SISTEMA DE NAVEGAÇÃO EM AMBIENTES FECHADOS PARA
UMA CADEIRA DE RODAS USANDO UM SERVIDOR DE
ARQUIVOS XML COM INFORMAÇÕES DE ACESSIBILIDADE
PAULO F. S. AMARAL*, JUAN CARLOS G.GARCÍA†, TEODIANO F. BASTOS FILHO*, MANUEL MAZO†
*
Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Espírito Santo
Av. Fernando Ferrari 514, Campus de Goiabeiras
29075-910, Vitória, ES, Brasil
E-mails: [email protected], [email protected]
†
Departamento de Electrónica, Universidad de Alcalá
E. Politécnica Superior, Edifício Politécnico D-O-345
Campus Universitario, 28805, Alcalá de Henares, Madrid, España
E-mails: [email protected], [email protected]
Abstract⎯ This work deals with an indoor environment navigation system for a powered wheelchair based on xml files with
maps, accessibility informations, routes and landmarks retrieved from the internet. These xml files contain the accessibility
information for public and private buildings which should be located in an internet server specially created for this system. This
paper presents the navigation system architecture in addition to a visual editor for the xml accessibility informations files and a
control program for the wheelchair using this system.
Keywords⎯ Wheelchair navigation, accessibility, navigation maps, route planning
Resumo⎯ Este trabalho apresenta um sistema de navegação para uma cadeira de rodas em ambientes fechados a partir de
arquivos xml contendo mapas, informações de acessibilidade, rotas e marcas de calibração buscados da internet. Estas
informações de acessibilidade de edifícios públicos e privados devem estar disponíveis em um servidor criado especialmente para
este serviço. A arquitetura do sistema de navegação junto com um editor visual dos arquivos xml de informações de
acessibilidade e um programa de controle para uma cadeira de rodas usando esta arquitetura são mostrados.
Palavras-chave⎯ Navegação de cadeira de rodas, acessibilidade, mapas de navegação, planejamento de caminhos
1
Introdução
Para pessoas com alguma incapacidade de
locomoção, as tarefas do dia a dia podem representar
dificuldades às vêzes impossíveis de serem vencidas
de uma forma autônoma. A cadeira de rodas, manual
ou elétrica é um dispositivo que aumenta a
capacidade de locomoção destas pessoas.
Mas, para os cadeirantes, fazer um plano de
locomoção em um local nunca antes visitado é muito
difícil principalmente devido à falta de informações
de acessibilidade (Ding, 2007) garantindo que exista
um caminho possível de ser feito em cadeiras de
rodas da entrada até ao local desejado.
Para navegação em locais abertos o uso de um
GPS (Global Positioning System) de alta precisão,
associados a bases de dados de sistemas GIS
(Geographic Information Systems), têm sido
proposto em diversos artigos na literatura (Kurihara,
2004;Yi-Hui, 2005; Matsumoto, 2006). Esta
configuração visa disponibilizar aos cadeirantes um
sistema de navegação que indique, em tempo real, as
informações de acessibilidade que possibilitem um
deslocamento seguro de um ponto a outro ponto em
ambientes abertos.
Para a navegação em ambientes fechados não se
pode dispor da informação de posicionamento do
GPS. O maior esforço de pesquisa e
desenvolvimento visa dar à cadeira de rodas um
comportamento autônomo para se deslocar de um
ambiente a outro. Diversos trabalhos tentam aplicar
as técnicas desenvolvidas para a robótica móvel,
usando sensores de medição 3D (Câmeras 3D ou
sensores de varredura laser) para a localização da
cadeira de rodas e a criação automática dos mapas do
ambiente em uma técnica conhecida como SLAM
(Simultaneous Localization and Mapping). Uma
outra linha de pesquisa propõe a criação de espaços
inteligentes, retirando da cadeira de rodas e jogando
para o ambiente a capacidade de processamento/
sensoriamento necessária para gerar as informações e
planos de navegação dentro do ambiente (Garcia,
2002; Jae-Han, 2007).
Em (Marrón, 2002) é proposto um sistema de
navegação baseado em uma modelagem do ambiente
em uma árvore de nós hierarquicamente estruturada
aproveitando as características arquitetônicas do
edifício modelado, sendo esta informação buscada
diretamente de algum sistema de transmissão
existente nos espaços a serem percorridos pela
cadeira de rodas. Neste trabalho a navegação é feita
com base nas informações fornecidas pelos
codificadores ópticos (encoders) acoplados aos
motores da cadeira de rodas. Por outro lado, a
calibração da posição da cadeira de rodas é feita com
base na informação fornecida por uma câmera de
video associada a marcas (Landmarks) visuais
dispostas nas portas de passagem do ambiente.
