Evolvere Scientia, V. 1, N. 1,p.6-13 2013
Evolvere Scientia
ARTIGO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO
DESENVOLVIMENTO DE UM VEÍCULO AUTÔNOMO INTELIGENTE PARA TAREFAS
DE NAVEGAÇÃO LIVRE DE COLISÕES
Igo Rafael Alves Silva, Anderson Luiz Fernandes Perez
Universidade Federal do Vale do São Francisco, 48902-300 Juazeiro, BA, Brasil.
Palavras-chave: robôs
microcontrolador
móveis,
veículo
autônomo
INTRODUÇÃO
inteligente,
controle
inteligente,
O desenvolvimento de um Veículo
Autônomo Inteligente (VAI) possui as
A indústria automotiva vem fazendo um
mesmas
grande esforço no desenvolvimento de
desenvolvimento de um robô autônomo
dispositivos que auxiliem o motorista no
móvel. Por isso, várias técnicas adotadas no
processo de condução de um veículo
desenvolvimento de robôs móveis podem
(MENTZER, 2009). Estes dispositivos
ser também adotadas no desenvolvimento
visam auxiliar o motorista desde o processo
de um VAI (MADHAVAN, 2007).
de frenagem do veículo, passando por
mecanismos de injeção eletrônica, até
controle de colisões em auto-estradas
(HITCHCOCK, 1995).
características
que
o
Um VAI pode ser definido como
um veículo que toma decisões por si só e de
forma inteligente. De maneira geral, um
veículo qualquer pode ir em quatro
Algumas tecnologias de veículos
direções: frente, trás, direita e esquerda.
inteligentes permitem que os veículos
Quando não há inteligência existe apenas
cooperem
trocarem
um sistema reativo, ou seja, um sistema que
informações para que os mesmos evitem
reage aos acontecimentos do meio. Por
colisões com outros veículos ou até mesmo
exemplo, supondo que sempre ao perceber
obstáculos. É possível um veículo que está
um objeto o veículo se movimentasse para
atrás de outro regular sua velocidade de
o sentido contrário, então se existir um
acordo com a velocidade do que está em
obstáculo à frente e outro atrás ter-se-á o
sua frente (BABER, 2005).
seguinte resultado: o veículo irá para frente
no
sentido
de
e para trás infinitamente, não haverá em
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nenhum momento uma interpretação mais
carrinho de controle remoto em um VAI; na
inteligente desta situação (JONES, 1999).
Seção Descrição do Experimento são
A
área
de
Inteligência
Computacional (IC) desempenha um papel
importante no desenvolvimento de um robô
móvel ou de um VAI (SICHMAN, 1992). É
ela a responsável por fazer com que o
veículo não seja apenas uma simples
máquina com um comportamento fixo, ao
contrário, permite que o veículo seja
totalmente autônomo, capaz de tomar
decisões
independentemente
de
um
operador humano.
De
apresentados os detalhes do experimento
realizado, a navegação livre de colisões; a
Seção Conclusão finaliza este capítulo com
algumas considerações dos autores, bem
como perspectivas para eventuais trabalhos
futuros.
OBJETIVOS
O principal objetivo deste trabalho é
adaptar um carrinho de controle remoto
para ser utilizado como um Veículo
Autônomo Inteligente (VAI).
acordo
O VAI
com (NEHMZOW,
desenvolvido poderá ser utilizado como
2000), para os pesquisadores de IC, robôs
plataforma experimental para algoritmos de
autônomos móveis oferecem meios para
inteligência
testar
móvel.
hipóteses
sobre
comportamento
inteligente, cognição e percepção. Para que
um robô realize alguma tarefa é necessário
uma arquitetura de software para controlar
o ciclo percepção-ação. Uma arquitetura de
computacional
e
robótica
Os objetivos abaixo listados são
fundamentais para o desenvolvimento do
VAI proposto neste trabalho:
controle para um robô móvel é responsável
Retirar do carrinho original as partes que
por interpretar as informações coletadas do
não
ambiente pelos sensores e em seguida tomar
desenvolvimento do VAI, tais como: placa
alguma decisão sobre qual ação deve ser
de controle remoto, buzina, faróis etc;
são
importantes
para
o
executada.
