Desenvolvimento de sistema de controlo de movimento para plataformas móveis autónomas

Abstract

Nas últimas décadas tem-se verificado um crescimento acentuado em projetos na área da robótica móvel e autónoma, nomeadamente para acompanhamento de pessoas idosas ou com deficiências, ou mesmo para tarefas domésticas. Este crescimento deve-se em boa medida à evolução de áreas como a eletrónica e a informática que permitiram uma redução dos custos de desenvolvimento e um considerável aumento na velocidade de processamento. Isso tem permitido um desenvolvimento considerável em algoritmos de controlo, inteligência artificial e visão por computador. Esta dissertação tem como objetivo a implementação e validação de uma arquitetura de controlo de movimento, baseada no planeamento da trajetória, com aplicação prática na equipa de futebol robótico do Laboratório de Automação e Robótica (LAR) da Universidade do Minho, denominada Minho Team. A equipa é constituída por 5 robôs futebolistas de tamanho médio (até 80 cm de altura e 40 kg de peso) que foram desenvolvidos com todos os requisitos para participar no RoboCup, mais propriamente numa liga denominada de Middle Size League (MSL). Estes robôs são totalmente autónomos e operam num ambiente extremamente dinâmico, constituído por obstáculos dinâmicos que se deslocam a velocidades elevadas (por vezes atingindo os 4 m/s). Cada um dos robôs da Minho Team faz o planeamento da sua trajetória entre a posição atual e uma posição pretendida. A trajetória é planeada de forma a obter o melhor compromisso entre a trajetória mais curta e a mais suave, evitando colisões com obstáculos em campo. Para isso, foram implementados métodos associados a um planeamento global e adicionados outros algoritmos a estes métodos, formando um modelo de planeamento da trajetória eficiente e robusto. Para transformar a representação contínua do espaço de jogo num mapa discreto foi utilizado o método do diagrama de Voronoi, sendo a pesquisa pela trajetória mais curta realizada pelo algoritmo de Dijkstra. Para construir uma trajetória suave foi utilizado o método de curvas paramétricas polinomiais, e para determinar o melhor movimento ao longo de uma trajetória foi implementado o controlador PID em malha fechada. O principal objetivo desta solução é permitir que os robôs em campo consigam jogar futebol com a máxima velocidade possível, obedecendo às regras de jogo, nomeadamente, não colidir com os robôs adversários nem robôs cooperativos (robôs da Minho Team).

In the recent decades, there has been a pronounced growth in projects in the area of autonomous mobile robotics, particularly for assisting elderly or incapacitated people as well as helping with domestic tasks. This growth is due to the evolution of areas such as electronics and advanced computing, that allowed a reduction of development costs and a considerable increase in processing speed. This has allowed considerable development in control algorithms, artificial intelligence and computer vision. This dissertation aims at the implementation and validation of a motion control architecture, based on trajectory planning, with practical application in the robotic soccer team of the Laboratory of Automation and Robotics at the University of Minho, called Minho Team. The team consists of 5 medium-sized soccer robots (up to 80 cm in height and 40 kg in weight) which were developed with all the requirements to participate in RoboCup, more specifically in a league called Middle Size League (MSL). These robots are fully autonomous and operate in an extremely dynamic environment, constituted by dynamic obstacles that move at high speeds (sometimes up to 4 m/s). Each robot of the Minho Team makes planning for its trajectory between the current position and the desired position. The trajectory is planned in such a way as to obtain the best balance between the shortest and the smoothest trajectories in a way to also avoid collisions with obstacles in the field. For this matter, methods associated with global planning were implemented and other algorithms were added to these methods forming an efficient and robust trajectory planning model. The Voronoi diagram’s method was used to transform the continuous representation of the game space into a discrete map being the search for the shortest trajectory performed by the Dijkstra algorithm. To build a smooth trajectory, the parametric polynomial curves method was used. And to determine the best movement along a trajectory, the closed-loop PID controller was implemented. The main objective of this solution is to allow robots to play soccer with the possible maximum speed, obeying the rules of the game, namely, not to collide with the enemy robots or the cooperative robots (Minho Team robots).