Em (Chuan-heng, 2004) é proposto um sistema
para uma cadeira de rodas autônoma navegar em
pequenas áreas. Tecnologias aplicadas a AGVs
(Automatic Guided Vehicles) são utilizadas neste
sistema de navegação baseado em mapas buscados
de um servidor local. Neste trabalho, a tarefa de
busca do melhor caminho é deixada para o servidor e
não para o computador embarcado na cadeira. O
sistema se baseia em um sistema de rádio para a
localização da posição da cadeira de rodas e em rotas
diretas entre nós de um caminho.
Em (Jae-Han, 2007) é apresentado um método
de navegação em ambientes interiores para robôs
móveis de serviço usando mapas semânticos
codificados em XML(eXtensible Markup Language)
e posicionamento do robô baseado em sensores
dispostos em um espaço denominado inteligente.
Estes mapas semânticos descrevem as várias células
de um ambiente, seus pontos de conexão e os
sensores existentes em cada uma, simplificando as
tarefas de roteamento.
Este trabalho faz parte de um projeto de
pesquisa que visa desenvolver uma ferramenta que
possibilite a obtenção das informações de
acessibilidade de ambientes fechados (prédios
públicos ou privados, shopping centers, aeroportos,
empresas etc.) de uma maneira simples e eficiente.
Estas informações de acessibilidade de um
determinado edifício serão disponibilizadas por um
serviço de internet sendo que os administradores de
prédios e locais públicos poderão cadastrar estas
informações na forma de arquivos XML contendo a
descrição dos mapas dos andares e dos acessos,
locais de interesse e rotas ótimas para uma cadeira de
rodas se deslocar dentro do edifício, além de marcas
visuais que terão a finalidade de fazer a correção e
identificação dos locais por onde passa a cadeira de
rodas.
Embora os trabalhos relacionados apresentem
soluções para a navegação autônoma de uma cadeira
de rodas em ambientes interiores, nenhum deles
consegue estabelecer uma estrutura que permita a
navegação de uma cadeira de rodas em edifícios
partindo de um ponto em uma calçada externa e
podendo chegar a qualquer lugar de interesse, em
qualquer andar do edifício e também realizar a
navegação entre locais dentro do mesmo edifício,
como é o sistema proposto neste trabalho.
De uma forma específica, este trabalho apresenta
a definição da arquitetura do sistema para a
navegação em edifícios com vários andares, a criação
de um editor de arquivos XML contendo as
informações dos mapas métricos e informações de
acessibilidade e um programa de controle para uma
cadeira de rodas que busca estes arquivos do servidor
de internet via um telefone celular e permite o
controle autônomo da cadeira de rodas para a
navegação dentro do edifício, usando as informações
contidas nos arquivos XML.
2
Arquitetura do sistema de navegação para
ambientes interiores
A Figura 1 mostra os componentes principais da
arquitetura de navegação para uma cadeira de rodas
em ambientes interiores aqui proposta.
Como grandes blocos temos nesta figura um
servidor de internet dedicado para o armazenamento
dos arquivos XML contendo as informações de
acessibilidade. Na parte superior direita temos uma
estrutura localizada nos vários edifícios, responsável
pela criação e atualização dos arquivos XML e na
parte inferior o sistema embarcado na cadeira de
Figura 1. Diagrama de blocos do sistema proposto.
rodas. Este sistema embarcado tem como funções
enviar a sua posição geográfica obtida de um GPS,
buscar do servidor de internet via telefone celular a
informação de edifícios próximos da sua localização
cadastrados no sistema, escolher um edifício
desejado e buscar os arquivos XML do edifício
escolhido. A partir das informações de acessibilidade
e dos mapas contidos nestes arquivos, realizar a
navegação autônoma da cadeira para qualquer local
desejado pelo usuário. A escolha dos locais a serem
visitados pode ser feita por um sistema de menus ou
por uma indicação direta nos mapas dos andares,
escolha esta realizada por um mouse comum ou por
um mouse de cabeça usando acelerômetros,
conforme mostram os módulos da Figura 1.
Futuramente pretende-se aproveitar a estrutura
de comunicação e localização para implementar um
sistema de monitoramento de sinais biológicos e
localização do cadeirante também mostrado na
Figura 1.