Este capítulo está organizado da
seguinte forma: na Seção Objetivos são
listados os principais objetivos que levaram
a construção do VAI, bem como as
possíveis tarefas que poderão ser realizadas
pelo
mesmo;
a
Seção
Metodologia
apresenta detalhadamente os passos que
foram necessários para a adaptação de um
7
Desenvolver uma placa que seja capaz de
controlar o motor dianteiro, responsável
pela direção do carrinho, e o motor traseiro,
responsável pela velocidade;
Testar e validar a placa desenvolvida para
então utilizá-las em tarefas específicas que
o VAI poderá realizar;
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Desenvolver um sistema de controle que
será executado de maneira embarcada no
carrinho para executar tarefas de navegação
livre de colisões e estacionamento em vagas
paralelas.
É
importante
ressaltar
que
o
VAI
desenvolvido poderá ser utilizado em
experimentos
com
algoritmos
de
Inteligência Computacional, bem como em
problemas que envolvam conceitos de
robótica móvel.
Figura 1. Carrinho usado como base para a
construção do VAI.
METODOLOGIA
A primeira adaptação realizada foi
O VAI desenvolvido é baseado na
retirar a placa de controle remoto e então
estrutura de um carrinho de controle
desenvolver um driver responsável pelo
remoto, que pode ser adquirido em lojas
controle dos motores dianteiro e traseiro. O
que comercializam brinquedos. O carrinho
motor dianteiro é responsável pela direção
usado como base é uma caminhonete
do veículo, para isso foi utilizado um
composta por dois motores, um para definir
circuito chamado “Ponte H”, que funciona
a direção e o outro para definir a
como uma chave, determinando que o
velocidade, uma placa de controle remoto,
motor hora gire em sentido horário e hora
responsável por receber os comandos do
em sentido anti-horário. Para facilitar o
controle remoto e então traduzi-los em
desenvolvimento do driver foi utilizado um
sinais de controle para os motores. A Figura
CI (Circuito Integrado) pronto, conhecido
1 ilustra o carrinho de controle remoto já
como L298N. A Figura 2 ilustra o CI
com alguns sensores instalados em sua
L298N já fixado na placa de controle
lateral.
desenvolvida.
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detectar um obstáculo a pelo menos a 8 cm
de distância, possui um tempo de resposta
rápida, e principalmente, é facilmente
adquirido
em
componentes
empresas
que
vendem
eletrônicos.
Foram
construídos 8 (oito) sensores de infravermelho.
Figura 2. Driver de corrente L298N.
Os
sensores
de infra-vermelho
foram montados a partir de um par de
Para o controle da velocidade do
sensores
óticos
(foto-emissor
e
foto-
motor, como o mesmo é de Corrente
receptor) com uma disposição específica
Contínua (CC), foi necessário usar um sinal
para que se pudesse ter o valor máximo de
modulado por largura de pulso (PWM, do
detecção do obstáculo ajustado. Conforme a
Inglês Pulse Witdh Modulation). Com o
proximidade do objeto, é possível ter uma
PWM, pode-se determinar o ciclo de
iluminação máxima ou mínima no foto-
trabalho (ou duty cycle) fazendo com que o
receptor, assim o receptor irá conduzir mais
motor seja energizado proporcional a ele.
ou menos corrente.
Por exemplo, se o ciclo de trabalho do
sensores é gerada uma tensão proporcional
PWM corresponder a 50% (cinquenta por
a 5 V (volts) e os mesmos estão
cento), a tensão no motor será a metade da
constantemente sendo alimentados.
Para cada um dos
sua alimentação. Sempre se terá uma tensão
proporcional ao ciclo de trabalho. Com isso,
é possível ter velocidades diferentes nos
motores já que ela varia de acordo com a
tensão aplicada nos terminais. Para o motor
dianteiro,
optou-se
por
mantê-lo
em
A alimentação de cada um dos
sensores é de 5 volts e o consumo dos oito
sensores é de 500 mA. A Figura 3 ilustra a
disposição, bem como as características dos
sensores construídos.
velocidade máxima, ou para a direita ou
para a esquerda, quando acionado, o que
comprometeu a precisão nas curvas.
