Robótica móvel: sistema de condução autónoma

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo Automação e Electrónica Industrial

Planeamento de rota em ambiente desconhecido

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Uma contribuição ao estudo de sinais de EEG para avaliar estados emocionais e mentais de crianças com autismo na interação com robô móvel

O Transtorno do Espectro do Autismo (TEA) caracteriza-se por uma série de distúrbios cognitivos e neurocomportamentais e sua prevalência mundial é estimada em 1 criança com TEA a cada 160 crianças com típico desenvolvimento (TD). Indivíduos com TEA apresentam dificuldade em interpretar as emoções alheias e em expressar sentimentos. As emoções podem ser associadas à manifestação de sinais fisiológicos, e, dentre eles, os sinais cerebrais têm sido muito abordados. A detecção dos sinais cerebrais de crianças com TEA pode ser benéfica para o esclarecimento de suas emoções e expressões. Atualmente, muitas pesquisas integram a robótica ao tratamento pedagógico do TEA, através da interação com crianças com esse transtorno, estimulando habilidades sociais, como a imitação e a comunicação. A avaliação dos estados mentais de crianças com TEA durante a sua interação com um robô móvel é promissora e assume um aspecto inovador. Assim, os objetivos deste trabalho foram captar sinais cerebrais de crianças com TEA e de crianças com TD, como grupo controle, para o estudo de seus estados emocionais e para avaliar seus estados mentais durante a interação com um robô móvel, e avaliar também a interação dessas crianças com o robô, através de escalas quantitativas. A técnica de registro dos sinais cerebrais escolhida foi a eletroencefalografia (EEG), a qual utiliza eletrodos colocados de forma não invasiva e não dolorosa sobre o couro cabeludo da criança. Os métodos para avaliar a eficiência do uso da robótica nessa interação foram baseados em duas escalas internacionais quantitativas: Escala de Alcance de Metas (do inglês Goal Attainment Scaling - GAS) e Escala de Usabilidade de Sistemas (do inglês System Usability Scale - SUS). Os resultados obtidos mostraram que, pela técnica de EEG, foi possível classificar os estados emocionais de crianças com TD e com TEA e analisar a atividade cerebral durante o início da interação com o robô, através dos ritmos alfa e beta. Com as avaliações GAS e SUS, verificou-se que o robô móvel pode ser considerado uma potencial ferramenta terapêutica para crianças com TEA.

Generating timed trajectories foran autonomous robot

Tese de Doutoramento Programa Doutoral em Engenharia Electrónica e Computadores

Uma arquitetura distribuída de hardware e software para controle de um robô móvel autônomo

BRITTO, Ricardo S.; MEDEIROS, Adelardo A. D.; ALSINA, Pablo J. Uma arquitetura distribuída de hardware e software para controle de um robô móvel autônomo. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE AUTOMAÇÃO INTELIGENTE,8., 2007, Florianópolis. Anais... Florianópolis: SBAI, 2007.

Controle adaptativo robusto para um modelo desacoplado de um robô móvel

This thesis presents a new structure of robust adaptive controller applied to mobile robots (surface mobile robot) with nonholonomic constraints. It acts in the dynamics and kinematics of the robot, and it is split in two distinct parts. The first part controls the robot dynamics, using variable structure model reference adaptive controllers. The second part controls the robot kinematics, using a position controller, whose objective is to make the robot to reach any point in the cartesian plan. The kinematic controller is based only on information about the robot configuration. A decoupling method is adopted to transform the linear model of the mobile robot, a multiple-input multiple-output system, into two decoupled single-input single-output systems, thus reducing the complexity of designing the controller for the mobile robot. After that, a variable structure model reference adaptive controller is applied to each one of the resulting systems. One of such controllers will be responsible for the robot position and the other for the leading angle, using reference signals generated by the position controller. To validate the proposed structure, some simulated and experimental results using differential drive mobile robots of a robot soccer kit are presented. The simulator uses the main characteristics of real physical system as noise and non-linearities such as deadzone and saturation. The experimental results were obtained through an C++ program applied to the robot soccer kit of Microrobot team at the LACI/UFRN. The simulated and experimental results are presented and discussed at the end of the text

