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.