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DESENVOLVIMENTO DE UM ROBÔ MÓVEL PARA NAVEGAÇÃO AUTÔNOMA E BUSCA DE ALVOS EM AMBIENTES EXTERNOS Bruno Fraga Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Enge- nheiro. Orientador: Eduardo Vieira Leão Nunes Rio de Janeiro Fevereiro de 2017 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Escola Politécnica - Departamento de Eletrônica e de Computação Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária Rio de Janeiro - RJ CEP 21949-900 Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que poderáincluí-loembasededados, armazenaremcomputador, microfilmarouadotar qualquer forma de arquivamento. É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibli- otecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es). iv "Se você não está disposto a fazer sacrifícios para viver de acordo com seus princípios, não faz sentido ter princípios." – Marvin Bower v À Equipe MinervaBots UFRJ e a todos que me apoiaram. vi AGRADECIMENTO Acima de todos, agradeço à minha mãe, Angela, por ouvir meus aborrecimentos quando acontecimentos imprevistos ocorriam e por me apoiar nas escolhas difíceis que tive que fazer ao longo deste projeto. Seu amparo foi fundamental para superar as adversidades e concluir este trabalho com sucesso. Participar da equipe de competição MinervaBots UFRJ exerceu importante papel parameudesenvolvimento. Sougratoporpodertermedesenvolvidoetertrabalhado com pessoas extraordinárias ao longo da minha trajetória na equipe. Nesse sentido, agradeço a todos os membros da MinervaBots que estiveram presentes na minha trajetória por tornarem essa equipe cada vez melhor e por preservarem seus valores. Emparticular,expressominhasinceragratidãoaosmembrosdoTrekking: Amanda Camacho, Amanda Marques, André Leite, Bruno Calou, Caio Rodrigues, Edilson Fernandes, Hegly Lemos, Victor Pimenta e Sandro Alves. Embora não tenham participado de forma contínua, cada um deles, ao contribuir com suas ideias e sua energia, deixou uma marca permanente no projeto. Ainda agradeço a meus amigos que participaram da minha jornada na faculdade e àqueles que me acompanham desde a época de colégio pelos bons momentos e por aceitarem minha ausência e meus desabafos nessa reta final da faculdade. Sem essas amizades, esses anos seriam muito mais penosos. Não posso deixar de citar todos os professores que fizeram parte da minha forma- ção. Aos do colégio, agradeço por me darem uma excelente base para iniciar o curso deengenharia. Aosda faculdade, agradeço não apenasporrepassaremensinamentos sobre cálculos, teorias e técnicas usadas na Engenharia Eletrônica, mas também por me ensinarem a pensar de forma analítica. GostariadeagradeceraindaaoParqueTecnológicodaUFRJeàsempresasRadix, Koios e TEC-CI por patrocinarem esse e outros projetos da equipe MinervaBots. vii Por fim, agradeço ao meu orientador, Eduardo Nunes, por esclarecer, quando possível, as equações dos livros e, principalmente, por revisar o texto da monografia. viii RESUMO Nesse trabalho, considera-se o projeto completo de um robô autônomo para com- petir pela equipe MinervaBots UFRJ na categoria de Trekking da competição de robótica realizada pelo RoboCore. O robô tem como objetivo alcançar três pontos em um campo de maneira totalmente autônoma e em uma ordem pré-determinada, a partir de um ponto inicial conhecido. Dessa forma, esse trabalho apresenta a con- cepção completa de um veículo autônomo sobre rodas: a escolha e arranjo dos com- ponentes eletrônicos, mecânicos e eletro-mecânicos, o desenvolvimento do sistema de software do veículo, e, por fim, o desenvolvimento de duas malhas de controle, uma para mover o veículo próximo ao objetivo, e outra para movê-lo até o objetivo propriamente dito. Além disso, esse trabalho realiza um estudo de diferentes abordagens do controle de regulação de postura e como cada abordagem se comporta em campos diferentes. Também é apresentado um algoritmo para limitar o sinal de entrada dos motores, impedindo que seja requerido dos motores uma velocidade maior que a máxima que podem oferecer. Palavras-Chave: veículo autônomo, robô móvel não-holonômico, controle cinemá- tico, regulação de postura. ix ABSTRACT In this work, it is considered the complete design of an autonomous robot to com- pete for the MinervaBots UFRJ team in the Trekking category from RoboCore’s robotic competition. The robot’s objective is to reach three points in a field in a totally autonomous way and in a predetermined order, beginning from a known starting point. Thus, the complete design of anautonomous vehicle on wheels is pre- sented: the choice and arrangement of electronic, mechanical and electro-mechanical components, the development of the vehicle’s software system, and, finally, the de- velopment of two control loops, one to move the vehicle close to the target, and another to move it to the target itself. In addition, this work conducts a study of different approaches to control of pos- ture regulation and how each approach behaves in different fields. Also, presented is an algorithm to limit the input signal of the motors, preventing the motors to be required to spin at a speed greater than their maximum speed. Key-words: autonomous vehicle, nonholonomic mobile robot, kinematic control, posture regulation. x
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