EnRI III Encontro de Robótica Inteligente l
14 a 20 de julho de 2006
Campo Grande, MS
Anais do XXVI Congresso da SBC
Estrat´egia para o Controle dos Robˆos EyeBot do UFSC-Team:
Categoria Small Size do Futebol de Robˆos
Fl´avio de Almeida e Silva2 ∗, Dˆenis Schneider Strassmann3,
Jo˜ao Gabriel Fadel da Costa1, Rodolfo Gondim L´ossio1,
Guilherme Bittencourt1,2, Mauro Roisenberg3 1Departamento de Automac¸˜ao e Sistemas (DAS)
Universidade Federal de Santa (UFSC) Catarina
Campus Universit´ario Trindade - CEP: 88040-900 - Florian´opolis, SC.
2Programa de P´os-Graduac¸˜ao em Engenharia El´etrica (PPGEEL)
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
Campus Universit´ario Trindade - CEP: 88040-900 - Florian´opolis, SC.
3Departamento de Inform´atica e Estat´ıstica (INE)
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
Campus Universit´ario Trindade - CEP: 88040-900 - Florian´opolis, SC
{flavioas, joaogab, lossio, gb}@das.ufsc.br {denisss, mauro}@inf.ufsc.br
Abstract. This paper describes the adopted strategy of the UFSC-Team small size category robot soccer robots. The team is composed by EyeBot robots that are provided with an onboard color vision system. With the aim of improving the robot autonomy during the games, we adopted an embedded strategy based on Brooks’ subsumption architecture and bidirectional communication. In this way, the robots behavior is practically independent of the coach that only takes control in game begining and ending situations.
Resumo. Este artigo descreve a estrat´egia adotada para o time de futebol de robˆos UFSC-Team, na categoria small size. O time ´e composto por robˆos EyeBot que disp˜oem de um sistema de vis˜ao colorida embarcado. Visando uma maior autonomia do robˆos durante as partidas, adotou-se uma estrat´egia de controle embarcada baseada na arquitetura de subsunc¸˜ao de Brooks e comunicac¸˜ao bi-direcional. Deste modo, o comportamento dos robˆos torna-se praticamente in-dependente em relac¸˜ao ao t´ecnico, que assume o controle apenas em situac¸˜oes de parada e in´ıcio de jogo.
1. Introduc¸˜ao
Atualmente ´e comum encontrar pesquisas e aplicac¸˜oes rob´oticas em ´areas diversificadas onde robˆos s˜ao elaborados para trabalharem em locais in´ospitos, locais de dif´ıcil acesso a humanos, em tarefas repetitivas e estressantes, etc. Alguns exemplos destas tarefas desempenhadas por robˆos s˜ao: penetrar em lugares hostis a procura de sobreviventes em algum tipo de trag´edia, robˆos programados para encontrar e desarmar minas terrestres e at´e mesmo minas no fundo de rios ou mares [Murphy 2000].
Buscando tornar os robˆos cada vez mais autˆonomos e aptos para os trabalhos descritos anteriormente, s˜ao lanc¸ados desafios e um exemplo ´e o The DARPA Grand Challenge [Challenge 2006], o qual imp˜oe a carros rob´oticos a tarefa de percorrer um trecho de 250Km desviando de obst´aculos, passando por estradas estreitas de terra e com pedras nas laterais.
Dentro destes desafios encontra-se tamb´em o futebol de robˆos, que ´e um problema caracter´ıstico da rob´otica m´ovel, uma vez que robˆos devem ser capazes de vagar por um ambiente limitado (campo de futebol) por´em dinˆamico, tentando manter a bola em seu poder para lev´a-la at´e o gol advers´ario. Durante este percurso ele tamb´em dever´a evitar os obst´aculos (advers´arios, paredes e at´e companheiros) como tamb´em n˜ao permitir que o advers´ario tire a bola de seu poder para tentar marcar o gol.
Os problemas a serem tratados no futebol de robˆos envolvem cooperac¸˜ao, vis˜ao computacional e t´ecnicas de implementac¸˜ao que tendem `a tomada de decis˜ao em tempo real. Isto remete `a tentativa de construir times de futebol que sejam totalmente autˆonomos. A diferenc¸a entre as equipes que dependem do computador (t´ecnico) durante a partida e aquelas que n˜ao dependem (totalmente autˆonomo) reside no fato de que todos os compor-tamentos apresentados pelos robˆos s˜ao programados e enviados pelo t´ecnico. No caso das equipes sem o t´ecnico, os comportamentos s˜ao implementados diretamente nos robˆos e a cada momento um comportamento pode emergir sem que haja uma interferˆencia externa. Equipes que utilizam robˆos semi-autˆonomos tˆem no t´ecnico sua principal fonte de estrat´egia [Schwartz et al. 2003, Costa et al. 1999]. Este t´ecnico proporciona uma inter-ferˆencia nos robˆos em suas tarefas e a interinter-ferˆencia humana ´e permitida em determinadas situac¸˜oes dentro da partida. Esta interferˆencia n˜ao ser´a diferente no caso dos robˆos total-mente autˆonomos, pois na situac¸˜ao de gol, falta ou pˆenalti um humano ir´a reposicionar os robˆos.
