ELKER AN C 1, ARTHUR WO S SE, BRASIL E
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ELKER AN C 1, ARTHUR WO S SE, BRASIL E
ROBO-SE: ARTIGO DE DESCRIÇÃO DO TIME DE FUTEBOL DE ROBÔS DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE ELKER A. N. CARVALHO1, ARTHUR W. O. SOUZA1, JOSÉ G. N. DE CARVALHO FILHO1, ELYSON Á. N. CARVALHO1,3; EDUARDO O. FREIRE1; LUCAS MOLINA2 1 2 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA, UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE – DEL/UFS, SÃO CRISTÓVÃOSE, BRASIL E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] PROGRAMA DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO – PEE/COPPE/UFRJ, RIO DE JANEIRO-RJ, BRASIL E-mail: [email protected] 3 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE – DEE/UFCG, BRASIL E-mail: [email protected] Abstract This paper aimed to present the basic aspects related to the construction of the ROBO-SE team, from the Federal University of Sergipe. An overview about the mechanical structure, the computational vision system, the game strategy and the communication system of the team will be presented. Keywords Robot Soccer, Mobile Robots, Computational View. Resumo Este artigo tem como objetivo apresentar os aspectos básicos relativos a construção do time ROBO-SE da Universidade Federal de Sergipe. Será apresentada um visão geral a respeito da estrutura mecânica desenvolvida, do sistema de visão computacional, da estratégia de jogo e do sistema de comunicação. Palavras-chave Futebol de Robôs, Robôs Móveis, Visão Computacional. 1 Introdução A cada dia aumentam os investimentos realizados em pesquisa na área de robótica. Algumas empresas de grande porte já estão realizando grandes investimentos no desenvolvimento de novas tecnologias. Isso certamente indica que no futuro o papel da robótica no cotidiano da sociedade deve ser cada vez mais importante. Uma grande área de pesquisa em robótica é a de sistemas com múltiplos robôs (“Multi Robot Systems” – MRS). Nesta linha de pesquisa é possível destacar os sistemas de robôs cooperativos (Dadios e Maravillas, 2002; Luo e Yang, 2002). A importância dessa área de investigação decorre do fato de que o uso de robôs cooperativos permite uma maior capacidade de trabalho, viabilizando muitas vezes tarefas que não podem ser executadas por um único robô, além de aumentar a confiabilidade do sistema e reduzir o tempo de execução de uma dada tarefa (Arkin, 1998). Um caso específico de sistemas com múltiplos robôs é o futebol de robôs (Ruiz e Uresti, 2008). O futebol, um dos esportes mais praticados no mundo, é um típico jogo em equipe, onde cada jogador deve atuar de forma cooperativa. Além disso, no futebol o jogo muda dinamicamente. Por causa destas características, o futebol tem sido considerado um problema padrão de sistemas com múltiplos agentes e algoritmos cooperativos. A idéia por trás dos campeonatos de futebol de robôs é estabelecer um problema comum, para o qual os pesquisadores possam concentrar seus esforços no desenvolvimento de soluções inovadoras que, eventualmente, levarão ao surgimento de novas tecnologias. Espera-se que o futebol de robôs possa beneficiar diversas outras áreas da atividade humana, desde aplicações industriais até equipamentos médicos e no ramo do entretenimento (Wermter et al, 2003). A construção de um time de futebol de robôs envolve várias partes em diversas áreas, a destacar: desenvolvimento dos robôs, sistema de visão computacional, estratégia de jogo e sistema de comunicação. Este artigo tem por objetivo apresentar as contribuições científicas e tecnológicas do time ROBO-SE da Universidade Federal de Sergipe. Cada uma dessas etapas de construção desse time é apresentada com maiores detalhes nas seções subsequentes. 