Proposta de uma Arquitetura Híbrida para Navegação Autônoma

1. Proposta de uma Arquitetura Híbrida para Navegação Autônoma por Hugo da Luz Silva

2. Problema • A navegação autônoma de robôs consiste no desenvolvimento de mecanismos de tomada de decisão em um ambiente arbitrário para realizar tarefas de forma autônoma. • A atuação do robô no mundo físico está sujeita às restrições geométricas e incertezas.

3. Objetivo Geral • Desenvolvimento de uma arquitetura híbrida para navegação autônoma utilizando técnicas de deliberação e reação. • Essa arquitetura deve ser desenvolvida utilizando linguagem orientada a objetos e será embarcada no robô móvel NOMAD XR4000. • Permitirá o crescimento incremental, através da adição de novos módulos e/ou complementação dos já existentes.

4. Objetivos Específicos • Modelagem e desenvolvimento da arquitetura híbrida. • Primeiros módulos implementados: • Sensoriamento, Reação, Planejamento e Coordenação*. • Definição da comunicação entre as classes.

5. Arquitetura Proposta • Essa arquitetura deve prover raciocínio robusto e ser flexível. • Permitir expansão das funcionalidades (novos módulos). • Permitir adição e utilização de outros sensores ou câmera.

7. Arquitetura Proposta • A arquitetura do sistema deverá permitir: • Que o robô navegue sem colisões (com objetos móveis ou estacionários). • Que formule e execute planos de navegação. • Que modifique os planos de acordo com mudanças no estado do mundo. • Que perceba e reaja a mudanças em um ambiente estático.

8. Sensoriamento • Aquisição e armazenamento dos dados dos sensores: sonares, infravermelho e encoders. • Dependência dos principais módulos do sistema. • No primeiro momento, nenhuma técnica para tratamento dos dados será definida.

9. Mapeamento/Localização • Definir o posicionamento do robô no ambiente da forma mais precisa possível. • O Mapa deverá ser gerado pelo próprio robô. • Utilização dos dados dos sonares, infravermelhos e encoders.

10. Planejamento • Gerar a trajetória para o alcance do objetivo e enviar as sub-tarefas ao módulo de Coordenação. • Trajetória calculada a partir de um mapa global do ambiente fornecido a priori e atualizado pelo módulo de mapeamento. • Deverá ser capaz de fazer o re-planejamento da trajetória, se for necessário.

11. Coordenação • Coordenar os conflitos existentes entre os módulos de Planejamento e Reação. • Enviar um conjunto de comportamentos motores ao módulo Reativo para cada sub-tarefa gerada pelo módulo de Planejamento.

12. Reação • Responsável por gerar comportamentos de acordo com as percepções ou com o planejamento. • Será composto por controladores Fuzzy responsáveis por ajustes na direção do robô e controle de velocidade. • A desvantagem dessa abordagem é que o conjunto de regras de inferência será arbitrado.

13. Arquitetura Proposta • Módulos independentes. • Utilização de threads e semáforos. • Comunicação através de sockets. • Execução dos módulos em máquinas independentes. • Upper: Mapeamento/Localização, Planejamento e Coordenação. • Lower: Sensoriamento e Reação.

14. Limitações • Forte dependência dos módulos de Sensoriamento e Localização. • Limitações computacionais do robô. • Processamento. • S.O. e bibliotecas. • Impossibilidade de testes em simulador.

15. Cronograma • Fundamentação Teórica e Revisão Bibliográfica (01/09 – 07/09) • Modelagem Sensorial (01/09 – 03/09) • Definição do Ambiente (04/09 e 11/09 – 12/09) • Modelagem da Arquitetura (02/09 – 04/09) • Desenvolvimento da Arquitetura (05/09 – 10/09) • Testes e Avaliação da Arquitetura (11/09 – 01/10) • Redação da Dissertação (06/09 – 04/10)

16. Referências • ARKIN, R. C. Reactiverobotic systems. In theHandbookofBraintheoryand Neural Networks, M. A. Arbib, Ed. MIT Press, Cambridge, MA, 793-796, 1998a. • ARKIN, R. C. Behavior-basedrobotics, MIT Press, Cambridge, MA, 1998b. • BROOKS, R. A. A robustlayeredcontrol system for a mobilerobot, IEEE JournalofRoboticsandAutomation, 1986. • CALVO, R. Arquitetura Híbrida Inteligente para Navegação Autônoma de Robôs. Dissertação de Mestrado, USP, São Paulo, 2007. • CAZANGI, R. R. Uma Proposta Evolutiva para Controle Inteligente em Navegação Autônoma de Robôs. Dissertação de Mestrado, UNICAMP, São Paulo, 2004. • CHOSET, H., LYNCH, K. M., HUTCHINSON S., KANTOR, G., BURGARD, W., KAVRAKI, L. E. e THRUN, S. PrinciplesofRobotMotion: Theory, Algorithms, andImplementations. The MIT Press. 2005. • CRESTANI, P. R. Sistemas inteligentes de navegação autônoma: uma abordagem modular e hierárquica com novos mecanismos de memória e aprendizagem. Dissertação de Mestrado, UNICAMP, São Paulo, 2001.

17. Referências • ELFES, A. Sonar-Based Real-World MappingandNavigation, IEEE JournalofRoboticsandAutomation, ISSN: 0882-4967, 249-265, 1987. • GRASSI JR, V. Arquitetura Híbrida para Robôs Móveis Baseada em Funções de Navegação com Interação Humana. Tese de Doutorado, Escola Politécnica, USP, São Paulo, 2006. • KHALEDS. A. e GOEL, A. K. CombiningNavigationalPlanningandReactiveControl. url: http://citeseer.ist.psu.edu/ 90530.html.1996. • RUSSEL, S., NORVIG, P. Inteligência Artificial: uma abordagem moderna. Ed. Campus, 2ª Edição. São Paulo, 2003. • SIEGWART, R., NOURBAKHSH, I. R. Introduction to autonomousmobilerobots. The MIT Press, 2004. • SOUSA, M. M. e DUTRA, P. R. C. Navegação do Robô Móvel Nomad XR4000 Baseada em Mapeamento Dinâmico e Estático. Trabalho de Graduação. Faculdade de Tecnologia. Universidade de Brasília. 2003.