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Luiz Marcos. Introdução ao controle de robôs. Cinemática x Dinâmica. Dinâmica x Atraso. Contínuo x Discreto. Tipos de Sistemas de Controle. Malha aberta Malha fechada. Malha aberta.

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Presentation Transcript
Luiz marcos

Luiz Marcos

Introdução ao controle de robôs


Cinemática x Dinâmica

Dinâmica x Atraso

Contínuo x Discreto


Tipos de sistemas de controle
Tipos de Sistemas de Controle

  • Malha aberta

  • Malha fechada


Malha aberta
Malha aberta

  • A entrada define o comportamento do controlador, cérebro do sistema, e este responde agindo no ambiente, sem verificar depois se o nível da grandeza física corresponde de fato à entrada;

  • Não há sensor para observar algum eventual desvio, nem realimentação, para corrigi-lo.


Exemplo
Exemplo

  • Uma fonte de alimentação regulada com transistor é, na realidade, um sistema de controle de malha aberta;

  • Se a corrente da carga variar, a tensão na saída pode variar até algumas dezenas de mV, devido à variação na tensão Vbe.



Diagrama de blocos malha aberta
Diagrama de blocos (Malha Aberta)

  • A entrada é o nível desejado da grandeza controlada (comando ou programação). O controlador avalia este sinal e envia um sinal (que pode ser elétrico ou mecânico, conforme o sistema) ao atuador, que é o elemento que age no ambiente de modo a alterar a grandeza.

  • Sistema de Malha Aberta

  • Grandeza não Automático


Diagrama de blocos m aberta
Diagrama de blocos (M. Aberta)

Sistema de Malha Aberta

Grandeza não Automático


Aplica es
Aplicações

  • Os SC em malha aberta são usados onde a freqüência ou a conseqüência dos desvios não justificam a complexidade e o custo maior dos em malha fechada.

  • Não são aplicados em robótica (a não ser em casos onde não é necessário checar o erro).


Malha fechada
Malha fechada

  • É verificada a ocorrência de desvios

  • Sensor monitora saída, fornecendo um sinal que retorna à entrada, formando uma malha de realimentação.

  • A entrada e esta realimentação se juntam num comparador, que combina ambos e fornece um sinal de erro, diferença entre os sinais, que orienta o controlador.


Exemplo simples
Exemplo simples

  • O operador de um reservatório verifica se o nível máximo foi atingido através de uma régua de nível, que é o sensor.

  • Sinal de erro, a diferença entre o nível máximo (saída desejada) e o nível atual (saída real), é analisado para abrir ou fechar o registro.

  • Operador é ao mesmo tempo o comparador, o controlador e o atuador neste sistema elementar.


Diagrama blocos malha fechada
Diagrama blocos (Malha Fechada)

  • Adicionar sensor ao SC de m. aberta;

  • Enviar sinal de erro ao bloco somador que fornece um sinal efetivo ao controlador.

  • Este sinal é a entrada do controlador, que o avalia e tenta corrigir o desvio captado pelo sensor, através de um novo comando ao atuador.


Diagrama de blocos m fechada
Diagrama de blocos (M. Fechada)

Sistema de Malha Fechada

Grandeza Automática


Aplica es1
Aplicações

  • SC em malha fechada são mais precisos, pois detectam e corrigem os desvios.

  • A maioria dos sistemas atuais, analógicos ou digitais, é deste tipo.

  • Sistemas controle para robótica são necessariamente desta categoria.


Controle
Controle

  • Sistema robótico: mede o seu próprio estado e age (decisões autônomas)

  • Feedback Control: originou-se na Grécia antiga.

  • Relógios de água: um grande tanque, um orifício pequeno para medir a vazão, uma válvula para regular a quantidade de água no tanque (mantendo o nível, a pressão é constante).


Redescobrindo os controladores
Redescobrindo os controladores

  • 1600: Controle da temperatura num fogão

    • Variação do volume de mercúrio fecha e abre a entrada de ar

  • 1700: mesmo sistema utilizado para chocar ovos

    • Final do século 16: mecanismo melhorado com melhor sensibilidade. Primeiro controlador comercial...