2 Desenvolvimento dos Robôs O time ROBO-SE foi desenvolvido visando a participação na categoria IEEE Very Small. Essa categoria de futebol de robôs é composta de três robôs em cada time, devendo cada robô possuir como dimensões máximas um cubo de 7,5 cm de aresta. A estrutura mecânica foi desenvolvida em parceria com o departamento de computação da Universidade Estadual Paulista – UNESP/Bauru. A equipe da UNESP desenvolveu um protótipo a partir do qual foram feitos moldes de silicone que possibilitaram a construção da estrutura mecânica de diversos times. Os robôs foram feitos de resina acrílica por ser um material resistente, de custo baixo e facilmente encontrado no mercado por ser amplamente usado por dentistas. Assim como usado em grande parte das aplicações de robótica móvel, a estrutura adotada é do tipo tração diferencial, usando dois motores de corrente contínua, cuja velocidade é controlada por PWM. Os motores adotados são de aplicações automotivas e por isso são de 12 V. Dessa forma, para que seja possível atingir a tensão desejada, a estrutura mecânica comporta um conjunto com nove baterias do tipo AA. Também são usados encoderes ópticos de 38 furos (mesmo tipo que os utilizados em mouses), acoplados nos dois motores, para possibilitar a medição de velocidade de cada roda. Essa informação de velocidade é usada para fechar o laço de controle de velocidade do motor. O circuito eletrônico dos robôs é baseado no microcontrolador PIC16F873a, que recebe as velocidades do robô a partir do sistema de comunicação, processa a informação, realiza a medição da velocidade do motor a partir do encoder, executa o sistema de controle de velocidade do motor e comanda a velocidade nos motores a partir de duas saídas PWM. Para que fosse possível controlar a velocidade do motor usando o microcontrolador PIC, foi feito uso da ponte H L298, que é um circuito integrado com duas pontes H completas (permite inversão no sentido de rotação no motor). 3. Sistema de Comunicação A comunicação entre o computador que realiza a estratégia Para executar a comunicação entre o computador que executa a estratégia e o processamento de imagens e os robôs foram usados os módulos ZigBee, mostrado na figura 1, que vem ultimamente sendo cada vez mais disseminada em sistemas controlados remotamente devido sua confiabilidade e facilidade de utilização. A informação é enviada pelo computador para o módulo ZigBee a partir da porta serial, usando o protocolo RS232, e então repassada através do ZigBee para os robôs. Cada robô também possui um módulo ZigBee para a recepção dos dados enviados pela estratégia. Figura 1. Módulo de comunicação ZigBee. 3. Estratégia A estratégia é responsável pelo controle de todos os robôs do time. O controle é realizado observando as variáveis de estado medidas na etapa de processamento de imagens e, a partir dessa observação, determinando as velocidades que cada robô deve executar para que o objetivo da tarefa seja cumprido. Para que isso seja possível esse bloco realiza a integração de todos os outros blocos do sistema, sendo portanto o bloco central do sistema. Na figura 2 é mostrado em diagrama de blocos o sistema desenvolvido. Figura 2. Diagrama de blocos do sistema proposto. Durante a montagem da estrutura mecânica do robô a estratégia pôde ser desenvolvida usando o simulador de futebol de robôs da FIRA, o ROBOT SOCCER, disponível gratuitamente na internet. A escolha desse simulador foi feita devido ao fato de o mesmo apresentar uma boa modelagem do robô e uma estrutura equivalente ao encontrado na categoria pretendida. Nesse simulador a estratégia é feita na linguagem LINGO. Após os testes a estratégia foi convertida para a linguagem de programação C++ e integrada ao sistema de visão. Durante a elaboração da estratégia foram desenvolvidas estratégias mais simples, como ir a determinado ponto do campo ou seguir a bola. A estratégia global é formada pela seleção dessas estratégias mais simples com base na situação do jogo. As funções de cada jogador variam de acordo com a posição dos mesmos em campo. O goleiro deve permanecer da área do gol e procura evitar com que a bola passe da linha que limita o gol se locomovendo lateralmente. O zagueiro tem a função de evitar que algum jogador adversário aproxime-se do gol com a bola sob controle. Já o atacante tem a função de recuperar a bola e conduzir ela até o gol do adversário, tomando decisões de qual ângulo atacar a bola e quando chutar. 