Sistemas Embebidos en robótica móvil utilizando controlador ARM7

Transcripción

1 Sistemas Embebidos en robótica móvil utilizando controlador ARM7 Simposio Argentino de Sistemas Embebidos Buenos Aires 2010 Guillermo Steiner Centro de Investigación en Informática para la Ingeniería Universidad Tecnológica Nacional, F.R.C. Córdoba, Argentina SASE 2010 Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

2 Institucional Integrantes Integrantes Director: Dr. Ing. Luis Canali Responsables de Áreas Robótica Dr. Luis Canali Visión Dr. Eduardo Destéfanis Mecánica Computacional Dra. Patricia Dardatti Sensores Dr. Mario Modésti En total 9 Doctores 7 Ingenieros doctorandos 20 Becarios estudiantes Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

3 Institucional Áreas del Centro Áreas del Centro Robótica Programación de micros (ARM), Sistemas embebidos, Simulación, Sistemas de tiempo real, Navegación, Odometría, Técnicas de SLAM. Visión Navegación, Reconocimiento de patrones, Odometría visual, Detectores y descriptores invariantes, Espacios de escalas (Scale-space). Sensoristica Control y modelado, Sensoristica inercial, Simulación en tiempo real, Redes de sensores (inalámbricas). Mecánica Computacional Simulación de procesos de colada y moldeo, Cambios de fase (Fundición nodular), Transferencia de calor, Comportamiento estructural de piezas y conjuntos. Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

4 Institucional Áreas del Centro Áreas del Centro Robótica Programación de micros (ARM), Sistemas embebidos, Simulación, Sistemas de tiempo real, Navegación, Odometría, Técnicas de SLAM. Visión Navegación, Reconocimiento de patrones, Odometría visual, Detectores y descriptores invariantes, Espacios de escalas (Scale-space). Sensoristica Control y modelado, Sensoristica inercial, Simulación en tiempo real, Redes de sensores (inalámbricas). Mecánica Computacional Simulación de procesos de colada y moldeo, Cambios de fase (Fundición nodular), Transferencia de calor, Comportamiento estructural de piezas y conjuntos. Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

5 Institucional Áreas del Centro Áreas del Centro Robótica Programación de micros (ARM), Sistemas embebidos, Simulación, Sistemas de tiempo real, Navegación, Odometría, Técnicas de SLAM. Visión Navegación, Reconocimiento de patrones, Odometría visual, Detectores y descriptores invariantes, Espacios de escalas (Scale-space). Sensoristica Control y modelado, Sensoristica inercial, Simulación en tiempo real, Redes de sensores (inalámbricas). Mecánica Computacional Simulación de procesos de colada y moldeo, Cambios de fase (Fundición nodular), Transferencia de calor, Comportamiento estructural de piezas y conjuntos. Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

6 Institucional Áreas del Centro Áreas del Centro Robótica Programación de micros (ARM), Sistemas embebidos, Simulación, Sistemas de tiempo real, Navegación, Odometría, Técnicas de SLAM. Visión Navegación, Reconocimiento de patrones, Odometría visual, Detectores y descriptores invariantes, Espacios de escalas (Scale-space). Sensoristica Control y modelado, Sensoristica inercial, Simulación en tiempo real, Redes de sensores (inalámbricas). Mecánica Computacional Simulación de procesos de colada y moldeo, Cambios de fase (Fundición nodular), Transferencia de calor, Comportamiento estructural de piezas y conjuntos. Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

7 Área Visión Área Visión Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

8 Área Visión Machine Vision Visión Industrial Segmentación Transformada de Hough Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

9 Área Visión Navegación Navegación Odometría Visual Registro de imágenes (Phase correlation) Marcas Artificiales (Artificial landmarks, fiducial markers) Asistencia a la conducción Compensación de ego-movimiento Visión estéreo Flujo óptico Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

10 Área Visión Object Recongition Reconocimiento de objetos Reconocimento de transeuntes Detección de marcas artificiales Descriptores (SIFT), Espacios de escalas Gestalt computacional Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

11 Área Visión Localización Localización y Seguimiento Calibración ojo-brazo Localización 3D Seguimiento afín-invariante Filtro de Kalman Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

12 Área Robótica Área Robótica Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

13 Área Robótica AGV AGV Primer Robót móvil desarrollado completamente en el Centro Modelo biciclo Motores de CC para tracción y dirección Llaves H de tecnología MOSFET Microcontrolador de 8 bit (PIC 16F877) Brazo de 5 grados de libertad (Rhino XR4, 5 ejes mas garra, 2Kg de carga) Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

14 Área Robótica AGV Teleoperación y Control Teleoperación Conexión wireless Comunicación cliente-servidor por socket Programación multi-thread Envío de imágenes comprimidas Control Identificación del modelo cinemático Posicionamiento y seguimiento de trayectoria (Lyapunov) Posicionamiento mediante controlador conmutado (Lyapunov) Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

15 Área Robótica RoMAA RoMAA Necesidad A partir de la necesidad de disponer de una plataforma móvil para ensayar y validar algoritmos de procesamiento de imágenes y navegación No muy pequeño Suficientemente grande para flexibilidad en montaje de sensores y actuadores No muy grande Suficientemente pequeño para desplazarse con facilidad en ambientes interiores Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

16 Área Robótica RoMAA Estructura Estructura Plataforma para experimentación en ambientes interiores de laboratorio Componentes Componentes de fácil acceso en el mercado o mínimos costos de maquinado Tracción diferencial Facilita el control Mínimo mantenimiento Gran maniobrabilidad Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