2.1 Modelagem do mapa e das informações de
acessibilidade em arquivos XML
Para ir em um local desejado situado dentro de um
determinado edifício, ao chegar em uma posição
próxima do edifício, o usuário da cadeira de rodas
pode obter informações sobre o melhor ponto de
entrada do edifício, o melhor caminho até um
elevador que chega ao andar desejado e o melhor
caminho da saída do elevador até o local procurado.
Estes caminhos devem ser possíveis de serem
realizados por uma cadeira de rodas, não podendo ter
escadas, corredores estreitos, portas difíceis de abrir
etc., que impedem a sua realização por um
cadeirante.
Para satisfazer a estes requisitos no sistema é
proposto um conjunto de arquivos XML para
descrever os caminhos de acesso ao edifício a ser
visitado, a posição de suas entradas possíveis para
uma cadeira de rodas, o mapa de cada andar do
edifício com a posição de elevadores, portas e
lugares de acesso público, marcas de calibração da
posição da cadeira de rodas ao passar por elas e rotas
ótimas, livres de obstáculos físicos entre cada marca
e as suas vizinhas.
Na arquitetura proposta, um edifício a ser
visitado é considerado como tendo um andar térreo,
n andares e k subsolos, definidos por arquivos XML
com os seguintes formatos.
- Arquivo Edificio.xml:
Neste arquivo (mostrado na Figura 2) são
definidas as quantidades de andares e de subsolos
que o edifício possui, a posição em coordenadas
UTM do mapa de acesso ao edifício, a localização e
orientação da planta do andar térreo em relação ao
mapa de acesso ao edifício, e os limites do mapa de
acesso e da planta térrea para definir a sua escala
inicial na tela do computador da cadeira de rodas.
Neste exemplo as coordenadas são dadas em
centímetros. No arquivo também são definidos os
elevadores existentes no edifício e quais andares eles
atendem.
mapa de acesso ao edifício. A Figura 3 mostra os
campos principais do arquivo XML dos andares.
Figura 3. Estrutura do arquivo XML que descreve o andar.
As linhas de 3 a 13 do arquivo de andar
representam o mapa vetorial do andar podendo ter as
figuras geométricas linhas, retângulos, elipses e
polígonos, formando o mapa em escala do andar. O
referencial do andar é sempre considerado o campo
superior esquerdo da figura. Para aumentar a
precisão do mapa codificado em XML, estas figuras
podem ser importadas de um arquivo DXF do
desenho de construção do andar.
As linhas 14 a 16 codificam as portas de acesso
a corredores e salas dos locais a serem visitados no
edifício, e as linhas 17 a 23 representam as posições
e orientações das marcas de calibração dos trajetos a
serem percorridos no andar. Estas marcas possuem
um tipo, podendo ser marcas de circulação, marcas
de acesso ao edifício ou marcas de elevadores do
edifício.
- Arquivos InfoAndar.xml:
Para cada arquivo XML de andar corresponde um
arquivo XML de informações de acessibilidade do
andar, tendo o nome InfoAndar seguido da mesma
terminação dos andares correspondentes. A Figura 4
mostra o formato dos campos existentes neste
arquivo de informações de acessibilidade.
Figura 2. Arquivo XML com parâmetros básicos de um edifício.
- Arquivos Andar.xml:
Estes arquivos definem os mapas de cada andar junto
com as portas do andar e as marcas de calibração
(Landmarks) dos trajetos a serem realizados pela
cadeira de rodas.
Se um edifício tiver 3 andares e 2 subsolos com
locais possíveis de serem visitados por um
cadeirante, teremos um total de 7 arquivos com esta
estrutura. Um arquivo para cada andar e subsolo, um
arquivo para o andar térreo e um arquivo para o
Figura 4. Estrutura do arquivo XML que descreve as informações
de acessibilidade do andar.
Este arquivo define todos os setores existentes
no andar e os locais de cada um destes setores
possíveis de serem visitados. Para cada local existe
uma ou mais origens, ou seja, marcas mais próximas
que podem originar um caminho para o local. Para
cada origem é definido um trajeto ligando aquela
origem ao local correspondente. As linhas 3 a 21 da
figura 4 mostram a estrutura de definição destes
locais e trajetos no arquivo XML. O trajeto de uma
marca até um local pode ser definido como uma
seqüência de retas ou por uma porta associada a um
corredor, como mostra a linha 18 do arquivo.