Sistema de controle

Sensor

Sistema de Controle

Sinal de erro

Energia de entrada

Estado desejado

Sinal de feedback

Amplificador

Soma

s(t)

e(t)

E(t)

y(t)

Robô ou dispositivo

y´(t)

Estado medido ou real


Exemplo seguidor de paredes
Exemplo: seguidor de paredes

  • Material: um robo móvel equipado com sensor infra-vermelho

  • Void calibrate(int goal); /*Calibra o sensor definindo uma distância da parede*/

  • void main() {

  • calibrate(goal); left(100); right(100);

  • while (1) {

  • int wall = analog(LEFT_WALL);

  • if(wall<goal) {left(100); right(0);}

  • else {right(100); left(0); }

  • }

  • }




Virando mais suave
Virando mais suave

  • void main() {

  • calibrate(goal); left(100); right(100);

  • while (1) {

  • int wall = analog(LEFT_WALL);

  • if(wall<goal) {left(100); right(50);}

  • else {right(100); left(50); }

  • }

  • }



Sistema de controle1

Robô

Sensor

Perturbação

Sistema de Controle

(t)

s(t)

e(t)

u(t)

y(t)

y´(t)



Controladores
Controladores

  • Liga-Desliga (on-off)

  • Proporcional (P)

  • Proporcional + Integral (PI)

  • Proporcional + Derivativo (PD)

  • Proporcional + Integral + Derivativo (PID)



Mecanismo roda
Mecanismo (roda)

0

Roda (massa grande)

Engrenagens

Sensor

(encoder)

Motor


Proporcional
Proporcional

  • Ganho é proporcional ao erro medido

  • Exemplo: controlar a posição de um motor

  • void main() {

  • int posit_goal=0;

  • encoder_posit=100; /*Var. compartilhada*/

  • while (1) {

  • power = posit_goal - encoder_posit;

  • motor(power);

  • }

  • }



Melhorando o proporcional
Melhorando o Proporcional

  • Introdução de um fator multiplicativo faz ir mais rápido ao ponto desejado

  • void main() {

  • int posit_goal=100;

  • encoder_posit=0;

  • while (1) {

  • power=p_gain*(posit_goal- encoder_posit);

  • motor(power);

  • }

  • }

  • Problema com ganhos altos: over-shoot, oscilações. Potência total é desejada se longe do objetivo. Ganho alto pode causar potência alta mesmo estando próximo.


Posi o e pot ncia x tempo1
Posição e potência x tempo

  • Ganho = 10

100

0

-100


Posi o e pot ncia x tempo2
Posição e potência x tempo

  • Ganho = 20

100

0

-100


Posi o e pot ncia x tempo3
Posição e potência x tempo

  • Ganho = 50

100

0

-100


Proporcional derivativo
Proporcional derivativo

  • Problema: momento faz ir além do ponto, mesmo desligando o motor

  • Momento = massa x velocidade (diretamente proporcional a velocidade)

  • Dobra velocidade => dobra momento).

  • Termo derivativo resolve overshooting e oscilações


Proporcional derivativo1
Proporcional derivativo

  • Introdução do term d_gain (velocidade)

  • void main() {

  • int posit_goal=0;

  • encoder_posit=100;

  • while (1) {

  • power=p_gain*(posit_goal- encoder_posit) +

  • d_gain*encoder_velocity;

  • motor(power);

  • }

  • }



Integral
Integral

  • Usa um integrador como controlador (um circuito que executa a operação matemática da integração).

  • Soma produtos dos valores instantâneos de entrada por intervalos de tempo t.

  • Desde o instante inicial até o final (período de integração).

  • Isto corresponde à área entre a curva da grandeza e o eixo do tempo, num gráfico.


Integral cont
Integral (cont.)

  • Ex.: Se grandeza = G (const), integral entre t1 = 0 e t2=j será igual a G t2 (ou Gj) = área, no gráfico da grandeza, de um retângulo naquele intervalo de tempo.

  • Um gráfico da integral de t1 a t2 é uma reta desde 0 até Gj, pois a área (ou o somatório) aumenta à medida que o tempo passa.


Integral cont1
Integral (cont)

  • Integrador torna o sistema lento

  • Resposta depende da acumulação do erro na entrada

  • Leva a um erro de regime nulo (não é necessário um sinal de entrada para haver saída do controlador)

  • Acionamento do atuador após o período transitório.