17 Área Robótica RoMAA Características Autonomía energética suficiente para una jornada completa de operación sin interrupción para recarga o cambio de las baterías Alta capacidad de procesamiento on-board Pensado fundamentalmente para notebook compacta Autonomía Potencia Conectividad Flexibilidad Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

18 Área Robótica RoMAA Arquitectura abierta Desde dos perspectivas Utilización de recursos de licencia pública (no reinventar) Obtener máximo grado de modularidad que permita el fácil acceso a cualquier nivel de la estructura jerárquica del sistema Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

19 Área Robótica RoMAA Arquitectura abierta Desde dos perspectivas Utilización de recursos de licencia pública (no reinventar) Obtener máximo grado de modularidad que permita el fácil acceso a cualquier nivel de la estructura jerárquica del sistema Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

20 Área Robótica RoMAA Componentes Placas aluminio 2024 Motorreductores IGNIS MR Encoders Autonics E40H Baterías Probattery BSLA CPB Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

21 Área Robótica RoMAA Dimensiones Peso: 35Kg Carga útil: 48Kg Diámetro de ruedas: 147mm Trocha: 503mm Radio de giro: 0mm Radio área de giro: 407mm Ancho: 520mm Largo: 570mm Alto: 200mm Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

22 Área Robótica RoMAA Tracción tensión nominal: 24V olts potencia nominal: 288W velocidad lineal máx.: 2, 405m/s velocidad lineal mínima medible: 7, m/s velocidad angular mínima medible: 1, /s Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

23 Área Robótica RoMAA Odometría Res. desplaz. lineal 72, mm Res. desplaz. angular 0,018 Res. velocidad angular a vel. máx. 85, /s Res. velocidad lineal a vel. máx m/s Res. velocidad angular a vel. mín. 3, /s Res. velocidad lineal vel. mín. 12, m/s Cuadro: Odometría Cálculo velocidad angular motores (medición por período) Res. angular a velocidad máx. 31, /s Res. lineal a velocidad máx. 681, m/s Vel. angular mínima medible 11, /s Vel. lineal mínima medible 14, m/s Cuadro: Medición de velocidad por período Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

24 Área Robótica RoMAA Diagrama en bloques Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

25 Área Robótica RoMAA Sistema energético Tensión nominal: 24V Capacidad nominal: I cte = 3A, 26Ah Peso: 18Kg Vida útil 100 sesiones anuales 72W promedio Profundidad de descarga 50% Carga durante la noche 4 años de duración Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

26 Área Robótica RoMAA Control de tracción Lazo de control cross-coupling Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

27 Área Robótica RoMAA Módulo de control y Drivers de potencia Controlador ARM LPC2114 NXP (Philips) - RISC µc, núcleo ARM 32bits 60MHz Programación modular C-ANSI Entorno de desarrollo GNUARM freertos Lectura datos encoders por interrupción de baja latencia Período de lazo de control ajustable desde 5ms Cálculos en punto flotante Drivers de potencia Puente H con MOSFETs Control de sobrecorriente (chopper) Hardware Watch Dog Modulación de ancho de pulso (frec = 20KHz) Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

28 Área Robótica RoMAA Módulo de control y Drivers de potencia Controlador ARM LPC2114 NXP (Philips) - RISC µc, núcleo ARM 32bits 60MHz Programación modular C-ANSI Entorno de desarrollo GNUARM freertos Lectura datos encoders por interrupción de baja latencia Período de lazo de control ajustable desde 5ms Cálculos en punto flotante Drivers de potencia Puente H con MOSFETs Control de sobrecorriente (chopper) Hardware Watch Dog Modulación de ancho de pulso (frec = 20KHz) Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

29 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 página web: The Player Project Free Software tools for robot and sensor applications Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

30 Player/Stage/Gazebo RDE Player/Stage/Gazebo cont. Stage Simulador de múltiples 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 costo computacional Entorno bitmap 2,5D Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

31 Player/Stage/Gazebo RDE Player/Stage/Gazebo cont. Interface transparente para la aplicación Driver real Ambiente simulado Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

32 Player/Stage/Gazebo RDE Player/Stage/Gazebo cont. Gazebo Simulador 3D de múltiples robots Motor de renderizado OGRE ( Incorpora motor de simulación dinámica ODE ( Genera interacción física entre las entidades Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

33 Player/Stage/Gazebo Player/Stage en RoMAA Driver plugin para Player Interface position2d (control de velocidad y lectura de odometría) Modelo para Stage Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

34 Trabajos Futuros Trabajos futuros Técnicas para minimizar imperfecciones mecánicas (ej. alineación de ruedas) Experimento de calibración de parámetros de cinemática (ej. UMBmark 1 ) Modelo dinámico Integración del modelo dinámico 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, 1994 Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

35 Trabajos Futuros Integración de sensores Sensores de ultrasonido SensComp/Polaroid 6500 Range Module, 600 Serie Transducer Sensor lã ser Hokuyo UHG-08LX Scanning range finder sensor Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

36 Herramientas libres utilizadas S.O. PC GNU/Linux Debian, S.O. Embebido freertos, Cálculo numérico GNU Octave, Programación PC - gcc, Programación sist. embebidos GNUARM, Documentación, coordinación y trabajo cooperativo twiki, Repositorio de software SVN, Creación de documentos y presentación L A TEX, Librerías para visión - VXL, Soft para robots y sensores - Player, Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32

37 Videos Guillermo Steiner (CIII, UTN-FRC) Sistemas Embebidos en Robótica SASE / 32