Congresso Brasileiro de Agricultura de Precisão- ConBAP 2014
São Pedro - SP, 14 a 17 de setembro de 2014
APLICAÇÃO DE AMBIENTE VIRTUAL 3D PARA MODELAGEM E SIMULAÇÃO
DE UMA ARQUITETURA DE CONTROLE DE NAVEGAÇÃO PARA ROBÔ
AGRÍCOLA MÓVEL
RAFAEL V. DE SOUSA1, ROBSON C. ARAÚJO2, RUBENS A. TABILE3, RICARDO Y.
INAMASU4
1
Engº Eletricista, Prof. Doutor, Depto. de Engenharia de Biossistemas, FZEA/USP, Pirassununga-SP, [email protected]
Graduando em Engenharia, Depto. de Engenharia de Biossistemas, FZEA/USP, Pirassununga-SP, [email protected]
3
Engº Agrícola, Prof. Doutor, Depto. de Engenharia de Biossistemas, FZEA/USP, Pirassununga-SP, [email protected]
4
Engº Mecânico, Pesquisador, Embrapa Instrumentação, São Carlos-SP, [email protected]
2
Apresentado no
Congresso Brasileiro de Agricultura de Precisão - ConBAP 2014
14 a 17 de setembro de 2014 - São Pedro - SP, Brasil
RESUMO: Este trabalho apresenta um estudo para desenvolvimento de controladores para
robôs agrícolas por meio de modelagem e simulação. Utiliza-se a ferramenta de software
Webots para a criação de ambiente virtual de cultivo de laranjeiras (cultivo aberto) e um trator
autônomo (robô agrícola móvel) para implantação e experimentação de uma arquitetura
robótica reativa de controle de navegação. Desenvolveu-se um controlador Fuzzy para
utilização de um sensor de Light Detection and Ranging (LIDAR) e um receptor GNSS
(Global Navigation Satellite System) equipados em um robô com modelo disponível na
biblioteca do software. O controlador Fuzzy utiliza como variáveis de entrada a distância e o
ângulo entre o robô e as árvores identificadas no pomar, e como variável de saída a ângulo de
guiagem (esterçamento). O sistema de navegação avaliado por simulação cumpriu com o seu
objetivo ao permitir a navegação segura do robô entre as linhas de plantio no pomar. O
trabalho mostra ser viável e promissor o emprego de modelagem e simulação computacional
para pesquisa de sistemas robóticos específicos para operações agrícolas.
PALAVRAS–CHAVE: arquitetura robótica, comportamentos robóticos, lógica Fuzzy.
APPLICATION OF 3D VIRTUAL ENVIRONMENT FOR MODELING AND
SIMULATION OF A NAVIGATION CONTROL ARCHITECTURE FOR MOBILE
AGRICULTURAL ROBOT
ABSTRACT: This paper presents a study on developing controllers for agricultural robots
using modeling and simulation. It uses the Webots software tool for creating virtual
environment of an orange orchard and an autonomous tractor (mobile agricultural robot) for
implementation and testing by simulation of reactive robotic control architecture for
navigation. It was developed a Fuzzy controller designed to use a sensor Light Detection and
Ranging (LIDAR) and a receiver GNSS (Global Navigation Satellite System) equipped on a
robot model available in the software library. The Fuzzy controller uses as input the linguistic
variables distance and angle between the robot and the trees identified in the orchard, and as
output of the guidance angle (steering). The navigation system evaluated by simulation met its
goal to allow safe navigation of the robot between tree rows in the orchard. The work shows
that it is feasible and promising the use of computer modeling and simulation to search for
specific robotic systems for agricultural operations.