4. Sistema de Visão Computacional Agradecimentos O sistema de visão computacional basea-se na aquisição de imagens a partir da conexão IEEE1394, conhecida como firewire, a uma taxa de 30 frames por segundo. Nesse sistema são usados reconhecimento por forma e cor, onde a estrutura circular da marca do jogador define os robôs e as cores empregadas definem a orientação e qual o robô encontrado. A transformada de Hough é empregada para encontrar regiões circulares na imagem e descobrir a localização e quantidade de robôs. Após a detecção dos robôs na imagem é feito o reconhecimento baseado em cores para reconhecer a bola, os robôs e calcular a orientação dos robôs. Para esse reconhecimento de cores foi usado o espaço de cores HSV que possui vantagens conhecidas para a tarefa em questão, principalmente em relação a problemas de iluminação. Uma outra vantagem na escolha do HSV está no fato do sistema em questão estar desenvolvido usando a biblioteca OpenCV, com a qual é possível efetuar a conversão RGB/HSV de forma rápida. Como forma de evitar as transformações não lineares necessárias para efetuar a conversão RGB/HSV é proposto um esquema de filtragem que mapeia o espaço de cores HSV em RGB através de uma matriz de classificação. Maiores detalhes a cerca do sistema de visão computacional por ser encontrado em (Araújo et al, 2008). Na figura 3 é mostrado a tela do sistema de visão computacional desenvolvido. Nesse programa o sistema de visão, a estratégia e o sistema de comunicação já estão integrados. Os autores agradecem a Renê Pegoraro, Humberto Ferasoli, Silas Alves e a UNESP/Bauru pelo apoio durante a construção do time. Os autores agradecem também aos alunos da UFS que colaboraram com a construção do time: Mauricio de Lemos Rodrigues Collares Neto, Rodrigo Ribeiro Santos, José Roberto Souza Leal Junior, Adolfo Lucas Rodrigues de Carvalho, Christiane Raulino Almeida, Marcos Vinicius Silva Alves. Figura 3. Tela de execução do programa. 5. Conclusão O futebol de robôs é uma poderosa ferramenta de fomento a pesquisas em robótica que desperta o interesse de pesquisadores e alunos para a realização de pesquisas em várias áreas afins. O uso do sistema apresentado nesse artigo ainda é simples, mas funciona de forma satisfatória. Tal sistema servirá de base para o desenvolvimento de sistemas mais complexos e de melhor desempenho. Referências ARAÚJO, G. M., MENDONÇA, M. M., FREIRE, E. O. Reconhecimento Automático de Objetos Baseado em Cor e Forma para Aplicações em Robótica In: XVII Congresso Brasileiro de Automática - CBA'2008, 2008, Juiz de Fora MG. Anais do XVII Congresso Brasileiro de Automática. , 2008. ARKIN, Ronald. Behavior-based robotics. Reading, MA: The MIT Press, 1998. DADIOS, Elmer; MARAVILLAS JR., Odon. Cooperative Mobile Robots with Obstacle and Collision Avoidance Using Fuzzy Logic. In: Proceedings of the 2002 IEEE International Symposium on Intelligent Control, Vancouver, Canada, 2002. LUO, Chaomin; YANG, Simon. A Real-time Cooperative Sweeping Strategy for Multiple Cleaning Robots. In: Proceedings of the 2002 IEEE International Symposium on Intelligent Control, Vancouver, Canada, 2002. RUIZ, M. A., URESTI, J. R. Team Agent Behavior Architecture in Robot Soccer. In: Latin American Robotics Symposium (JRI 2008 EnRI-LARS2008), 2008, Salvador-BA, Brazil. 2008. WERMTER, Stefan; ELSHAW, Mark; WEBER, Cornelius; PANCHEV, Christo; ERWIN, Harry. Towards Integrating Learning by Demonstration and Learning by Instruction in a Multimodal Robot. In: IROS-2003 Workshop on Robot Programming by Demonstration, 2003.
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