Sistemas Embebidos en robo´tica mo´vil utilizando ... · Motores de CC para tracci´on y...

Sistemas Embebidos en robotica movil utilizandocontrolador ARM7

Simposio Argentino de Sistemas Embebidos Buenos Aires 2010

Guillermo Steiner

Centro de Investigacion en Informatica para la IngenierıaUniversidad Tecnologica Nacional, F.R.C.

http://ciii.frc.utn.edu.ar

Cordoba, Argentina

SASE 2010

Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robotica SASE 2010 1 / 32

Institucional Integrantes

Integrantes

Director: Dr. Ing. Luis Canali

Responsables de Areas

◮ Robotica

Dr. Luis Canali◮ Vision

Dr. Eduardo Destefanis◮ Mecanica Computacional

Dra. Patricia Dardatti◮ Sensores

Dr. Mario Modesti

En total9 Doctores7 Ingenieros doctorandos20 Becarios estudiantes


Institucional Areas del Centro

Areas del Centro

Robotica

Programacion de micros (ARM), Sistemas embebidos, Simulacion, Sistemas detiempo real, Navegacion, Odometrıa, Tecnicas de SLAM.

VisionNavegacion, Reconocimiento de patrones, Odometrıa visual, Detectores ydescriptores invariantes, Espacios de escalas (Scale-space).

SensoristicaControl y modelado, Sensoristica inercial, Simulacion en tiempo real, Redes desensores (inalambricas).

Mecanica Computacional

Simulacion de procesos de colada y moldeo, Cambios de fase (Fundicion nodular),Transferencia de calor, Comportamiento estructural de piezas y conjuntos.


Area Vision

Area Vision


Area Vision Machine Vision

Vision Industrial

Segmentacion

Transformada de Hough


Area Vision Navegacion

Navegacion

Odometrıa Visual◮ Registro de imagenes (Phase

correlation)◮ Marcas Artificiales (Artificial

landmarks, fiducial markers)

Asistencia a la conduccion◮ Compensacion de ego-movimiento◮ Vision estereo◮ Flujo optico


Area Vision Object Recongition

Reconocimiento de objetos

Reconocimento de transeuntes

Deteccion de marcas artificiales

Descriptores (SIFT), Espacios deescalas

Gestalt computacional


Area Vision Localizacion

Localizacion y Seguimiento

Calibracion ojo-brazo

Localizacion 3D

Seguimiento afın-invariante

Filtro de Kalman


Area Robotica

Area Robotica


Area Robotica AGV

AGV

Primer Robot movil desarrolladocompletamente en el Centro

◮ Modelo biciclo◮ Motores de CC para traccion y

direccion◮ Llaves H de tecnologıa MOSFET◮ Microcontrolador de 8 bit (PIC

16F877)◮ Brazo de 5 grados de libertad

(Rhino XR4, 5 ejes mas garra,2Kg de carga)


Area Robotica AGV

Teleoperacion y Control

Teleoperacion◮ Conexion wireless◮ Comunicacion cliente-servidor por

socket◮ Programacion multi-thread◮ Envıo de imagenes comprimidas

Control◮ Identificacion del modelo

cinematico◮ Posicionamiento y seguimiento de

trayectoria (Lyapunov)◮ Posicionamiento mediante

controlador conmutado(Lyapunov)


Area Robotica RoMAA

RoMAA

NecesidadA partir de la necesidad de disponerde una plataforma movil paraensayar y validar algoritmos deprocesamiento de imagenes ynavegacion

No muy pequenoSuficientemente grande paraflexibilidad en montaje de sensores yactuadores

No muy grandeSuficientemente pequeno paradesplazarse con facilidad enambientes interiores


Area Robotica RoMAA

Estructura

EstructuraPlataforma para experimentacion enambientes interiores de laboratorio

ComponentesComponentes de facil acceso en elmercado o mınimos costos demaquinado

Traccion diferencial◮ Facilita el control◮ Mınimo mantenimiento◮ Gran maniobrabilidad


Area Robotica RoMAA

Caracterısticas

Autonomıa energetica suficientepara una jornada completa deoperacion sin interrupcion pararecarga o cambio de las baterıas

Alta capacidad de procesamientoon-board

◮ Pensado fundamentalmente paranotebook → compacta

◮ Autonomıa◮ Potencia◮ Conectividad◮ Flexibilidad


Area Robotica RoMAA

Arquitectura abierta

Desde dos perspectivas

Utilizacion de recursos de licenciapublica (no reinventar)

Obtener maximo grado demodularidad que permita el facilacceso a cualquier nivel de laestructura jerarquica del sistema


Area Robotica RoMAA

Componentes

Placas aluminio 2024

Motorreductores IGNIS MR103-400

Encoders AutonicsE40H-8-100-2-1-24

Baterıas ProbatteryBSLA-12260-CPB


Area Robotica RoMAA

Dimensiones

Peso: 35Kg

Carga util: 48Kg

Diametro de ruedas: 147mm

Trocha: 503mm

Radio de giro: 0mm

Radio area de giro: 407mm

Ancho: 520mm

Largo: 570mm

Alto: 200mm


Area Robotica RoMAA

Traccion

tension nominal: 24V olts

potencia nominal: 288W

velocidad lineal max.: 2, 405m/s

velocidad lineal mınima medible:7, 22× 10

−6m/s

velocidad angular mınima medible:1, 82× 10

−3◦/s


Area Robotica RoMAA

Odometrıa

Res. desplaz. lineal 72, 2× 10−3 mm

Res. desplaz. angular 0,018 ◦

Res. velocidad angular a vel. max. 85, 8× 10−3 ◦/s

Res. velocidad lineal a vel. max. 340× 10−6 m/s

Res. velocidad angular a vel. mın. 3, 09× 10−12 ◦/s

Res. velocidad lineal vel. mın. 12, 3× 10−15 m/s

Cuadro: Odometrıa

Calculo velocidad angular motores (medicion por perıodo)