Uma arquitetura distribuída de hardware e software para controle de um robô móvel autônomo

In this work, we present a hardware-software architecture for controlling the autonomous mobile robot Kapeck. The hardware of the robot is composed of a set of sensors and actuators organized in a CAN bus. Two embedded computers and eigth microcontroller based boards are used in the system. One of the computers hosts the vision system, due to the significant processing needs of this kind of system. The other computer is used to coordinate and access the CAN bus and to accomplish the other activities of the robot. The microcontroller-based boards are used with the sensors and actuators. The robot has this distributed configuration in order to exhibit a good real-time behavior, where the response time and the temporal predictability of the system is important. We adopted the hybrid deliberative-reactive paradigm in the proposed architecture to conciliate the reactive behavior of the sensors-actuators net and the deliberative activities required to accomplish more complex tasks

Um método para determinação da profundidade combinando visão estéreo e autocalibração para aplicação em robótica móvel

This work proposes a method to determine the depth of objects in a scene using a combination between stereo vision and self-calibration techniques. Determining the rel- ative distance between visualized objects and a robot, with a stereo head, it is possible to navigate in unknown environments. Stereo vision techniques supply a depth measure by the combination of two or more images from the same scene. To achieve a depth estimates of the in scene objects a reconstruction of this scene geometry is necessary. For such reconstruction the relationship between the three-dimensional world coordi- nates and the two-dimensional images coordinates is necessary. Through the achievement of the cameras intrinsic parameters it is possible to make this coordinates systems relationship. These parameters can be gotten through geometric camera calibration, which, generally is made by a correlation between image characteristics of a calibration pattern with know dimensions. The cameras self-calibration allows the achievement of their intrinsic parameters without using a known calibration pattern, being possible their calculation and alteration during the displacement of the robot in an unknown environment. In this work a self-calibration method based in the three-dimensional polar coordinates to represent image features is presented. This representation is determined by the relationship between images features and horizontal and vertical opening cameras angles. Using the polar coordinates it is possible to geometrically reconstruct the scene. Through the proposed techniques combination it is possible to calculate a scene objects depth estimate, allowing the robot navigation in an unknown environment

Multi-resolução com fóvea móvel para redução e abstração de dados em tempo real

We propose a new approach to reduction and abstraction of visual information for robotics vision applications. Basically, we propose to use a multi-resolution representation in combination with a moving fovea for reducing the amount of information from an image. We introduce the mathematical formalization of the moving fovea approach and mapping functions that help to use this model. Two indexes (resolution and cost) are proposed that can be useful to choose the proposed model variables. With this new theoretical approach, it is possible to apply several filters, to calculate disparity and to obtain motion analysis in real time (less than 33ms to process an image pair at a notebook AMD Turion Dual Core 2GHz). As the main result, most of time, the moving fovea allows the robot not to perform physical motion of its robotics devices to keep a possible region of interest visible in both images. We validate the proposed model with experimental results

Posicionamento e movimentação de um robô humanóide utilizando imagens de uma câmera móvel externa

This work proposes a method to localize a simple humanoid robot, without embedded sensors, using images taken from an extern camera and image processing techniques. Once the robot is localized relative to the camera, supposing we know the position of the camera relative to the world, we can compute the position of the robot relative to the world. To make the camera move in the work space, we will use another mobile robot with wheels, which has a precise locating system, and will place the camera on it. Once the humanoid is localized in the work space, we can take the necessary actions to move it. Simultaneously, we will move the camera robot, so it will take good images of the humanoid. The mainly contributions of this work are: the idea of using another mobile robot to aid the navigation of a humanoid robot without and advanced embedded electronics; chosing of the intrinsic and extrinsic calibration methods appropriated to the task, especially in the real time part; and the collaborative algorithm of simultaneous navigation of the robots

Identificação em tempo real de modelo dinâmico de robô móvel com acionamento diferencial e zona morta