KEYWORDS: robotic architecture, robotic behaviors, Fuzzy logic
INTRODUÇÃO: As atividades de produção agropecuária demandam atualmente a
engenharia de sistemas que contemplam não só o aumento de produtividade, mas também a
proteção o meio ambiente e utilização racional de recursos. Nesse cenário, a pesquisa de
robôs agrícolas móveis (RAMs) é uma importante tendência para ampliar o desenvolvimento
do setor (HUANG et al., 2010; GRIEPENTROG et al., 2013). Porém, a operação autônoma e
segura de RAMs ainda demanda pesquisa de arquiteturas robóticas de controle para permitir
execução de tarefas autônomas de forma segura em ambientes com características específicas
encontradas em culturas agrícolas. Experimentos realizados em campo com plataformas
robóticas é essencial para essa pesquisa, porém geralmente sua condução é normalmente
custosa em termos financeiros, logísticos e de tempo principalmente devido a complexidade
dessas plataformas que possuem elementos mecatrônicos diversos. Diante panorama similar, a
modelagem e a simulação em ambiente virtual é aplicada com sucesso em outras áreas de
pesquisa da robótica e apresenta-se como uma possível atividade complementar às atividades
experimentais na medida possibilita acelerar a condução de certos experimentos com custo
financeiro muito menor (SOKOLOWSKI e BANKS, 2009; WOLF et al, 2009). Atualmente
diversos trabalhos de pesquisa, que incluem modelagem e simulação, em outras áreas além da
área agrícola têm apresentado soluções notáveis para construção arquiteturas robóticas para
robôs móveis que atuam em ambientes pouco estruturados e dinâmicos (SOUSA, 2007). Entre
essas soluções, um número expressivo de grupos de pesquisa tem conseguido resultados
positivos com o desenvolvimento de arquiteturas robóticas baseadas em comportamentos que
utilizam Lógica Difusa (Fuzzy Logic) (ESKRIDGE e HOUGEN, 2010). Entretanto, na área
agrícola um número limitado de trabalhos tem proposto sistemas robustos baseados em
arquiteturas robóticas capazes de realizar operações múltiplas e independentes, bem como
adaptar-se às mudanças no ambiente (MOUSAZADEH, 2013). Nesse contexto, o trabalho
tem como objetivo principal a implementação e a experimentação em ambiente virtual de uma
arquitetura de comportamentos robóticos para navegação entre linhas de plantio em ambiente
agrícola com características físicas de pomares. Busca-se também criar bases metodológicas
para desenvolvimento e experimentação de arquiteturas robóticas ambiente virtual para
viabilizar a pesquisa de RAMs para culturas típicas nacionais.
MATERIAL E MÉTODOS: A modelagem do ambiente agrícola virtual e do robô agrícola,
bem como a programação das rotinas referentes ao controlador da arquitetura robótica foram
realizadas utilizando o software Webots 7.4.3 da empresa Cyberbotics
(www.cyberbotics.com). Esse software permite que robôs e ambientes sejam modelados em
3D, suportando a simulação física de sistemas complexos que incluem articulações
mecânicas, sistemas dinâmicos, atritos e detecção de colisões. Permite a simulação de uma
grande variedade de ambientes, assim como a criação de novos ambientes e robôs, ou a
utilização de modelos previamente programados. A programação dos controladores do robô
pode ser feita utilizando diferentes linguagens e inclui a possibilidade de integração com o
software Matlab da empresa MathWorks (www.mathworks.com). Construiu-se um ambiente
agrícola de uma plantação de laranja, sendo construídas quatro tipo árvores de laranja com
geometrias diferentes. Essas árvores foram replicadas e posicionadas aleatoriamente em linhas
com espaçamento de 4 metros entre as árvores e de 6 metros entre linhas. O terreno foi
construído com grades adjacentes e contínuas com inclinações diferentes que conferiram ao
terreno diferentes com alturas com diferença máxima de até 1 metro. Desenvolveu-se um
comportamento robótico de navegação através da implementação de um controlador Fuzzy
em linguagem do Matlab segundo proposto por Sousa (2007). O sistema de controle
fundamentado em Lógica Fuzzy é composto por quatro módulos ou etapas: a fuzzificação, a
base de regra, a máquina de inferência e a defuzzificação. A Figura 1 ilustra os módulos de
um sistema de controle baseada em lógica Fuzzy (SOUSA, 2007).
FIGURA 1. Módulos de um sistema de controle baseado em lógica Fuzzy
O controlador Fuzzy construído utiliza a distância (DIST) e o ângulo (ANG) formado entre o
trator e as árvores fornecido por um sensor LIDAR (Light Detection and Ranging) como
variáveis linguísticas de entrada no sistema. A saída do controlador Fuzzy é ângulo de
esterçamento (EST) para o sistema de direção do trator. A variável linguística DIST utiliza a
média dos dez menores valores medidos de distância e foi associada à três intervalos
correspondente aos termos LONGE, MEDIO e PERTO. A variável linguística ANG utiliza o
ângulo correspondente ao menor valor medido de distância e foi associada à três intervalos
correspondente aos termos SEGURO, ALERTA e CRITICO. A variável linguística de saída
EST foi associada à três intervalos correspondente aos termos FRENTE, VIRE_FRACO e
VIRE_FORTE. A base de regras que associa as entradas e a saída do controlador Fuzzy é
mostrada na Tabela 1.
