Rob ótica

1. Robótica Prof. Reinaldo Bianchi Centro Universitário da FEI 2013

2. 7aAula Parte A

3. Objetivos desta aula • Introdução a Controle: • Tipos de sistemas de controle. • Tipos de controladores. • Arquiteturas de Controle: • Hierárquicas. • Reativas. • Híbridas. • Referências: • Capítulo 3, 4 e 8 do Keramas. • Livro Introduction to AI Robotics, Murphy, 2000.

4. Introdução a Controle

5. Tipos de Sistemas de Controle • Quanto à estrutura, um sistema de controle pode ser: • Malha aberta, ou não-servo: • Manipuladores Clássicos • Malha fechada, ou servo-controlados: • Sistemas modernos • Ponto-a-ponto • Caminho Controlado • Complexidade aumenta

6. Controle malha aberta (não servo) • É o controle malha aberta. • Não possui sensores ou realimentação. • O manipulador para quando atinge um limite fixo ou que pode ser variado manualmente. • Robôs de seqüência limitada. • Usado em: • PickandPlace • Pontos fixos. • Bang-bangrobots.

7. 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.

8. 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

9. Diagrama de blocos (Malha Aberta) Sistema de Malha Aberta Grandeza não Automático http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/9912

10. Sistemapneumáticonão servo

11. Robô de sequêncialimitada.

12. Controlemalhaaberta (não servo) • Vantagens: • Simplicidade e baixo custo • Facilidade de operação • Alta repetibilidade e velocidade • Simplicidade de controle • Desvantagens: • Baixa acurácia • Necessita posicionamento preciso dos pontos de parada.

13. Controle malha fechada ou Servo controle • A entrada controlada depende da saída do sistema. • Controle malha fechada: • Possui sensores nas juntas e no atuador. • Possui capacidades de correção: • Consegue atingir qualquer ponto em seu envelope de trabalho, não apenas os terminais.

14. Controle malha fechada ou Servocontrole • O sistema mede automaticamente as posições das juntas e compara com a posição onde elas deveriam estar: • Se for diferente, usa o sistema realimentado para movê-las para a posição em que elas deveriam estar. • Servo-mecanismo: sistema de controle que detecta e corrige erros.

15. Malha fechada • Verificam a ocorrência de desvios, pois contém um sensor, que monitora a saída, fornecendo um sinal que retorna à entrada, formando uma malha de realimentação. • A entrada e a realimentação se juntam num comparador, que combina ambos e fornece um sinal de erro: • diferença entre os sinais, que orienta o controlador.

16. Exemplo • O operador de um reservatório verifica se o nível máximo foi atingido através de uma régua de nível, que é o sensor. • O sinal de erro (diferença entre o nível máximo, que é a entrada desejada, e a saída, o nível atual, abrindo ou fechando o registro conforme o erro seja para mais (excesso do fluído) ou menos. • O operador é ao mesmo tempo o comparador, o controlador e o atuador neste sistema elementar.

17. Diagrama blocos (Malha Fechada) • Agora além dos blocos que compunham o SC de m. aberta, temos um sensor, que reage à grandeza física enviando um sinal ao bloco somador, que subtrai este sinal ao de entrada (observe os sinais + e - nas entradas), fornecendo um sinal de erro 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.

18. Diagrama de blocos (Malha Fechada) Sistema de Malha Fechada Grandeza Automática Realimentado - Feedback http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/9912

19. Sensor Mais um diagrama malha fechada 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

20. Servo controle

21. Servo controle com controle de caminho • Um tipo de malha fechada. • São robôs guiados por um controlador servo que memoriza seqüências de posições de juntas e atuador. • Geralmente armazena milhares de pontos de trajetória, com: • posição, • velocidade e • aceleração.

22. Vantagens dos servo-controlados • Maior acurácia • Boa velocidade • Maior torque • Controle flexível • Capaz de realizar tarefas de manufatura complexas. • Multiplos programas.

23. Desvantagens • Custo inicial • Programação sofisticada, exigindo pessoal especializado. • Custo em treinamento do usuário. • Manutenção.