Também
alguns
foram
desenvolvidos
de
infra-vermelho,
sensores
responsáveis pela detecção de obstáculos
próximos ao veículo. A escolha desse tipo
de
sensor
deu-se
pelas
seguintes
características: é preciso, é capaz de
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Figura 3. Placa do sensor de infravermelho.
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Os conversores A/D são necessários porque
Os sensores foram fixados no
carrinho conforme ilustrado pela Figura 4,
dois em cada lado (incluindo frente e
traseira). Com essa disposição tem-se uma
noção maior da realidade onde veículo está
localizado no ambiente.
a leitura dos sensores é feita em formato
analógico, para que o PIC possa tratá-lo
deve-se fazer uma conversão para o formato
digital. A Figura 5 ilustra a placa de
controle desenvolvida contendo o PIC
18F452 instalado.
SENSORES
Figura 5. Placa de controle com o
microcontrolador PIC 18F452.
Figura 4. Disposição dos sensores no
veículo.
Foi necessário o desenvolvimento
Uma outra alternativa como sensor
seria usar sonares. Apesar de um sonar
conseguir
detectar
qualquer
tipo
de
obstáculo, não importando a sua coloração,
ele não é capaz de detectar um obstáculo a
uma distância menor do que 6 (seis)
polegadas. Essa característica impede que o
VAI consiga fazer uma manobra próxima a
de um programa de computador para
controlar o VAI. O programa, chamado de
sistema de controle, foi desenvolvido em
linguagem de programação C na plataforma
de
desenvolvimento
de
sistemas
embarcados CCS. O CCS é um compilador
cruzado, capaz de gerar códigos executáveis
para a família de microcontroladores PIC da
um obstáculo.
Microchip.
Todo o sistema de controle do
veículo é baseado em um microcontrolador
da família 18F fabricado pela Microchip. O
microcontrolador
utilizado
é
um PIC
18F452 com as seguintes características:
possui
módulo
PWM,
8
conversores
Analógico/Digital e memória de 32 Kbytes.
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O sistema de controle desenvolvido
forma uma malha aberta, ou seja, não existe
uma maneira de saber se o veículo atendeu
ou não um determinado comando. Por
exemplo, não há como saber se o veículo se
deslocou a uma determinada distância. Esse
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problema poderia ser resolvido com a
adoção de um encoder em cada uma das
rodas traseiras.
A
carrinho
vantagem
de
em
controle
utilizar
remoto
um
como
plataforma básica para o desenvolvimento
de um VAI é que toda a parte mecânica,
isto
é,
chassi,
amortecedores
e
rodas,
carenagem,
motores,
já
estão
Figura 6. Ambiente de teste do VAI.
prontos, não sendo necessário projetar e
desenvolver tais componentes. O custo
Para a realização do experimento
também é outro fator importante pela
foi suprimido a bateria original do carrinho
escolha de um carrinho de controle remoto.
por conta do alto consumo de corrente dos
O custo de um robô móvel comercializado
sensores. Em substituição a bateria foi
por empresas especializadas é dezena de
utilizada uma fonte comum de computador
vezes mais caro que o custo de um carrinho
(PC) conectada ao carrinho através de um
de controle remoto.
fio, chamado de cordão umbilical. Isto
propiciou
DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO
Livre
de
Colisões.
experimento
fosse
sem interrupções.
Este
experimento é bem difundido na área de
robótica móvel e tem como principal
objetivo fazer com que o veículo autônomo
navegue por um ambiente desconhecido
evitando colidir com obstáculos. A Figura 6
ilustra o ambiente de teste, um tablado de
madeira onde o VAI deve navegar sem se
chocar com obstáculos.
o
executado por um longo período de tempo
O experimento realizado com o VAI foi a
Navegação
que
Durante
o
experimento
foram
analisados diferentes comportamentos do
veículo, tais como: a reação do mesmo ao
encontrar um obstáculos; o tempo de
resposta a partir do momento em que um
obstáculo foi encontrado até o momento em
que o veículo tomou a decisão de desviar ou
não;
a
confiabilidade
das
placas
desenvolvidas; e o comportamento do
sistema de controle.