Tanto nos robˆos semi-autˆonomos como nos totalmente autˆonomos uma estrat´egia tem que ser definida. Esta estrat´egia compreende desde o posicionamento dos robˆos du-rante a partida at´e a maneira de conduc¸˜ao da bola, definic¸˜ao da melhor posic¸˜ao para o chute a gol, etc.
Neste artigo s˜ao descritas as principais caracter´ısticas do time de futebol de robˆos da UFSC, o UFSC-Team, na categoria Small Size (F180). Ser˜ao abordados os aspectos f´ısicos (hardware), mostrando as descric¸˜oes dos robˆos, e l´ogicos (software), descric¸˜ao da
arquitetura de controle respons´avel pela estrat´egia.
Este artigo est´a organizado da seguinte forma: na sec¸˜ao 2 ´e descrita a arquitetura dos robˆos EyeBot. Na sec¸˜ao 3 a arquitetura da estrat´egia adotada ´e descrita em detalhes e a sec¸˜ao 4 apresenta a conclus˜ao deste trabalho.
2. Arquitetura dos Robˆos EyeBot
Os robˆos EyeBot fazem parte do projeto UFSC-Team, um dos projetos do Grupo de Pes-quisa em Rob´otica Inteligente - GPRI, do Departamento de Automac¸˜ao e Sistemas (DAS) ligado ao programa de P´os-graduac¸˜ao em Engenharia El´etrica (PPGEEL) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). O projeto ´e em cooperac¸˜ao com o Departamento de Inform´atica e Estat´ıstica (INE).
Os Robˆos SoccerBot Plus (EyeBot), figura 1, foram adquiridos em setembro de 2000, junto a Universidade Western da Austr´alia que desenvolveu os robˆos em parceria com universidades Europ´eias e Americanas. O projeto disp˜oe de 3 (trˆes) robˆos utilizados em pesquisas e destinados a competic¸˜oes de futebol. Eles s˜ao equipados com os seguin-tes dispositivos: microcontrolador MC68332 Motorola de 32 bits, display de LCD para gr´aficos de baixa resoluc¸˜ao, 1 Mb de mem´oria RAM, 512 Kb de mem´oria Flash-ROM, portas de comunicac¸˜ao paralelas e seriais, sa´ıdas anal´ogicas e digitais.
Figura 1. Rob ˆos EyeBot
Al´em do controlador os robˆos tamb´em possuem dois motores de passo, dois servos motores, trˆes sensores de proximidade infra-vermelho, dois encoders acoplados a cada uma das rodas, uma bateria recarreg´avel, uma cˆamera colorida de 24 bit com resoluc¸˜ao de 80X60 pixels e R´adio Enlace com velocidade 9.6 Kb/s, freq¨uˆencia 433 MHz, protocolo de tolerˆancia a falta e configurac¸˜ao autom´atica da rede. Os robˆos ainda possuem um mecanismo de chute na parte frontal.
O sistema operacional (Robios) ´e de tempo real com facilidades para programac¸˜ao concorrente atrav´es de threads e ´e respons´avel pelo gerenciamento de todos os dispositi-vos do robˆo, tais como cˆamera, sensores e atuadores.
O Robios possui uma API (Interface de Programac¸˜ao de Aplicativos) rica em fun-cionalidades, o que favorece bastante o desenvolvimento de programas para estes robˆos. A API possui rotinas para o processamento das imagens capturadas pela cˆamera embarcada. A desvantagem do sistema operacional ´e que seu c´odigo n˜ao ´e aberto, o que impossibilita uma melhoria ou adic¸˜ao de novas rotinas em sua API.
3. Arquitetura da Estrat´egia Adotada
Montar uma estrat´egia embarcada eficaz envolve, por exemplo, analisar desde a capaci-dade do hardware at´e o algoritmo que ser´a implementado, avaliando portanto se este vai consumir muita mem´oria. No caso dos robˆos EyeBot a an´alise do hardware (ver sec¸˜ao 2) e do software permitiu optar pela implementac¸˜ao de comportamentos [Arkin 1998], levando-se em considerac¸˜ao a facilidade de definic¸˜ao do comportamento a ser adotado, a velocidade na execuc¸˜ao deste comportamento e uma melhor utilizac¸˜ao dos recursos dispon´ıveis no robˆo, como API, servo motores, etc.
