LABORATORIO DOCENTE DE ROBOTS MÓVILES, COOPERANTES Y AUTÓNOMOS
JOSEP LLUIS DE LA ROSA
Departamento de Electrónica, Informática y Automática
Escuela Politécnica Superior
Universidad de Girona
peplluis@eia.udg.es
Resumen.: Esta comunicación propone un laboratorio de robots móviles, cooperantes y autónomos, sus elementos, así como se puede explotar en los estudios de ingeniería.
I. INTRODUCCIÓN
Objetivo del trabajo: un laboratorio de sistemas inteligentes con "muchos" robots, que cree entusiasmo en los estudiantes de la especialidad en electrónica y automática, así como los estudiantes de informática.
La experimentación utilizando robots, diseñados para que se comporten como sistemas dinámicos, resulta costosa y complicada si se pretende llevar a cabo con grandes robots. Cualquier experimento resulta costoso en tiempo y en material (aun suponiendo que se dispone de la plataforma ya construida e instrumentalizada). Los autores muestran un laboratorio utilizando unos microrobots** de dimensiones reducidas, con los cuales se pueden llevar a cabo diferentes experimentos. La plataforma fue diseñada para experimentación en investigación. Ésta puede ser utilizada
para realizar múltiples experimentos; cooperación de múltiples robots, sistemas agentes, supervisión de sistemas y controladores, procesado de la imagen, sistemas tiempo
real. También es posible trabajar algunos aspectos más tecnológicos sobre los microrobots: utilización de diferentes arquitecturas microprocesadas, actuadores y sensores. A efectos docentes se utiliza dicha plataforma para emular el juego del fútbol. Esta emulación motiva todavía más a los estudiantes dado el aspecto lúdico que contiene, y más si tenemos en cuenta que como proyecto de una asignatura de libre elección se organiza una competición de fútbol
II. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
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FIG. 1 SISTEMA GLOBAL
El sistema está formado por una cámara situada a unos 2 m de altura, la ../files/imagen de la cámara es procesada por un ordenador, después de este procesado se dispone de las posiciones de todos los microrobots. A partir de las posiciones el ordenador determina las ordenes a transmitir a cada microrobot. Las ordenes se transmiten a los robots vía radio de manera que estos son completamente autónomos, pueden funcionar sin la intervención humana. El sistema está dividido en dos niveles. Un nivel superior o Host que realiza funciones de planificación y supervisión y un nivel inferior, en este caso el microrobot, la función del cual es ejecutar de forma correcta las instrucciones enviadas por el Host.
III. DESCRIPCIÓN DE UN MICROROBOT
En la figura 2 se ve el aspecto de un microrobot, la arquitectura de la placa microprocesada de control se describe en el artículo [Ramon 98]. Los robots son de dimensiones reducidas, un cubo de 7.5 cm de lado, la velocidad máxima a la que se pueden desplazar es de 80 cm/s. El microrobot dispone de una parte de sensorización local: 2 sensores fotoeléctricos y encoders sobre los ejes de los motores.
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FIG. 2 DESCRIPCIÓN DE UN ROBOT
Funcionamiento del microrobot
El ordenador principal o Host envía las posiciones por las que ha de pasar el robot, el cálculo de estas posiciones se realiza cada segundo, aunque cada 100 ms los robots reciben las posiciones respectivas, el robot las utiliza juntamente con la lectura de los encoders, para realizar un control local de posición.
IV. ENTORNO DE CONTROL Y SUPERVISIÓN
Para llevar a cabo el control y la supervisión del sistema se ha desarrollado un entorno utilizando para ello Visual C++, el aspecto de este entorno se da en la figura 4.
Desde la pantalla de la figura 4.a, se realiza el control del juego (iniciar, parar, identificar robots, alarmas, etc ...), la pantalla 4.b permite obtener la posición de los microrobots y una visualización de los mismos sobre un gráfico que reproduce a escala el campo en el que se mueven los robots. Este entorno permite también realizar una calibración del campo respecto al sistema de visión. Otra pantalla similar a la 4.b permite marcar una trayectoria, generar las consignas necesarias y capturar la trayectoria ejecutada por el robot para poder comparar resultados o abrir el fichero desde el interior de programas de simulación como Matlab-Simulink.