Res. angular a velocidad max. 31, 9× 10−6 ◦/s

Res. lineal a velocidad max. 681, 3× 10−6 m/s

Vel. angular mınima medible 11, 3× 10−3 ◦/s

Vel. lineal mınima medible 14, 4× 10−6 m/s

Cuadro: Medicion de velocidad por perıodo


Area Robotica RoMAA

Diagrama en bloques


Area Robotica RoMAA

Sistema energetico

Tension nominal: 24V

Capacidad nominal: Icte = 3A,26Ah

Peso: 18Kg

Vida util◮ 100 sesiones anuales◮ 72W promedio◮ Profundidad de descarga 50%◮ Carga durante la noche◮ 4 anos de duracion


Area Robotica RoMAA

Control de traccion

Lazo de control cross-coupling


Area Robotica RoMAA

Modulo de control y Drivers de potencia

Controlador ARM◮ LPC2114 NXP (Philips) - RISC

µC, nucleo ARM 32bits 60MHz◮ Programacion modular C-ANSI◮ Entorno de desarrollo GNUARM◮ freeRTOS

⋆ Lectura datos encoders por

interrupcion de baja latencia⋆ Perıodo de lazo de control

ajustable desde 5ms

⋆ Calculos en punto flotante

Drivers de potencia◮ Puente H con MOSFETs◮ Control de sobrecorriente

(chopper)◮ Hardware Watch Dog◮ Modulacion de ancho de pulso

(frec = 20KHz)


Player/Stage/Gazebo

RDE Player/Stage/Gazebo

Player◮ Servidor de dispositivos◮ Basado en sockets TCP/IP◮ Estructura multi-hilos◮ Clientes proxy (cualquier

lenguaje)⋆ Leen de sensores⋆ Escriben a actuadores⋆ Librerias oficiales en C, C++,

Python⋆ de terceros en Java, Octave,

Matlab, etc

◮ Incluye drivers de sensores,actuadores y robots comerciales

⋆ Robots Pioneer, iRobot

Roomba, Segway RMP, etc⋆ Sensores Laser SICK LMS200,

Hokuyo URG, CMUcam,

Firewire, USB, etc⋆ Actuadores Pant&Tilt

PTU-D46, etc

De la pagina web: The Player ProjectFree Software tools for robot and sensor

applications

http://playerstage.sourceforge.net/


Player/Stage/Gazebo

RDE Player/Stage/Gazebo cont.

Stage◮ Simulador de multiples robots◮ Player los maneja como robots

reales◮ Dispone de muchos modelos de

sensores y actuadores comerciales⋆ Laser rangefinder⋆ Camaras pan-tilt-zoom⋆ Sonares

◮ Modelos simples de bajo costocomputacional

◮ Entorno bitmap 2,5D


Player/Stage/Gazebo


Interface transparente para la aplicacion

Driver real

Ambiente simulado


Player/Stage/Gazebo


Gazebo◮ Simulador 3D de multiples robots◮ Motor de renderizado OGRE

(http://www.ogre3d.org/)◮ Incorpora motor de simulacion

dinamica ODE(http://www.ode.org/)

◮ Genera interaccion fısica entre lasentidades


Player/Stage/Gazebo

Player/Stage en RoMAA

Driver plugin para Player◮ Interface position2d (control de

velocidad y lectura de odometrıa)

Modelo para Stage


Trabajos Futuros

Trabajos futuros

Tecnicas para minimizar imperfecciones mecanicas (ej. alineacion de ruedas)

Experimento de calibracion de parametros de cinematica (ej. UMBmark 1)

Modelo dinamico◮ Integracion del modelo dinamico al simulador

1“UMBmark, A Method for Measuring, Comparing, and Correcting Dead-reckoning Errors in

Mobile Robots”, J. Borenstein and L. Feng, University of Michigan, 1994Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robotica SASE 2010 29 / 32

Trabajos Futuros

Integracion de sensores

Sensores de ultrasonidoSensComp/Polaroid6500 Range Module, 600

Serie Transducer

Sensor lA¡ser HokuyoUHG-08LX Scanning range

finder sensor


Herramientas libres utilizadas

S.O. PC GNU/Linux Debian, www.debian.org

S.O. Embebido freeRTOS, www.freertos.org

Calculo numerico GNU Octave, http://www.gnu.org/software/octave/

Programacion PC - gcc, http://gcc.gnu.org

Programacion sist. embebidos GNUARM, www.gnuarm.com

Documentacion, coordinacion y trabajo cooperativo twiki, http://twiki.org

Repositorio de software SVN, http://subversion.tigris.org

Creacion de documentos y presentacion LATEX, www.latex-project.org

Librerıas para vision - VXL, http://vxl.sourceforge.net

Soft para robots y sensores - Player, http://playerstage.sourceforge.net


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