TABELA 1. Base de regras Fuzzy do controlador robótico.
DIST
A
N
G
LONGE
MEDIO
PERTO
SEGURO
FRENTE
FRENTE
VIRE_FORTE
ALERTA
FRENTE
FRENTE
VIRE_FORTE
CRITICO
FRENTE
VIRE_FRACO
VIRE_FORTE
O valor crip do ângulo de esterçamento é obtido por defuzzificação pelo método do centróide.
Foi adicionado ao robô um receptor GNSS (Global Navigation Satellite System) para
georreferenciar a trajetória executada pelo robô no pomar, sendo realizados diversos
experimentos para avaliar a capacidade de navegação segura entre linhas de plantio retilíneas
e em curva.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: O ambiente construído foi capaz de atender os
experimentos de forma que foi possível acompanhar a variável de controle (esterçamento) na
simulação do controlador de navegação e as variáveis de reconhecimento dos objetos
(árvores) pelos sensores do robô. A simulação foi executada com sucesso incluindo a situação
de linhas em curva, como ilustra a Figura 2. A Figura 2A apresenta o ambiente criado para
simular um contexto agrícola de uma cultura de laranja virtual em 3D co linhas em curva. O
percurso do robô em curva pode ser observado no mapa apresentado pela Figura 2B que foi
construídos com as coordenadas geográficas fornecidas pelo GNSS. Como pode ser
observado na Figura 2B, o robô fez o percurso com correções suaves com comportamento de
evitar colisões com as árvores e guiar-se entre as linhas.
(A)
(B)
FIGURA 2. Trajetória georreferenciada do robô na execução de um percurso curvo entre
linhas do pomar.
CONCLUSÕES: A modelagem e a simulação em ambiente virtual viabilizou o
desenvolvimento e a experimentação de controlador Fuzzy de navegação para robô agrícola.
O controlado Fuzzy proposto permitiu a navegação autônoma utilizando as linhas de plantio
como referência. O modelo construído permite a criação e experimentação de novos
controladores para aplicação em outras tarefas agrícolas para aprimoramentos de RAMs,
como, por exemplo, teste de outros tipos de sensores, desenvolvimento de novos
comportamentos robóticos e a experimentação em outros tipos de cultura.
AGRADECIMENTOS: Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico (CNPq) pelo apoio financeiro concedido ao projeto ( proc. 485033/2013-5).
REFERÊNCIAS
ESKRIDGE, B. E.; HOUGEN, D. F. Extending Adaptive Fuzzy Behavior Hierarchies to Multiple
Levels of Composite Behaviors, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 58, No. 6, 2010, pp. 10761084.
GRIEPENTROG, H. W.; DÜHRING, J. C. L.; PARAFOROS, D. S. Robots for Field Operations with
Comprehensive Multilayer Control, KI - Künstliche Intelligen, Vol. 27, No. 4, 2013, pp. 325-333.
HUANG, Y.; LAN, Y.; THOMSON, S. J.; FANG, A.; HOFFMANN, W. C.; LACEY, R. E.
Development of soft computing and applications in agricultural and biological engineering.
Computers and Electronics in Agriculture, v. 71, p. 107–127, 2010.
MOUSAZADEH, H. A technical review on navigation systems of agricultural autonomous off-road
vehicles. Journal of Terramechanics, p. 211-232, 2013.
SOKOLOWSKI, J. A.; BANKS, C. M.. Principles of modeling and simulation: A multidisciplinary
approach. Hoboken, N.J.: John Wiley. 259p, 2009.
SOUSA, R. V. Robô agrícola móvel (RAM): uma arquitetura baseada em comportamentos
hierárquicos e difusos para sistemas autônomos de guiagem e navegação. 2007, 194 p. Tese
(Doutorado em Engenharia Mecânica) – EESC, Universidade de São Paulo, São Carlos, S.P. – 2007.
WOLF, D. F.; SIMÕES, E. V.; OSÓRIO, F. S.; TRINDADE JR, O. Robótica inteligente: da
simulação às aplicações no mundo real. In: Congresso da Sociedade Brasileira de Computação CSBC, Jornadas de Atualização em Informática - JAI (SBC JAI), p.1-51, 2009.