As linhas 22 a 32 mostram os campos de
definição das rotas ligando as marcas com as suas
vizinhas. Estas rotas são traçadas seguindo caminhos
ótimos e livres de obstáculos, tendo um comprimento
não muito longo, permitindo que o seu controle de
percurso seja realizado usando os sinais de
posicionamento oriundo dos codificadores ópticos da
cadeira de rodas.
As linhas 33 e 34 mostram um exemplo de
definição de um corredor em um andar. O corredor é
definido por uma marca e um trecho de reta ou por
duas marcas e um trecho de reta (uma rota existente)
ligando as duas marcas. Com a definição de portas
associadas a estes corredores, o caminho de uma
marca até a porta é obtido por intersecção de retas,
sendo gerado automaticamente.
2.1 Planejamento dos trajetos a serem percorridos
pela cadeira de rodas
A figura 6 mostra um esquema da estrutura das
informações de acessibilidade descritas nos arquivos
XML definidos. Os locais de interesse são
armazenados como setores. Cada setor pode ter
vários locais, e cada local pode ser acessado por um
retas ligando as origens aos locais são os trechos
definidos para alcançar um local a partir de uma
origem.
O algoritmo para planejar o melhor caminho de
um local onde está a cadeira de rodas, até outro local
escolhido, leva em conta o menor trajeto possível,
usando uma variação do algoritmo de Dijkstra
(Dijkstra,1959) a partir das rotas existentes no
arquivo XML. Todos os trajetos possíveis, usando
todas as origens possíveis, são analisados, e o trajeto
mais curto é escolhido como trajeto ótimo. Se o
destino desejado se encontrar no mesmo andar em
que está a cadeira de rodas, o trajeto direto é
encontrado. Se o destino estiver em um outro andar,
o trajeto é dividido para, primeiro, chegar no
elevador mais próximo que atende aos dois andares
e, depois, saindo do elevador no andar destino,
chegar ao local desejado.
Uma vez definido o trajeto da cadeira de rodas,
o programa de controle comanda os motores para
seguir os trechos de retas e giros definidos em cada
parte do trajeto. A determinação da posição da
cadeira de rodas é feita pela integração dos pulsos
gerados pelos encoders dos motores (Deadreckoning) entre as marcas de calibração. Quando a
cadeira chega a uma marca, por meio de uma câmera
de vídeo apontada para o teto e de marcas contendo
informações da identificação da marca, sua posição e
sua orientação (Garcia,2002) são obtidas e, assim, é
possível fazer a calibração da posição absoluta da
cadeira de rodas.
Este modo autônomo de navegação poderá ser
interrompido a qualquer instante pelo acionamento
de um joystick (manual, de sopro ou de cabeza) a
bordo da cadeira de rodas, ou pela detecção de algum
obstáculo no caminho, por meio dos sensores de
distância de ultra-som, quando o modo manual de
navegação poderá ser usado para desviar do
obstáculo. Uma vez superado o obstáculo o usuário
poderá comandar a volta para o modo autônomo de
navegação para a continuação do trajeto.
Qualquer alteração nas rotas existentes, seja por
uma colocação de um obstáculo no caminho, como
um quiosque em um centro comercial, ou por uma
porta automática ou elevador com defeito, o
responsável pelo serviço no edifício deve editar a
rota e enviar um novo arquivo XML contendo a
modificação. Com esta modificação o algoritmo de
planejamento do trajeto vai escolher um novo trajeto
ótimo com as rotas disponíveis.
3 Resultados
Figura 5. Árvore de marcas de calibração para o planejamento dos
trajetos.
número de origens, que são marcas de navegação,
representadas por círculos na Figura 5. As retas
ligando os círculos representam as rotas definidas
entre as marcas de navegação e suas vizinhas. As
Este trabalho encontra-se em desenvolvimento no
Departamento de Electrónica da Universidad de
Alcalá (Espanha) no âmbito do Projeto de Pesquisa
EINTA (Espaços INteligentes na Tecnologia
Assistiva) financiado pelo acordo CAPESMECD/Espanha. Sob este projeto está sendo
construída uma nova cadeira de rodas inteligente
Figura 8. Posição do usuário e o acesso mais próximo ao edifício.
Figura 6. Tela principal do editor de arquivos XML com
informações de acessibilidade.
com uma arquitetura de controle distribuída usando
três processadores embutidos ARM-LPC2194 da
NXP Semiconductors interligados por um
barramento CAN (Control Area Network) entre sí e a
um computador portátil, com um monitor sensível ao
toque e conectado à internet usando telefonia celular.
