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
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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,
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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,
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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
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Cornelius; PANCHEV, Christo; ERWIN, Harry.
Towards Integrating Learning by Demonstration
and Learning by Instruction in a Multimodal
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Programming by Demonstration, 2003.