Comando e Monitoração de um Robô Móvel usando Tecnologia Internet

1. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Apresentação final do Trabalho de Graduação Comando e Monitoração de um Robô Móvel usando Tecnologia Internet Aluno: Helder Oliveira de Castro Orientador: Cairo Lúcio Nascimento Júnior Co-orientador: Jeeves Lopes dos Santos Computação

2. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Introdução • O projeto “REALabs – Uma Federação de WebLabs Cooperativos”, é um projeto da Fapesp integrado por UNICAMP, ITA, UFU, PUC-RS e o CTI. • Este projeto define uma interface Web para que as instituições possam compartilhar recursos de seus laboratórios entre si através de experiências realizadas remotamente. • O ITA é representado pelo LMI, que disponibilizará, inicialmente, dois robôs móveis para experiências remotas: o ROMEO e o Trekker. • Cada laboratório precisa configurar dois serviços básicos: i) como a requisição web vai chegar ao servidor local e como essa requisição vai interagir com o recurso do laboratório.

3. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Objetivo • Este trabalho tem dois objetivos básicos: • Definir um conjunto de experiências que serão realizadas pelo robô Trekker, do LMI. • Disponibilizá-lo para ser comandado e monitorado remotamente, usando tecnologia Internet.

4. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Tópicos • Serão apresentados os seguintes tópicos: • Visão geral do robô Trekker • O microcontrolador OOPic • Descrição do funcionamento do sistema • Comunicação usuário remoto - servidor • Comunicação servidor – Trekker • Experiências • Conclusão • Demonstração

5. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Visão geral do robô Trekker • O Trekker possui os seguintes subsistemas: • Sistema de propulsão: 2 servomecanismos CC. • Sistema de energia: 8 baterias tamanho AA de 1,5 V. • Sistema de sensoriamento: 1 sensor de ultra-som (1 transmissor, 1 receptor) e 1 sensor de infravermelho para medição de distância montados em torre giratória, 1 bússola eletrônica, 2 encoders ópticos (1 em cada roda), 4 pares de foto-sensores usados para leitura de faixas de navegação no solo, 1 sensor de contato frontal. • Sistema de computação: 1 placa com microcontrolador OOPic II e uma placa de expansão. • Sistema de comunicação externa: comunicação sem fio com computador base usando módulos Serial - ZigBee, câmera embarcada sem fio.

6. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Visão geral do robô Trekker O Trekker montado

7. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes O microcontrolador OOPic • O OOPic é o primeiro PIC a ter um sistema operacional que usa uma abordagem orientada a objetos para fazer controle do hardware. O conceito é bem simples: • Ele usa objetos pré-programados e multi-tarefasde uma biblioteca de objetos altamente otimizada para fazer o interfaceamento com o hardware. • O programador escreve programas em Basic, C ou Java para controlar os objetos. • Durante a operação, os objetos rodam continuamente e simultaneamente por trás enquanto os scripts rodam por cima dizendo aos objetos o que fazer. • Cada aspecto dos objetos pode ser controlado pelos scripts enquanto os objetos se comunicam com o hardware. • A biblioteca de objetos do OOPIC contém objetos que conhecem como interagir com os sensores e servos mais populares do mercado.

8. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes O microcontrolador OOPic • Outro ponto importante é a capacidade de criar Circuitos Virtuais (CV)com o OOPic. • Um CV é um processo que roda por trás da execução do programa principal. • Num CV, um conjunto de objetos interagem entre si, através do comando de linking. • Para cada CV, o sistema operacional cria uma thread responsável pela sua execução. • Uma aplicação importante é para a leitura dos encoders das rodas: deseja-se que toda a vez que uma certa linha de IO digital passe pelo nível lógico 1 um contador seja incrementado. • Cria-se então um CV que usa um contador linkado à DIO, logo na inicialização do programa. O encoder está montado e nenhuma preocupação adicional precisará ser despendida.

9. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes O microcontrolador OOPic • Uma interessante alternativa de comunicação externa com o OOPic é usar o protocolo SCP, ou Serial ControlProtocol, que possui as seguintes características: • O sistema operacional possui uma thread só para escutar e interpretar comandos da porta serial. • A execução desse comandos não interfere no fluxo normal do programa embarcado, a não ser que isso seja explicitamente pedido. • É possível alterar e ler diretamente valores da RAM, pausar e reiniciar a execução do programa, pedir o modo singlestep e ainda o reset da aplicação. • É possível dar saltos incondicionais (Branch) para regiões do programa, interrompendo o fluxo normal (para voltar somente no RET) • É possível ainda escrever diretamente na EEPROM, permitindo que programas inteiros sejam enviados para o OOPic pela porta serial – bootstrapmode.

10. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes O microcontrolador OOPic Branch visto no código compilado

11. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Descrição do funcionamento do sistema • O sistema proposto para comando e monitoração do robô Trekker consistiu de uma adaptação do sistema de controle do robô ROMEO proposto pelo co-orientador do Trabalho de Graduação Jeeves Lopes dos Santos. • Esse sistema é constituído por: • Robô Trekker. • Computador local servidor (AMD Sempron 1.6GHz, 512MB RAM). • Navegador de internet. • Página web escrita em HTML. • Câmera embarcada sem fio. • Câmera panorâmica (Axis 214 PTZ da Axis Communications).

12. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Comunicação usuário remoto - servidor • O usuário conectado a internet acessa à página HTML e dela solicita a realização da experiência remota. • No servidor roda o programa CGI de interface, que captura as informações solicitadas pelo usuário e, como proposto pelo Jeeves no controle do ROMEO, escreve três arquivos: • status.txt – arquivo que armazena o status do robô Trekker. • log.txt – cadastra o IP do usuário que solicitou alguma experiência. • prog.txt – arquivo criado assim que o usuário solicita a experiência e ---------------contém os dados entrados pelo usuário na página.

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20. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Comunicação servidor - Trekker O servidor, por sua vez, possui um script MatLab, que continuamente checa a existência do arquivo prog.txt. Assim que o encontra, decodifica as informações e, conforme o movimento solicitado pelo usuário, faz a comunicação com o robô. A arquitetura do sistema embarcado do Trekker foi desenhada de maneira que o processamento ficasse todo concentrado no servidor. O servidor solicita a realização das experiências através de saltos incondicionais (comando Branch) para as rotinas que efetivamente fazem o tratamento do movimento desejado.

21. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Comunicação servidor - Trekker Durante a operação do robô é passada ao arquivo status.txt a atual ação do robô, o que troca a página vista pelo usuário. Por fim, quando a experiência termina o servidor altera o conteúdo do arquivo status.txt informando ao usuário que o robô está disponível e aguardando comandos, e o usuário volta ao formulário inicial.

22. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Comunicação servidor - Trekker Função Main() do programa embarcado

23. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Descrição do funcionamento do sistema Arquitetura proposta para o controle web do ROMEO adaptada para o robô Trekker

24. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Experiências • Foi proposta a seguinte configuração para as experiências com o Trekker: • Translação para frente e para trás: • Usuário define tempo de translação e velocidade. • Rotação de 45° e 90° no sentido horário e anti-horário. • Varredura do Sonar e do Infravermelho: • Usuário define início, Passo e Fim da varredura • Estimativa da trajetória do Trekker, com base na leitura dos Encoders e da Bússola eletrônica. • A arquitetura no programa do servidor é sempre a mesma: • Configura alguma variável de controle, conforme necessário. • Envia o comando de Branch. • Lê o valor pedido, se o comando requisitar leitura.

25. Instituto Tecnológico de Aeronáutica Laboratório de Máquinas Inteligentes Conclusão • A arquitetura proposta usa o SCP para simplificar a comunicação com o robô. Uma série de funções são criadas para definir os movimentos, e desta forma toda a lógica interna fica simplificada. • Memória RAM do robô é poupada, pois não é necessário definir variáveis internas de controle. • O programa embarcado fica mais simples e menor (código “limpo”). • O programa do servidor usa mensagens muito simples, e a estrutura do código é sempre a mesma. • Entretanto, performance é perdida nos comandos de varredura – cada vez que o sensor faz uma leitura ele tem que enviar o valor lido para o servidor, o que torna esses comandos um pouco mais lentos.