No barramento USB do computador estão ligados o
telefone celular, o GPS, uma câmera de vídeo para a
calibração da posição da cadeira de rodas e um
mouse de cabeça usando acelerômetros. Em um dos
processadores ARM, responsável pelo comando
manual da cadeira, estão conectados um joystick
normal e um sensor de sopro para comando da
cadeira. A parte de potência é realizada por um outro
processador ARM e por uma placa de controle de
motores AX3500 da Roboteq. O último processador
ARM é responsável pela aquisição e processamento
dos sinais dos sensores de ultra-som e acelerômetro
de 3 eixos para parada de emergência por choque
Figura 7. Tela para a criação das informações de posicionamento
geográfico do edifício a ser visitado.
com obstáculos.
A Figura 6 mostra uma tela do programa editor
dos arquivos XML de informações de acessibilidade
desenvolvido. Este programa permite a criação dos
mapas vetoriais de cada um dos andares de um
edifício e das informações de acessibilidade (Setores,
locais, origens, rotas e caminhos entre os locais e as
origens) necessárias para o planejamento e a
execução autônoma dos trajetos comandados pelo
usuário.
A Figura 7 mostra um bitmap de um mapa
georeferenciado do edifício da Escuela Politécnica
da Universidad de Alcalá, usado como exemplo, para
a criação no programa editor, dos mapas de acesso
em XML e para o posicionamento geográfico do
andar térreo do edifício, junto com as suas entradas
acessíveis para uma cadeira de rodas.
A Figura 8 mostra a tela de navegação do
programa de controle da cadeira de rodas. Nesta
figura o usuário já escolheu o edifício da Escuela
Politécnica e, uma vez buscado os arquivos XML de
informações de acessibilidade, ficará disponível a
tela de posicionamento geográfico do andar térreo do
edifício, junto com a posição atual da cadeira de
rodas e o acesso ao edifício mais próximo da cadeira.
O local desejado (Departamento 1, Secretaria) já foi
escolhido, e o planejamento do trajeto já foi feito.
Figura 9. Trajeto ótimo entre a entrada ENT03 e o local desejado.
A figura 9 mostra a parte do trajeto
correspondente da entrada 03 até ao local desejado,
passando por cada uma das marcas de calibração
existentes. Nesta tela do programa de controle é que
o usuário pode navegar dentro do edifício,
selecionando nas caixas de escolha à direita o setor e
o local desejado, usando o mouse. Se o usuário
conhecer locais diretamente no mapa a escolha pode
ser feita tocando diretamente no ponto desejado. Esta
tela permite também a mudança do andar do edifício
para realizar a navegação entre locais em andares
diferentes.
A partir de cada segmento de reta e de cada
marca de orientação mostrado no campo
Componentes da Trajetória da Figura 9 é que o
programa de controle da cadeira realiza a navegação
autônoma de um ponto até ao destino desejado.
Atualmente o projeto se encontra nas etapas
finais de montagem da cadeira de rodas e na sua
interligação com o programa de controle
desenvolvido.
4 Conclusão
Este trabalho apresentou a proposta de um sistema de
navegação autônoma para uma cadeira de rodas
baseado em arquivos XML contendo informações de
acessibilidade disponíveis em um servidor
especialmente criado para este fim. Foi apresentado
também um editor dos arquivos XML necessários e
um programa de controle para a cadeira de rodas.
Edifícios públicos e privados podem criar,
armazenar e manter atualizados estes arquivos de
acessibilidade, permitindo uma navegação da cadeira
de rodas em caminhos ótimos entre quaisquer locais
do edifício.
Diferentemente de outros trabalhos, para o
sistema proposto não é necessária uma estrutura de
alto custo de equipamentos no edifício. Apenas a
colocação de marcas de calibração no teto em pontos
especiais é suficiente para permitir a navegação da
cadeira de rodas.
Os equipamentos necessários para a navegação
autônoma com este sistema não são complexos e na
sua maior parte já estariam disponíveis na cadeira de
rodas para um sistema de navegação externa, tais
como o GPS e o telefone celular para acesso à
internet.
O sistema proposto também pode ser utilizado
por cadeirantes que não disponham de uma cadeira
de rodas com os recursos necessários para a
navegação autônoma, já que as informações de
acessibilidade também podem ser disponibilizadas na
tela de um computador de mão, sendo fornecida a
melhor rota para um cadeirante que possua uma
cadeira de rodas tradicional.
Agradecimentos
Este trabalho teve suporte financeiro da CAPES sob
o número BEX1142/08-9.
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