando que as diferen¸cas entre os labirintos serão suficientes para representar qualquer tipo de labirinto podemos evidenciar que os algoritmos Left Wall Follower e o Right Wall Follower têm o problema de ficar a fazer c´ırculos em torno do centro se o labirinto não estiver ligado com uma parede desde o centro até uma parede exterior. Quanto ao algoritmo Tremaux conclu´ımos que seja qual for a caracter´ıstica do labirinto este acaba por chegar ao seu objectivo. É um algoritmo que explora todas as células acess´ıveis no labirinto e por isso poderá ter problemas com o tempo de explora¸cão do labirinto pois este é limitado. Além disso, como uma das bases deste algoritmo é o Left Wall Follower acaba por encontrar um caminho que terá sempre um percurso mais longo pois ao seguir as paredes vai ter tendência a fugir sempre para as paredes exteriores. Por fim, como vencedor de todos os testes, o algoritmo escolhido para a implementa¸cão no nosso micromouse é o Flood Fill. Este é o algoritmo que consegue resolver todos os labirintos, mesmo sem a necessidade de explorar todas as células do mesmo. Isto ajuda a que seja poss´ıvel realizar mais explora¸cões e testar o caminho mais curto.

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6

Conclus˜

ao e trabalho futuro

6.1 S´ıntese conclusiva

Esta disserta¸cão está estruturada em seis Cap´ıtulos, sendo que no Cap´ıtulo 1 se faz o enquadramento do trabalho, apresentando-se também a motiva¸cão e os principais objectivos do trabalho.

A primeira parte do Cap´ıtulo 2 consiste numa resenha histórica sobre o concurso Micromouse, onde é descrita a evolu¸cão da competi¸cão Micromouse ao longo dos anos. Na segunda parte, faz-se o levantamento das regras que são aplicadas ao concurso, sendo que as regras em rela¸cão aos participantes podem ser alteradas a cada concurso.

A discussão de alguns dos métodos que se podem utilizar na programa¸cão assim como das diversos componentes foram apresentados no Cap´ıtulo 3. O layout dos circuitos para o processo de fabrico do micromouse foram descritos no Cap´ıtulo 4, assim como os componentes presentes no micromouse bem como a rela¸cão entre essas mesmas componentes.

No Cap´ıtulo 5 encontram-se os testes realizados e os resultados obtidos em simula¸c˜oes 45

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46 CAP´ITULO 6. CONCLUS ˜AO E TRABALHO FUTURO

que permitam avaliar o desempenho do robˆo.

No presente capitulo, ´e feita uma discuss˜ao dos resultados obtidos e apresentam-se algumas perspectivas de trabalho futuro.

6.2 Avalia¸

c˜

ao e principais conclus˜

oes

A escolha dos motores com os codificadores separados talvez não tivesse sido a melhor escolha, pois como são separados existe sempre alguma varia¸cão da sua posi¸cão exacta a cada ensaio que se realiza visto o custo de um motor já com codificadores ser muito elevado torna-se mais económica a solu¸cão adoptada mesmo sabendo que não existe tanta precisão. Já numa fase posterior os motores com codificador poderão vir a ser adquiridos. Toda a parte f´ısica do trabalho foi realizada e posteriormente alterada por alunos de robótica para o actual Grigora, sendo neste montados esses motores que facilitam a obten¸cão da posi¸cão exacta do micromouse. A escolha do método a adoptar face aos resultados obtidos nos vários testes é o Flood Fill pois como verificado no Capitulo 5 foi o que obteve melhor desempenho e nos dá mais confian¸ca para um bom resultado, resultado satisfatório face ao primeiro lugar alcan¸cado no Micromouse Portuguese Contest.

Em termos didácticos este trabalho enriqueceu o conhecimento sobre robótica assim como sobre os algoritmos de pesquisa estudados tendo também contribu´ıdo para visitas a escolas secundárias e profissionais no sentido de sensibilizar os mais novos para os cursos de robótica despertando assim o interesse deles na área.

Poss´ıveis melhoramentos

Alguns dos melhoramentos a fazer no micromouse foram já implementados na versão do Grigora, tendo esta versão verificado melhores resultados. Uma das altera¸cões foi a inclusão dos motores já com codificador que ajudaram num melhor controlo da posi¸cão do robô. Outra altera¸cão foi a redu¸cão para quatro sensores em vez dos seis, pois conseguem obter os dados necessários com um menor consumo de

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6.3. PERSPECTIVAS PARA TRABALHO FUTURO 47

energia. É conveniente alterar o tipo de borracha dos pneus para que o micromouse tenha mais aderência principalmente nas curvas. Outros melhoramentos a dar a uma nova versão passará pelo algoritmo de pesquisa que poderá ser mais eficiente na descoberta do caminho mais curso e rápido.

6.3 Perspectivas para trabalho futuro

Futuramente, para além dos testes realizados em ambientes simulados existe todo um interesse em construir outro micromouse, já com algumas das altera¸cões realizadas no Grigora como a altera¸cão dos motores e adaptar o algoritmo aos imprevistos do ambiente real. O desempenho do grigora no concurso foi satisfatório embora tenha limita¸cões principalmente na velocidade para não derrapar e embater numa parede. Participar em concursos com outras universidades. Pretende-se desenvolver um Kit para as escolas com base neste robô, sendo já uma evolu¸cão do Grigora com motores Nema 8 e processador Andruino leonardo para programar em Blockly. Pretende-se também a realiza¸cão de workshops para que possam pôr em pratica esse Kit.

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48 CAP´ITULO 6. CONCLUS ˜AO E TRABALHO FUTURO

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