  • Assim o controle é muito preciso, embora mais lento.



Hierarquia de controle rob m vel

Sensores

Externos

Posição

Planejamento

da Trajetória

Velocidade

Controlador

Motores

Hierarquia de controle (robô móvel)

Sensor

interno

Sensor

interno


N veis de controle

3 níveis de controle:

controlador de velocidade dos motores;

controlador de ângulo e velocidade linear do robô;

desvio de obstáculos e busca pelo alvo.

Alvo

Obstáculo

Obstáculo

Níveis de controle


Controlador dos motores

SP1

-

PID

Motor 1

+

v1

SP2

v2

PID

Motor 2

+

-

u1

e1

u2

e2

Controlador dos motores


Controlador de ngulo e velocidade linear

SP1

-

SP

+

X

e

v1

+

-

SP2

v2

+

-

PID

Motor 1

Cinemática do Robô

Controlador

PID

Motor 2

u1

e1

u2

e2

Controlador

de Velocidade

Linear

SP1

+

+

e

-

Controlador

de

Ângulo

SP2

+

Controlador de ângulo e velocidade linear


Desvio de obst culos

Obstáculo

Obstáculo

Desvio de obstáculos

teta=180/pi*atan((S1*sin(pi/4)-S3*sin(pi/4))/(S2+S1*cos(pi/4)+S3*cos(pi/4)));


Busca do alvo

dx

Alvo

dy

d

e

Busca do alvo


Sensores

de distância

Obstáculo

Alvo

Decisão

Velocidade

Angulo e

velocidade linear

Velocidade dos

motores

Motores

Posição

(integração dos enconders)


Controle de alto n vel comportamento
Controle de alto nível (Comportamento)

  • O relacionamento funcional dos estímulos sensoriais com as ações efetuadas sobre os atuadores do robô

  • Ações devem ser executadas a partir de um plano de ação e de um modelo interno do ambiente


Tipos de controle
Tipos de controle

  • 1) Reactive control

  • 2) Deliberative control

  • 3) Hybrid control

  • 4) Behavior based control (sub-sumption)


Controle reativo
Controle reativo

  • Não pense, reaja!

  • Ambiente imprevisível cheio de obstáculos estáticos e dinâmicos

  • Restrição de tempo de execução da tarefa

  • Desenvolvimento de sistemas onde as ações dos robôs móveis sãodeterminadas pelas situações imediatas do ambiente, detectadas porseus sensores.


Controle reativo cont
Controle reativo (cont.)

  • Facilmente implementável

  • Não requer intermédio do cérebro

  • Apenas um mapeamento de sensores a ações:

    • Construir um conjunto de regras

    • Exige pouco processamento on-line

    • Alta velocidade

    • Similar a reflexos em seres humanos

    • Muito usado em seres inferiores (siris)


Exemplo visto
Exemplo visto

  • Robô com emissores/sensores IR na frente e duas rodas laterais:

    • Nenhum sensor satura: em frente

    • Satura direito: vire à esquerda

    • Satura esquerdo: vire à direita

    • Satura os dois: vire aleatoriamente para um dos lados


Controle deliberativo
Controle deliberativo

  • Planeje e pense bastante, então execute ação!

  • Certas tarefas permitem uma melhor análise do ambiente e planejamento baseado em informações adquiridas via sensores e dados conhecidos

  • Pode levar o robô a encontrar uma boa solução para sua tarefa, mesmo perdendo tempo de processamento para tomar a decisão


Controle h brido
Controle híbrido

  • Seja eficiente! Pense se der tempo!

  • Comportamento deliberativo pode comprometer o tempo de resposta de um robô

  • Idéia: unir os comportamentos

  • Caso seja necessário (e dê tempo para) pensar, faça, caso contrário, execute uma ação de forma reativa.


Arquitetura subsumption mit
Arquitetura subsumption (MIT)

  • Baseado em comportamentos básicos

  • Comportamentos de mais alto nível são definidos por vários de mais baixo nível

  • Processo markoviano (definir ação de alto nível em função do estado perceptual atual de um robô).

  • Uso de aprendizado ou de heurísticas para definir políticas (Q-Learning, NN).


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