Uma estrat´egia muito complexa pode tornar lenta a resposta a uma dada situac¸˜ao dentro de uma partida. Uma estrat´egia muito simples pode n˜ao ser t˜ao eficiente. Ent˜ao, a id´eia ´e construir uma estrat´egia que alie comportamentos simples com uma certa coordenac¸˜ao, como mostra a figura 2.
Módulo de Controle Externo (Técnico) Rádio Módulo de Comunicação Robô Eyebot Atuadores Sensores Câmera Módulo Central Arquitetura de Controle Tratamento de Imagem
Figura 2. Arquitetura de Controle
Visando aumentar a autonomia dos robˆos, tornando-os mais independentes do t´ecnico, o que provoca uma diminuic¸˜ao no tr´afego de informac¸˜oes via r´adio, optou-se por criar uma arquitetura de controle totalmente embarcada. Nesta arquitetura o m´odulo mais importante ´e o M´odulo Central, que cont´em a arquitetura de controle por subsunc¸˜ao e o algoritmo de tratamento de imagem, cuja func¸˜ao ´e a diferenciac¸˜ao entre cores. A arquitetura de Subsunc¸˜ao (subsumption Architecture), proposta inicialmente por Rodney Brooks [Brooks 1990], consiste em uma hierarquia de comportamentos com diferentes prioridades.
Nesta arquitetura os comportamentos b´asicos s˜ao, por exemplo, Procurar a bola e desviar de obst´aculos (Advers´arios, paredes e at´e mesmo os companheiros). Os com-portamentos mais complexos s˜ao carregar a bola em direc¸˜ao ao gol advers´ario, chutar a bola tentando jog´a-la para longe do seu pr´oprio gol e chutar a bola em direc¸˜ao ao gol do advers´ario.
3.1. Comportamentos dos Jogadores Exceto o Goleiro
A hierarquia de comportamentos ´e definida em func¸˜ao das metas a serem atingidas du-rante a partida. Deste modo, o comportamento de maior prioridade dentro desta hierarquia ´e “Fazer Gol”, como mostra a figura 3. Este comportamento inibe todos os demais e passa a ter o controle dos atuadores sempre que robˆo que det´em a posse da bola se aproxima do gol advers´ario n˜ao tendo entre ele e o gol qualquer obst´aculo a n˜ao ser o goleiro, caso contr´ario outro comportamento ter´a prioridade no controle. Quando este comportamento ´e ativado, uma mensagem ´e enviada aos companheiros para que guardem suas posic¸˜oes e desliguem seus motores tentando diminuir o gasto de energia da bateria.
Desviar Procurar Bola Carregar Bola Chutar Bola Fazer Gol Sensores, Câmera e Rádio Atuadores Inibe Saídas
Figura 3. Arquitetura de Subsunc¸ ˜ao
O comportamento “Chutar Bola” tem prioridade em dois casos. O primeiro caso ´e quando o robˆo det´em a posse da bola e est´a em uma das sequintes situac¸˜oes: pr´oximo ao seu pr´oprio gol, sem detectar o gol advers´ario, com advers´arios nas proximidades, ou com os trˆes sensores ativados. O segundo caso ´e quando a bola est´a em posse do advers´ario e o objetivo passa a ser tirar a bola do advers´ario atrav´es de um chute ou prensando a bola entre eles.
O comportamento “Carregar Bola” emerge quando o robˆo que det´em a posse da bola n˜ao detecta o gol advers´ario e n˜ao detecta advers´arios na sua proximidade principal-mente na parte frontal, com isto ele tenta chegar o mais pr´oximo poss´ıvel do gol advers´ario para fazer o gol.
O comportamento “desviar” tem como objetivo desviar de paredes, de compa-nheiros e de advers´arios. Sendo um comportamento de baixa prioridade ´e inibido pelos comportamentos anteriormente explicados. Por exemplo, quando o robˆo est´a com a bola
em frente ao gol advers´ario e o goleiro ou qualquer outro jogador entra no raio de detecc¸˜ao dos sensores, o que provocaria a ativac¸˜ao do comportamento desviar, isto n˜ao acontece, pois neste caso o comportamento a ser ativado ´e chutar a bola em gol, pois a prioridade do comportamento “Fazer Gol” ´e maior.