24. Tipos de Controladores

25. Tipos de Controladores • Liga-Desliga (on-off, bang-bang) • Proporcional (P) • Integral (I) • Derivativo (D) • Proporcional + Integral (PI) • Proporcional + Derivativo (PD) • Proporcional + Integral + Derivativo (PID) • outros...

26. Controle liga-desliga (bang-bang) • Compara sinal de entrada com realimentação • Se saída supera entrada, desliga o atuador; • se a realimentação for menor, liga o atuador. • Ex.: fornos elétricos e geladeiras: • Calefator ou compressor controlado por um termostato. • Vantagens: simples, baixo custo • Desvantagens: contínua oscilação da saída, histerese, não garante precisão e pode desgastar controlador e atuador.

27. Exemplo: robô que se aproxima de uma parede Material: um robô móvel equipado com sensor infra-vermelho

28. Exemploalternativo: manipuladorunidimensionalque se aproxima de um ponto Material: um robô manipulador equipado com sensor tipo encoder

29. Algoritmo: aproxima de paredes voidmain() { intposit_goal = 100; • intencoder_posit; • floatpower = MAX_POWER; while (1) { encoder_posit =distance(WALL); if(posit_goal <encoder_posit) motor(power); else motor(-power); } }

30. Gráficos (distância x tempo) Posição (distância da paredeem cm) D=30 Tempo

31. Distância x tempo Posição (distância da paredeem cm) D=40 Tempo

32. Controlador Proporcional • A variável de controle é proporcional ao erro medido. • É mais complexo que o liga-desliga e mais simples que o PID e outros mais modernos.

33. Controlador Proporcional • Exemplo - dirigir um carro: • Você acelera o máximo no início. • Conforme o carro se aproxima da velocidade desejada, a pressão sobre o acelerador diminui, a aceleração diminui. • Quando a velocidade desejada é atingida, você mantém a velocidade mantendo a pressão sobre o pedal constante.

34. Proporcional simplificado voidmain() { intposit_goal = 100; intencoder_posit; floatpower; while(1) { encoder_posit =distance(WALL); power = (posit_goal-encoder_posit); motor(power); } } Nota: nuncaéatingidaumaposiçãoestável (onde power = 0).

35. Posição e potência x tempo Posição e Potência 100 0 -100 Tempo

36. Melhorando o Proporcional • Fator multiplicativo p_gain faz ir mais rápido ao ponto desejado: voidmain() { intposit_goal=100, error, encoder_posit; floatpower, p_gain = 0.01; while (1) { encoder_posit =distance(WALL); error = (posit_goal - encoder_posit); power = p_gain * error; motor(power); } }

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

38. Posição e potência x tempo Posição e Potência • Ganho = 10 100 0 -100 Tempo

39. Posição e potência x tempo Posição e Potência • Ganho = 20 100 0 -100 Tempo

40. Posição e potência x tempo Posição e Potência • Ganho = 50 100 0 -100 Tempo

41. Propriedades do Proporcional • Erro é estacionário. • Aumentando K, aumenta-se: • Velocidade de resposta / convergência. • Sensibilidade a ruidos. • Overshoot. • Aumentando K, diminui-se: • Estabilidade.

42. Propriedades Proporcional

43. Propriedades Proporcional https://www.embedded.com/2000/0010/0010feat3.htm

44. Controlador 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.

45. Integral = área sob a curva f(x)

46. Integral = soma de aproximações

47. Propriedades Integral • 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.

48. Controlador Integral • Introdução do termi_gain: voidmain() { intposit_goal = 100, error = 0, encoder_posit = 0, integral = 0; floatpower, i_gain = 0,01; while (1) { encoder_posit =distance(WALL); error = (position_goal – encoder_position): integral = integral + error; power = i_gain * integral; motor(power); } }

49. Somatória das áreas http://www.controlguru.com/wp/p69.html

50. Propriedades do Integral • Remove erros estacionários. • Prova: • Caso o erro estacionário exista, o valor da integral do erro cresce. • Se a integral cresce, o valor da variavel de controle (power) cresce; • Se power cresce, distância cresce, • Se distância cresce, o erro já não é mais estacionário.