V. ESTRUCTURA DEL LABORATORIO
Actualmente se está trabajando en la puesta en funcionamiento de algunos benchmarks, de manera que puedan ser ejecutados a través de Internet o vía TCP/IP, esta opción ya es posible, de manera que en un laboratorio se dispone de un Host servidor, que permite al usuario ejecutar los experimentos preprogramados con sus parámetros y ver el resultada de los mismos. De esta manera un usuario remoto puede llevar a cabo diferentes experimentos sin necesidad de estar físicamente en el laboratorio donde está situada la plataforma, ver figura 5.
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FIG. 5 DESCRIPCIÓN DEL LABORATORIO
Desde el punto de vista docente se imparten dos asignaturas de libre elección en este laboratorio, donde en la primera el alumno aprende el funcionamiento de un solo robot y en la segunda deberá trabajar con múltiples robots con el objetivo de preparar una competición de fútbol microrobótico. La inversión de este laboratorio es tal como sigue:
Entonces la inversión requerida para montarlo es de 4.2 millones de pesetas, a parte del mobiliario consistente en 2 campos de fútbol del tamaño de una mesa de pingpong, estructuras de iluminación para dar 1000 lux uniforme en cada campo de fútbol, 4 mesas de laboratorio y 20 sillas de laboratorio, que requiere de una inversión adicional de 750.000 pesetas.
Vistas de cómo se ejecutan las classes demostrativas son las siguientes:
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VI. PROSPECTIVA DE CLASES DE PRÁCTICAS
Esta plataforma ha servido de base para asignaturas de libre elección impartida por el Departamento de Electrónica, Informática y Automática. A partir de ahora el laboratorio está preparado para una explotación masiva en asignaturas obligatorias y optativas de 2n y 1r ciclos de ingeniería industrial y de la ingeniería técnica en electrónica.
A nivel robot
A nivel hostControl local: el robot debe ejecutar de forma correcta las consignas enviadas por el host, para ello debe disponer de un control local, que se pueden adoptar diferentes estrategias, ej. control PID. Arquitecturas microprocesadas: utilización de diferentes arquitecturas para la construcción de la placa de control; arquitecturas PIC, microcontroladores o microprocesadores. Sensores: Infrarrojos, ultrasonidos, fotoeléctricos, encoders de diferentes construcciones. Actuadores: Motores de DC y motores paso a paso. En cada caso se ha estudiado los interfaces de potencia son necesarios para accionar los diferentes motores Se han preparado algunas prácticas y otras están en preparación o proyecto. Aquí vemos las prácticas y el tipo de asignaturas que pueden recibir servicio de este laboratorio.Estrategias de control Cooperación de robots Monitorización de sistemas dinámicos Y estas prácticas se distribuyen como sigue en la tabla número 1de la siguiente páginaMCPRED. Control predictivo de la trayectoria de un robot. MFK. Filtre de Kalman eliminando ruido en la medida de posición de 1 robot. MCR. Control Robusto delante de imprecisiones del modele. MCP. Diseño de un controlador proporcional con especificaciones de precisión del control de un robot. MPOLS. Asignación de Polos para el comportamiento de un robot. MID. Identificación de la función de transferencia de 1 robot. MMOD. Modelización de un robot. MPLT. Planificación de trayectorias. MSUP. Supervisión del comportamiento de un robot en la ejecución de trayectorias. MARQ. Arquitectura del sistema integrado. MTR. Tiempo real y sistemas discretos en el control del robot. MDNN. Decisión de las acciones de un robot mediante redes neuronales. MDSE. Decisión de las acciones de un robot mediante Sistemas Expertos. MDAG. Decisión de les acciones de un robot mediante Algoritmos Genéticos. MPERP. Sistemas de percepción aplicados a los robots. Seguimiento de objetos a color en tiempo real. MAV. Control de alta velocidad. Coordinación de acciones con alta velocidad. MCON. Convoyes de vehículos autónomos dentro de celulas de produccióm industrial. MCC. Control en cascada de 1 robot. Decisión cooperativa: agentes deliberativos. MDCF. Decisión cooperativa: agentes físicos. Inteligencia Artificial embedded. MMPD. Microprocesadores embedded. MC1x1. Competición de fútbol 1x1. MC5x5. Competición de fútbol 5x5. MAGENT0. Diseño de agentes (decisión de un robot) con el lenguaje agent0. Otras prácticas más relacionadas con los microprocesadores y la electrónica de potencia . VII. CONCLUSIONES
Como se ha visto se trata de una plataforma en la que se puede experimentar con sistemas que disponen de una dinámica donde los experimentos que se pueden llevar a cabo son múltiples, además de permitir teleoperación. El coste de la plataforma es relativamente bajo si se compara con otros sistemas multi-robot. Resulta atractiva para los estudiantes, lo cual siempre facilita la tarea docente a quien tiene que impartir los conocimientos teóricos y prácticos necesarios.