Situac¸˜oes em que nenhum dos jogadores esteja com a bola ou ela esteja em posse dos advers´arios, o comportamento “Procurar Bola”, que ´e o mais simples, emerge fazendo os robˆos girarem 90oe 360oem seu pr´oprio eixo, mas em velocidade baixa. Por exemplo,
se o robˆo n˜ao detecta a bola ele gira 90o para a sua esquerda, caso n˜ao encontre a bola
ele permanece em giro, dando 360o, at´e que a bola seja detectada. A partir do momento
em que um deles encontra a bola e ela esteja nas suas proximidades, ele vai ao encontro dela. Quando a bola estiver em posse dos advers´arios o robˆo vai ao encontro do advers´ario tentando tir´a-la dele (este caso foi explicado na definic¸˜ao do comportamento Chutar Bola). Um grande problema para a estrat´egia embarcada ´e o posicionamento do robˆo em campo, pois os recursos da cˆamera s˜ao limitados apenas para definic¸˜ao das cores capturadas por ela e n˜ao um tratamento da imagem capturada. A falta de tratamento efetivo da imagem capturada leva o robˆo a n˜ao ter condic¸˜oes de definir onde se encontra dentro do campo, gerando uma dificuldade adicional na estrat´egia adotada e isto tem que ser contornado de outra forma. Uma delas ´e n˜ao considerar o local onde est´a e apenas verificar se est´a ou n˜ao com a bola e de frente para o campo advers´ario. Sendo isto verdadeiro o robˆo chuta a bola.
3.2. Comportamentos do Goleiro
A estrat´egia adotada tem que diferenciar os comportamentos do goleiro dos demais. Neste caso o goleiro tem apenas 3 (trˆes) comportamentos, como mostra a figura 4. Mesmo fazendo o papel de t´ecnico, o goleiro n˜ao determina as jogadas que ser˜ao executadas pelos outros jogadores. Seu papel como t´ecnico ´e apenas chamar os seus companheiros quando um advers´ario com a bola ou ela sozinha se aproxima do gol.
Chamar Companheiros Seguir Trajetória Tirar Bola Sensores e Câmera Inibe Saídas Atuadores
3.2.1. Comportamentos
1. Chamar outros jogadores para a defesa: este comportamento emerge quando al-gum advers´ario com a bola entra no raio de detecc¸˜ao da cˆamera do goleiro. Ele envia uma mensagem para os companheiros para que eles retornem `a defesa, ten-tando dificultar a aproximac¸˜ao do advers´ario.
2. Seguir a trajet´oria da bola: quando a bola est´a no raio de detecc¸˜ao da cˆamera, sozinha ou em poder de um advers´ario e vindo em direc¸˜ao ao gol. O goleiro segue a trajet´oria atrav´es do c´alculo do ˆangulo em que a bola est´a sendo detectada pela cˆamera.
3. Tirar a bola da ´Area: esta situac¸˜ao ´e cr´ıtica, pois a bola j´a est´a dentro da ´area e pr´oxima ao goleiro e ele tem que fazer algum movimento para tir´a-la de l´a. O movimento ´e dif´ıcil pois o chute s´o ´e poss´ıvel se o robˆo estiver de frente para a bola, por´em o goleiro sempre estar´a de lado para o campo, conseq¨uentemente de lado para a bola.
Como pode ser visto na figura 1 a configurac¸˜ao das rodas n˜ao permite que o robˆo ande na diagonal ou de lado, isto impossibilita o goleiro de ficar de frente para o campo. Ent˜ao, colocou-se o goleiro de lado e com a cˆamera virada para o campo. Isto tem por finalidade percorrer a extens˜ao do gol e tentar evitar que a bola entre no gol. A figura 5 mostra como fica o goleiro em campo.
Figura 5. Posicionamento do Goleiro 3.3. Controle Central - T´ecnico
Este controle n˜ao exerce influˆencia nas decis˜oes dos robˆos durante a partida a n˜ao ser quando esta estiver sendo iniciada ou reiniciada (in´ıcio de partida, gol, pˆenalti, faltas e fim de partida). Nele est˜ao apenas comandos de parada (no caso de acontecer um gol, faltas, etc), comandos de in´ıcio (iniciar ou reiniciar a partida) e comando de cobrar penalidades (cobrar faltas e pˆenaltis).