O
experimento
realizado
demonstrou que as adaptações feitas no
carrinho original foram bem sucedidas. A
placa
11
de
controle,
onde
está
o
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microcontrolador,
obteve
um
bom
desempenho durante todo o experimento.
alimentação de um computador desktop –
PC.
Entretanto, devido ao grande número de
interrupções
geradas
pelos
sensores,
algumas vezes, o sistema de controle tinha
um
comportamento
anômalo,
o
que
prejudicou a obtenção de dados fidedignos
do experimento.
No experimento de navegação livre
de colisões o VAI obteve um bom
desempenho. Entretanto, por gerar muitas
informações
ao
microcontrolador,
os
sensores causaram, em alguns momentos, a
interrupção do sistema de controle, fazendo
com que algumas vezes o VAI tivesse um
CONCLUSÃO
comportamento anômalo ao esperado.
Este capitulo apresentou o desenvolvimento
Como
trabalhos
futuros
é
de um veículo autônomo inteligente a partir
necessário melhorar os sensores e utilizar
de alterações realizadas na estrutura e no
um sistema operacional embarcado para
controle eletrônico de um carrinho de
que
controle remoto. As alterações foram
hardware, sem que o programador precise
necessárias para tornar o carrinho um
desenvolver rotinas específicas, como por
Veículo Autônomo Inteligente para que o
exemplo um tratador de interrupções.
mesmo possa ser utilizado como plataforma
Também é necessário adaptar um rádio ao
de testes e experimentos com algoritmos de
VAI para que o mesmo possa enviar e
inteligência
receber informações de um computador.
computacional
e
robótica
móvel.
o
mesmo
gerencie
detalhes
do
Isto facilitará a interação com o VAI e
A adaptação de um carrinho de
controle remoto para comportar-se como
também servirá como ferramenta para a
depuração do sistema de controle.
um Veículo Autônomo Inteligente não é
uma tarefa fácil, é necessário fazer muitos
ajustes e testes. O VAI desenvolvido
REFERÊNCIAS
mostrou ser muito robusto, principalmente
em tarefas como a navegação livre de
colisões, tarefa em que a precisão dos
movimentos não é um fator determinante.
Nos
experimentos
realizados
não
foi
utilizado a bateria original do carrinho, pois
BEKEY, George A. Autonomous Robots.
From
Biological
Inspiration
to
Implementation and Control. MIT Press,
2005.
os sensores consomem muita corrente. A
JONES, Joseph L.; Flynn, Anita M. e
alimentação foi feita através de um fonte de
Seiger, Bruce. Mobile Robots. Inspiration
12
Evolvere Science, V. 1, N. 1,p. 6-13, 2013
to Implementation. 2ª edição. A K Peters,
1999.
NEHMZOW, Ulrich. Mobile Robotics: A
Practical Introduction. Springer, 2000.
SICHMAN, J.S.; DEMAZEAU, Y. and
BOISSER, O. When can knowledge-based
systems be called agents?. Anais do IX
Seminário
Brasileiro
de
Inteligência
Artificial, pg. 172-185, 1992.
HITCHCOCK, Anthony. Intelligent Vehicle
Highway System Safety: Multiple Collisions
in Automated Highway Systems. California
Tech research report UCB-ITS-PRR-95-10,
1995.
BABER, Jonathan; KOLODKO, Julian;
NOËL, Tony; PARENT, Michel; VLACIC,
Ljubo. Cooperative Autonomous Driving.
IEEE Robotics & Automation Magazin, pg.
44-49, 2005.
MENTZER, Christopher; MCWILLIAMS,
George; KOZAK, Kristopher. Dynamic
Autonomous Ground Vehicle Re-Routing in
an Urban Environment. Proceedings of the
2009 Ground Vehicle Systems Engineering
and Technology Symposium (GVSETS),
pg. 1-6. 2009.
MADHAVAN, Raj; MESSINA, Elena R.;
ALBUS, James S. Intelligent Vehicle
Systems: A 4D/RCS Approach. Nova
Science Publishers, January 15, pg. 6-12,
2007.
13