Several mobile robots show non-linear behavior, mainly due friction phenomena between the mechanical parts of the robot or between the robot and the ground. Linear models are efficient in some cases, but it is necessary take the robot non-linearity in consideration when precise displacement and positioning are desired. In this work a parametric model identification procedure for a mobile robot with differential drive that considers the dead-zone in the robot actuators is proposed. The method consists in dividing the system into Hammerstein systems and then uses the key-term separation principle to present the input-output relations which shows the parameters from both linear and non-linear blocks. The parameters are then simultaneously estimated through a recursive least squares algorithm. The results shows that is possible to identify the dead-zone thresholds together with the linear parameters

Localização de um robô móvel usando odometria e marcos naturais

Several methods of mobile robot navigation request the mensuration of robot position and orientation in its workspace. In the wheeled mobile robot case, techniques based on odometry allow to determine the robot localization by the integration of incremental displacements of its wheels. However, this technique is subject to errors that accumulate with the distance traveled by the robot, making unfeasible its exclusive use. Other methods are based on the detection of natural or artificial landmarks present in the environment and whose location is known. This technique doesnt generate cumulative errors, but it can request a larger processing time than the methods based on odometry. Thus, many methods make use of both techniques, in such a way that the odometry errors are periodically corrected through mensurations obtained from landmarks. Accordding to this approach, this work proposes a hybrid localization system for wheeled mobile robots in indoor environments based on odometry and natural landmarks. The landmarks are straight lines de.ned by the junctions in environments floor, forming a bi-dimensional grid. The landmark detection from digital images is perfomed through the Hough transform. Heuristics are associated with that transform to allow its application in real time. To reduce the search time of landmarks, we propose to map odometry errors in an area of the captured image that possesses high probability of containing the sought mark

Modelagem linear e identificação do modelo dinâmico de um robô móvel com acionamento diferencial

This work presents a modelling and identification method for a wheeled mobile robot, including the actuator dynamics. Instead of the classic modelling approach, where the robot position coordinates (x,y) are utilized as state variables (resulting in a non linear model), the proposed discrete model is based on the travelled distance increment Delta_l. Thus, the resulting model is linear and time invariant and it can be identified through classical methods such as Recursive Least Mean Squares. This approach has a problem: Delta_l can not be directly measured. In this paper, this problem is solved using an estimate of Delta_l based on a second order polynomial approximation. Experimental data were colected and the proposed method was used to identify the model of a real robot

Desenvolvimento de um sistema de navegação baseado em máquina de vetores de suporte para dirigibilidade de um robô móvel por caminhos em plantações

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Projeto e construção de um robô móvel AGV/ROV não-holonômico com habilidade para navegação autônoma do tipo wall-following

Esta dissertação de mestrado apresenta o projeto e a construção de um robô móvel terrestre denominado LOGBOT, com tração de movimento do tipo diferencial – com duas rodas motoras e uma roda livre para manter a estabilidade de sua estrutura em relação à superfície. O controle do robô dispõe dos modos de telemetria e autônomo. No modo de controle por telemetria (ROV), a comunicação do robô com a estação de controle é feita por radiofreqüência a uma distância de até um quilometro em ambientes externos, e até cem metros em ambientes internos. No modo de controle autônomo (AGV), o robô tem habilidade para navegar em ambientes internos e desconhecidos usando sempre a parede à sua esquerda como referência para a trajetória de seu movimento. A seqüência de movimentos para execução da trajetória é enviada para a estação de controle que realiza análises de desempenho do robô. Para executar suas tarefas no modo autônomo, a programação do robô conta com um agente inteligente reativo, que detecta características do ambiente (obstáculos, final de paredes, etc.) e decide sobre qual atitude deve ser executada pelo robô, com objetivo de contornar os obstáculos e controlar a velocidade de suas rodas. Os problemas de erro odométrico e suas correções com base no uso de informações sensoriais externas são devidamente tratados. Técnicas de controle hierárquico do robô como um todo e controle em malha fechada da velocidade das rodas do robô são usadas. Os resultados mostraram que o robô móvel LOGBOT é capaz de navegar, com estabilidade e precisão, em ambientes internos no formato de um corredor (wall following).