3.4. Sistema de Detecc¸˜ao de Cores
Para a detecc¸˜ao da bola, paredes, companheiros, advers´arios e gols, um algoritmo foi implementado para diferenciar entre as cores destes objetos. Isto significa que para o
robˆo a cor branca s˜ao paredes e a cor azul ou amarela ´e a cor que identifica o time. Por´em se a cor dos gols forem as mesmas (azul e amarelo), a diferenciac¸˜ao entre companheiro e gol ser´a a segunda cor presente no companheiro, pois estes estar˜ao com suas cores nas laterais assim como na parte superior.
Fazer esta identificac¸˜ao por cores e em cˆamera embarcada ´e um problema, pois podem ocorrer situac¸˜oes em que a bola passe muito r´apida pela cˆamera provocando uma detecc¸˜ao (por exemplo, robˆo parado e a bola passa na sua frente indo de um lado para outro), mas o comportamento n˜ao emerge. Neste tipo de situac¸˜ao o comportamento “car-regar a bola” ou “chutar bola” pode n˜ao emergir, uma vez que devido a rapidez com que a bola passou no campo de vis˜ao da cˆamera, ela tenha entrado e saido do campo sem que um comportamento fosse iniciado, em resumo, em frac¸˜oes de segundo a bola foi e deixou de ser detectada.
Este n˜ao ´e o ´unico problema encontrado, pois a variac¸˜ao de luminosidade e som-bras podem atrapalhar a leitura da cor e fazer emergir comportamentos inadequados para o momento.
3.5. Sistema de Comunicac¸˜ao
Para contornar algumas deficiˆencias pela falta de uma cˆamera suspensa a comunicac¸˜ao ´e feita de forma bidirecional para que aja uma cooperac¸˜ao entre os robˆos [Pellier and Fiorino 2005, Howard and Kitchen 1999]. Todos os robˆos recebem e enviam informac¸˜oes para seus companheiros. Isto ajuda em situac¸˜oes como posicionar-se na de-fesa ou desligar os motores e cˆamera, pois o jogador que identifica a bola informa esta situac¸˜ao aos outros. Caso a bola seja detectada em poder do advers´ario, o goleiro passa esta informac¸˜ao aos outros, chamando-os para a defesa. Nesta estrat´egia o goleiro ´e pec¸a importante, pois a definic¸˜ao de alguns comportamentos se concentra nele. Ele far´a uma parte do papel do t´ecnico.
O m´odulo de comunicac¸˜ao ´e respons´avel por montar um frame de dados que ser´a enviado para e pelos robˆos jogadores. Esse frame ´e formatado de acordo com o protocolo de comunicac¸˜ao. Cada frame ´e dividido em 5 partes: Inicio, destino, origem, mensagem, resumo. O inicio ´e um c´odigo compartilhado pelo time para identificar se a transmiss˜ao pertence ao pr´oprio time, os campos destino e origem contˆem a identificac¸˜ao dos joga-dores que est˜ao dialogando, onde o destino pode ser em broadcast para informar que todos os jogadores do time dever˜ao prestar atenc¸˜ao `a comunicac¸˜ao. O campo mensagem ´e respons´avel por identificar que tipo de informac¸˜ao est´a sendo trocada pelos robˆos. E o resumo ´e um c´odigo para a verificac¸˜ao da integridade da mensagem nas pontas receptoras da comunicac¸˜ao.
O protocolo ´e baseado num paradigma de envio e resposta, para cada mensagem enviada por um companheiro, seja em broadcast ou com destino espec´ıfico, dever´a existir uma mensagem de retorno, este sim com destino sempre espec´ıfico, que dever´a acontecer dentro de um determinado tempo. Caso a mensagem de resposta n˜ao chegue, o robˆo
transmissor estar´a incumbido de retransmitir automaticamente a mensagem. Assim, caso haja algum erro como mensagem n˜ao recebida ou mensagem recebida com defeito gera um comportamento de espera por parte dos destinat´arios, estes n˜ao enviar˜ao a resposta e o transmissor ter´a que enviar novamente a mensagem original.
4. Conclus˜ao
Este trabalho apresentou uma estrat´egia para o futebol de robˆos que diferentemente de outras estrat´egias ´e totalmente embarcada e apesar de apresentar alguns problemas para definic¸˜ao de posicionamento, busca tornar os robˆos jogadores mais autˆonomos dentro de uma partida do futebol de robˆos.
Referˆencias
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Howard, A. and Kitchen, L. (1999). Cooperative localisation and mapping: Preliminary report. technical report tr1999/24, department of computer science and software engi-neering, university of melbourne.
Murphy, R. R. (2000). Introduction to AI Robotics. The MIT Press.
Pellier, D. and Fiorino, H. (2005). Coordinated exploration of unknown labyrinthine en-vironments applied to the pusruite-evasion problem. Proceedings of the International
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