VI. AGRADECIMIENTOS
Ese trabajo está financiado parcialmente por el proyecto CICYT TAP98-0955-C03-02, "Diseño de agentes físicos (DAFne)" del gobierno español.
VII. REFERENCIAS
Para obtener más información se pueden consultar las direcciones que se dan a continuación. Sobre la asignatura, Futbol y afición a la ciencia: http://rogiteam.udg.es/docencia/docencia.shtml Sobre la plataforma: http://rogiteam.udg.es
[1] Ramon J.A., Figueras A., Oller A., y de la Rosa J. Ll. "Plataforma docente de robots móviles, cooperantes y autónomos". Congreso TAEE (Tecnologias Aplicadas a la enseñanza de la electrónica), pp. 47-51. Septiembre 1998, Madrid.
[2] de la Rosa J. Ll. I Montaner M., "Docència de tècniques d’IA mitjançant Javasoccer". Actes del 2n Congrés Català d’Intel·ligència Artificial i Butlletí de l’ACIA, num 18-19, pp: 99-108, octubre 1999.
VIII. CURRÍCULUM
Josep Lluís de la Rosa es Doctor en Ciencias por la Universidad Autónoma de Barcelona desde 1993 http://eia.udg.es/~peplluis. Tras consecutivas estancias pre y postdoctorales en Francia, es el director del grupo de investigación eXiT, Ingeniería de Control y Sistemas Inteligentes, desde el 1994, http://eia.udg.es/exit. Sus trabajos más conocidos son los agentes físicos y especialmente los relacionados con los desarrollos con robots futbolistas, http://rogiteam.udg.es
TABLA 1. CÁLCULO DE LA UTILIZACIÓN DEL LABORATORIO
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EI = INGENIERÍA INDUSTRIAL
EINF = INGENIERÍA INFORMÁTICA
ETIS = INGENIERÍA TÉCNICA EN INFORMÁTICA DE SISTEMAS
ETI-EI = INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL EN ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
EL SISTEMA INTEGRADO DE LA PLATAFORMA DE EXPERIMENTACIÓN
DE ROBOTS MÓVILES, AUTÓNOMOS Y COOPERANTES
JOSEP LLUÍS DE LA ROSA ESTEVA BIANCA M. INNOCENTI
BADANO
Escuela Politécnica Superior Escola Politècnica
Superior
Universitat de Girona Universitat de Girona
peplluis@eia.udg.esbianca@eia.udg.es
Resumen: Descripción de la plataforma de experimentación de robots móviles y autónomos, utilizados para la emulación de un partido de fútbol robótico. Hay un breve resumen del sistema de visión utilizado, el de control y la estructura de los micro-robots utilizados.Palabras Clave: Sistemas Multi-Agentes, Control, Robots Móviles y Autónomos.
I. INTRODUCCIÓN
La plataforma de experimentación de robots móviles y autónomos está formada por un campo de fútbol, por un sistema de control, por un sistema de visión y por 5 micro – robots (como máximo) por equipo.
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FIGURA 1: PLATAFORMA UTILIZADA PARA JUGAR FÚTBOL.
El sistema de visión, utilizando una cámara CCD, captura las posiciones de los robots y la pelota (PC_1) y las transmite al sistema de control (PC_2), el cual se encarga de decidir las acciones que realizarán los jugadores y de enviarlas a los robots vía un enlace de radio (Radio Link).
A continuación se explicarán brevemente las diferentes partes del sistema integrado.
II. CAMPO DE FÚTBOL
Actualmente existen dos tipos de competiciones diferentes en las cuales los robots de la Universitat de Girona pueden participar. Éstas son la MIROSOT y la RoboCup. Cada una de ellas tiene sus propias reglas, en las cuales se especifican tanto el tamaño del campo como el de los jugadores, además de las medidas del área, círculo central, etc., y las reglas referentes al desarrollo del juego. Debido a esto, el campo de fútbol, formado por una plataforma de madera, tiene diferentes medidas.
La Fig. 2 muestra las medidas del campo de fútbol de la MIROSOT y la Fig. 3, la de la RoboCup. También se muestran el tamaño del área, del círculo central y de las porterías. Además, en la MIROSOT se especifican las posiciones que deben ocupar la pelota y los robots para determinadas situaciones de juego como son los penales y los tiros libres.
