Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis

1. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Heitor Luis Polidoro Supervisor: Dr. Denis Fernando Wolf

2. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Sumário • Introdução • Projeto • Problemas Relacionados • Etapas do Projeto • Implementação Parcial • Possível Solução • Planejamento • Considerações Finais

3. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Introdução • Robótica • Robótica Móvel

4. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Robótica • Criada para auxiliar ou substituir o homem em: • Ambientes insalubres • Fundo do mar, incêndios, desarmamento de bombas... • Tarefas repetitivas • Linha de produção industrial • Tarefas que o ser humano não é capaz de executar • Devido à falta de força, velocidade, precisão... • Tarefas sem valor intelectual

5. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Robótica • Inicialmente na Automação Industrial • Desvantagem: Falta de mobilidade • Robôs Móveis • Capazes de locomoverem-se pela fábrica • Navegação • Normalmente a principal tarefa. • Localização • Planejamento de caminho • Execução

6. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Robótica Móvel • Aplicações • Segurança • Hospitais • ...

7. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Projeto • Proposta • Objetivo • Detalhes • Critérios de Avaliação • Aplicações

8. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Proposta • Monitorar ambientes internos • Regiões críticas • Prioridade • Grau de Urgência • Prioridade da sala i • Tempo desde a última visita da sala i

9. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Objetivo • Estratégia eficiente para determinar uma seqüência de áreas a serem visitadas em ambientes internos

10. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Detalhes • Mapa fixo • O Robô sabe sua localização • Conhece todo o ambiente • Mapa topológico • Grafo das salas • Grafo completo

11. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Detalhes Grafo do mapa topológico Grafo completo das salas

12. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Critérios de Avaliação • Freqüência relativa • A freqüência relativa deve ser proporcional à prioridade relativa

13. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Critérios de Avaliação • Grau de Urgência Total • Gráfico • Menor Grau de Urgência Total ao longo do tempo • Grau de Urgência Total • Grau de Urgência da sala i • Prioridade da sala i • Tempo desde a última visita da sala i

14. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Aplicações • Zoológico • Refeições

15. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Aplicações • Hospitais • Refeições • Remédios

16. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Aplicações • Segurança

17. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Aplicações • Monitoramento • Climatização

18. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Aplicações • Jardinagem (em desenvolvimento pelo MIT) • Regagem • Colheita

19. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Problemas Relacionados • Caixeiro-Viajante • Roteamento de Veículos (VRP)

20. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Caixeiro Viajante • Um caixeiro deve visitar N cidades somente uma vez • Grafo • Vértices são as cidades • Arestas são os caminhos entre as cidades

21. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Caixeiro Viajante - Fórmulas • Menor percurso • Restrição • A cidade só pode ser visitada uma vez • 1 se o caixeiro foi da cidade i à cidade j • 0 caso contrário • Custo para ir da cidade i à cidade j

22. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Roteamento de Veículos (VRP) • Considere • C consumidores • Um ou mais depósitos • m veículos • Objetivo • Encontrar m rotas com o menor custo para servir os C consumidores

23. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Roteamento de Veículos Dados de Saída Dados de Entrada

24. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Etapas do Projeto • Representação do Ambiente • Definição de Trajetória • Desvio de Obstáculos • Ambiente de programação e teste

25. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Representação do Ambiente • Mapas Topológicos • Diagrama de Voronoi • Rota eqüidistante dos obstáculos

26. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Definição de Trajetória • Menor Caminho • Dijkstra • Lista de custos • Lista de antecessores

27. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Desvio de Obstáculo • Vector Field Histogram (VFH) • Histogram Grid

28. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Desvio de Obstáculo • Vector Field Histogram (VFH) • Polar Histogram

29. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Desvio de Obstáculo • Implementação Preliminar • Campos Potenciais

30. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Desvio de Obstáculo • Implementação Preliminar • VFH

31. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Ambiente de programação e teste • Player • Sistema para controle de robôs móveis • Suporta diversos tipos de robôs e sensores • Stage • Simulador de robôs móveis e sensores • Ambientes bidimensionais • Compatível com Player • Gazebo • Simulador de alta fidelidade • Ambientes em 3 dimensões • Compatível com Player

32. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Player User Program PCI Camera Sensory Data Acquisition USB Laser Serial Planner Sonar … Odometry Motor Command Generation Desired Motion Motors Serial Canbus …

33. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Player Player User Program PCI Camera Sensory Data Acquisition USB Laser Serial Planner Sonar … Odometry Motor Command Generation Desired Motion Motors Serial Canbus …

34. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Modelo Cliente-Servidor Player Server Device driver Interface TCP/IP Player Client Library C/C++ C# Java Tcl Python Ruby Lisp Octave SICK LMS 200 Data laser sicklms200 SICK PLS Configuration laser sickpls User Program Command position Pioneer p2os position segwayrmp Segway IPC position Khepera khepera

35. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Abstração de Hardware Player Client Library C/C++ C# Java Tcl Python Ruby Lisp Octave Player Server Robot Hardware Player Server Stage Simulator User Program Gazebo Simulator Player Server

36. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Modelo Cliente/Servidor • Clientes podem se conectar a múltiplos servidores • Servidores aceitam conexão de múltiplos clientes • Diferentes programas/processos/threads podem processar • dados de diferentes sensores do mesmo servidor. • Operação remota

37. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Simulador Stage

38. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Implementação Preliminar • Mapa • Algoritmos • Simulação • Resultados Parciais

39. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Mapa • Mapa para testes

40. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Algoritmos • Dois algoritmos de definição da seqüência de áreas a serem visitadas • Sem base científica • Entender melhor o problema

41. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Algoritmos • Resultados parciais

42. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Algoritmos • Resultados parciais

43. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Simulação Algoritmo 2 Algoritmo 1

44. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Resultados parciais Grau de Urgência Total Tempo (s)

45. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Resultados parciais • Ciclos? Grau de Urgência Total Tempo (s)

46. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Possível Solução - Ciclos • Considere • Um ambiente com S salas; • A velocidade vel do robô é constante; • O robô não gasta tempo virando; • Um ciclo hamiltoniano ; • é a i-ésima sala do ciclo • ∆tiotempo de ir da sala e à sala

47. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Possível Solução - Ciclos • Como vel = constante • ∆ti = constante → = constante • = constante e igual para qualquer i; • Não é interessante; • Freqüência relativa de visitasiguais • Salas com prioridades diferentesdevem tem freqüências de visitasdiferentes • Tempo para revisitar a sala i • Tempo total do ciclo

48. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Possível Solução - Ciclos • Solução • Revisitar algumas salas antes do fim do ciclo • Então, considerando: • Um ciclo com repetição de vértices de tamanho temos que: = constante • Solução pode ser calculada offline

49. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Planajamento • Etapas do Projeto • Atividades • Cronograma

50. Navegação e Monitoramento de Ambientes Internos Utilizando Robôs Móveis Etapas do Projeto • Representação do Ambiente  • Definição de Trajetória • Desvio de Obstáculos  • Ambiente de programação e teste 