En la MIROSOT el tamaño máximo permitido para los jugadores es el de un cubo de 7,5 cm de lado, mientras que en la RoboCup, el área total ocupada por un robot no debe pasar de los 180 cm2 y además, el robot debe caber dentro de un cilindro de 18 cm de diámetro.
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FIGURA 2: MEDIDAS DEL CAMPO DE FÚTBOL EN LA MIROSOT
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FIGURA 3: MEDIDAS DEL CAMPO DE FÚTBOL EN LA ROBOCUP
III. SISTEMA DE VISIÓN
Ambos reglamentos permiten el uso de un sistema de visión global, colocando una cámara de vídeo a unos 2 metros de altura sobre el campo en el caso de la MIROSOT y a 3 metros, en la RoboCup. También se estipula el color y el tamaño de la pelota, que tiene que ser una de golf de color naranja. Para diferenciar los equipos se utilizan los colores azul y amarillo. Además de éstos, se permite utilizar dos colores más (sin restricciones, de momento) para identificar a los jugadores y para determinar su orientación, si hace falta.
El RoGi team, utiliza el color magenta para determinar la orientación de sus jugadores y el color verde, para saber el número de robot. La Fig. 4 muestra los diferentes "patchs" usados, con ambos colores de equipo.
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FIGURA 4: "PATCHS" USADOS POR EL ROGI TEAM
El programa de visión da las coordenadas (posición y orientación) de los robots del equipo, las coordenadas (posición) de los jugadores del equipo contrario y las coordenadas (posición actual y predicción un segundo después) de la pelota. Las posiciones están en mm y los ángulos en grados. El programa de visión se comunica con el de control, por medio de sockets (programas que permiten el flujo de información a través de la red) y el orden en que se pasan los datos es el siguiente:
TABLA 1: ORDEN DE LOS DATOS QUE SE ENVÍAN A
TRAVÉS DEL SOCKET
XP | YP | XP1 | YP1 | XJ1 | YJ1 | OJ1 | XP2 | YP2 | OJ2 |
XJ3 | YJ3 | OJ3 | XJ4 | YJ4 | OJ4 | XJ5 | YJ5 | OJ5 | XC1 |
YC1 | XC2 | YC2 | XC3 | YC3 | XC4 | YC4 | XC5 | YC5 | I |
Donde:
IV. MICRO-ROBOTS
Las medidas de los robots son las de un cubo de 7.5
cm de lado, para poder participar en la MIROSOT. Las partes que componen
los micro-robots son, dos motorreductores, que dan la motricidad al robot,
dos ruedas colocadas directamente al eje del motorreductor, unas baterías
que alimentan la electrónica y los motores, una placa con todos
los componentes electrónicos, una emisora para la comunicación
con el PC de control y finalmente la carcasa para sujetar todos los elementos.
La ubicación de éstos, se muestra en la Fig. 5.
FIGURA 5: FOTOGRAFÍA DEL MICRO-ROBOT
En ella se puede observar que en la parte inferior del micro-robot se encuentran las baterías, que envuelven a los motorreductores; en la parte superior está la placa con todos los componentes y finalmente, sobre esta última, la emisora.
Un detalle importante en la estructura del robot es que las ruedas se encuentran sobre ejes diferentes, debido al reducido tamaño del robot y al acoplamiento directo al motorreductor, como se muestra en la Fig. 6.
FIGURA 6: DISPOSICIÓN DE LOS MOTORES
Cada robot tiene dos motores, un micro-controlador y un pack de nueve baterías para la alimentación de los motores y del micro-controlador. Las características del micro son:
La carcasa que protege al robot es más grande que el cubo de 7.5 cm de lado (sirve para adaptar el tamaño a la RoboCup), y tiene dos finalidades esenciales, evitar que el robot quede enganchado en las paredes y mejorar la conducción de la pelota.
La apariencia final del robot es la mostrada en la Fig. 7.
FIGURA 7: APARIENCIA EXTERNA DEL MICRO-ROBOT
La comunicación del micro-robot está basada en la recepción vía radio, con frecuencia de la portadora de 418 o 433 MHz. Los receptores que llevan los robots son de la casa Radiometrix. La Fig. 8 muestra la placa y el receptor utilizados.
FIGURA 8: RECEPTOR DEL MICRO-ROBOT
Los micro-robots reciben la trayectoria a ejecutar desde el ordenador de control.
V. SISTEMA DE CONTROL
El sistema de control está formado por dos programas:
el de control, propiamente dicho y el de transmisión, que controla
el puerto serie del PC. La comunicación entre éstos, también
es vía sockets.
En la Fig. 9 se muestra la pantalla principal del
programa de control. En el menú principal se encuentran:
- La opción File que permite cargar diferentes configuraciones (tamaño de campo, tiempos de ejecución de consignas, número de jugadores, etc.) así como guardarlas. Al iniciarse el programa, carga automáticamente la última configuración guardada.
FIGURA 9: PANTALLA PRINCIPAL DEL PROGRAMA DE CONTROL
- La opción Language permite seleccionar el idioma en que se desea trabajar. Están disponibles, versiones en castellano, catalán e inglés.
- La opción Help que permite tener ayuda sobre el programa.
- La opción Configuration que permite cambiar todos los parámetros disponibles. Dentro de ésta, existen 5 submenús que son:
Al seleccionar la casilla Play with two teams
el programa principal controla ambos equipos. Team Color, colores
de equipo, sirve para diferenciar cada equipo en la ventana de juego.
Dentro de ésta, hay otra pantalla:
En esta ventana, también se puede visualizar el estado actual del "objeto robot", es decir, si éste tiene acceso a los sistemas de visión y comunicación y si los timers de control, supervisión y agente están funcionando. Tanto el supervisor como el agente pueden desactivarse.
En esta ventana existe otro botón, TestRobot, que llama a otra y que permite verificar si la comunicación entre el programa de control y el de transmisión funciona bien, y además si el robot, al recibir un mensaje definido por el usuario, realiza la acción deseada.
Existen 4 parámetros que pueden modificarse y que son:
Como se dijo anteriormente, además de este programa, hay otro para el del manejo del puerto serie. Éste sirve para evitar que los mensajes para los diferentes robots se pierdan o sobreescriban cuando los "objetos robots" intenten acceder al mismo tiempo al puerto serie del PC, para enviar las órdenes. La Fig. 16 muestra la pantalla principal del programa.
Como se puede observar, este programa permite cambiar
algunos parámetros. Los que se pueden modificar sin alterar el funcionamiento
del conjunto (programa de control y robot) son:
Los parámetros que, cuando se modifican afectan
la correcta ejecución del programa son:
En el protocolo de comunicaciones serie, hay algunos
parámetros que se pueden fijar cuando se desea conectar dos dispositivos.
Ellos son el bit de stop (pueden ser 1, 1.5, 2), el de paridad (sin paridad,
paridad par, paridad impar), la velocidad de comunicación (110,
300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, etc.) i el número de bits de información
contenidos en el paquete de comunicación (5, 6, 7, 8). Estos parámetros
NO se pueden cambiar porque habría que modificarlos también
en el robot, para que los dispositivos pudieran entenderse.
VI. CONCLUSIONES
Actualmente se dispone de una plataforma estable de experimentación de robots móviles y autónomos, que permite desarrollar experimentos repetibles y probar nuevas teorías en un entorno no estructurado, dinámico y multiagente, simulando un partido de fútbol, donde intervienen agentes cooperantes y agentes rivales. Como trabajo futuro, hay que aumentar la robustez de la plataforma.
VII. AGRADECIMIENTOS
Este trabajo está financiado por los proyectos TAP98-0955-C03-02 "Diseño de agentes físicos (DAFNE)" y TAP99-1354-E, "Eurobot-Iberia: red temática en agentes físicos" del Organismo Español CICYT
VIII. CURRÍCULUMS
Josep Lluís de la Rosa es Doctor en Ciencias por
la Universidad Autónoma de Barcelona desde 1993 http://eia.udg.es/~peplluis.
Tras consecutivas estancias pre y postdoctorales en Francia, es el director
del grupo de investigación eXiT, Ingeniería de Control y
Sistemas Inteligentes, desde el 1994, http://eia.udg.es/exit.
Sus trabajos más conocidos son los agentes físicos y especialmente
los relacionados con los desarrollos con robots futbolistas, http://rogiteam.udg.es
Bianca M. Inncenti Badano es Ingeniero Electrónico
egresada de la Universidad Nacional de San Juan, República Argentina.
Becada por la Universitat de Girona desde 1998 para realizar el doctorado
en Inteligencia Artificial. Su línea de investigación es
la influencia del cuerpo físico de un agente en la toma de decisiones
y en la cooperación.