Mostra Nacional de Robtica / 18 a 21 de Setembro de 2011 1

CONTROLE DE LOCOMOO HBRIDO PARA UMA CADEIRA DE RODAS

Marcelo Ardizzon Lovatte* Luis Eduardo Martins de Lima*

marcelovatte@hotmail.com luisedu@ifes.edu.br

*Coordenadoria de Engenharia Eltrica, Instituto Federal do Esprito Santo

Avenida Vitria, 1729 - Bairro Jucutuquara - CEP 29040-780 - Vitria - ES

Resumo: Este artigo apresenta o estudo e a implementao do

controle de locomoo para uma cadeira de rodas com trao

diferencial. Esta cadeira est instrumentada e com hardware de

controle que possibilita a gerao de trajetrias, e a deteco de

obstculos, a partir de um comportamento reativo. A gerao

de trajetria baseada no uso de polinmios de terceira ordem,

e o comportamento reativo obtido com inferncia nebulosa a

partir de sensoriamento ultrassnico. Esta mescla permite a

gerao de uma trajetria entre dois pontos quaisquer de um

ambiente (inicial e final), caracterizados por suas coordenadas

cartesianas e a orientao da cadeira, sendo evitadas colises

ao longo da execuo desta trajetria a partir de uma inferncia

nebulosa que utiliza como variveis de entrada a velocidade de

locomoo atual e a distncia ao obstculo, e como varivel de

sada, a velocidade futura da cadeira. A cadeira de rodas foi

dotada de sensores de distncia (ultrassom) e de velocidade

(encoders) para que a deteco de obstculos e a gerao de

trajetria fossem implementados em um sistema embarcado.

Palavras Chaves: Cadeira de rodas, Gerao de trajetria,

Lgica Nebulosa, Comportamento Reativo,

Microprocessamento.

Abstract: This article presents a study and implementation of a

control locomotion for a conventional wheelchair, their

mechanical structure and instruments were modified for this

purpose. The wheelchair has a locomotion system of the

traction differential type, with the possibility of trajectories

generation and avoid collisions from a reactive behavior. The

trajectory generation is based on the use of third-order

polynomials, and reactive behavior obtained by fuzzy

inference. This combination allows to generate the trajectory

between any two points of an environment (initial and final),

characterized by their Cartesian coordinates and chair

orientation, avoiding collisions during of execution trajectory

from a fuzzy inference, using as variables input current speed

of movement and distance to the obstacle, and as output

variable, the future speed of the chair. The wheelchair was

equipped with distance sensors (ultrasonic) and speed

(encoder) for the obstacle detection and trajectory generation

are implemented in an embedded system.

Keywords: Wheelchair, Trajectory generation, Fuzzy logic,

Reactive behavior, Microprocessing.

1 INTRODUO

De acordo com o ltimo senso feito pelo IBGE (Instituto

Brasileiro de Geografia e Estatstica), a quantidade de pessoas

classificadas como deficientes fsicos de 14,5% da populao

brasileira (censo de 2000). Esta conjuntura justifica esforos no

sentido de contribuir para a melhoria na qualidade de vida

destas pessoas. Visando esta melhoria, faz-se necessrio o

investimento em pesquisas que proporcionem contribuies s

condies de vida dos cadeirantes (portadores de necessidades

motoras especiais). A conjuntura atual referente ao uso de

cadeiras de rodas automatizadas (motorizadas) enfrenta

dificuldades como a falta de planejamento urbano adequado e o

elevado custo de aquisio (valores variam de R$ 8.000,00 a

R$ 15.000,00), a depender do fabricante, do nvel de

automao e nvel de autonomia, normalmente de 15 km. Vale

ainda ressaltar que, em geral as cadeiras disponveis

comercialmente em sua maioria no so dotadas da capacidade

de interao com o ambiente de navegao.

Esse trabalho visa obteno de melhorias para a

potencialidade das cadeiras de rodas, quanto mobilidade em

ambientes fechados. O prottipo desenvolvido utiliza uma

cadeira de rodas convencional no motorizada, que foi

modificada com a incluso de um motor de CC (Corrente

Contnua) para tracionar cada roda, sensores de velocidade e

distncia e circuitos de instrumentao, controle e

acionamento, caracterizando-a como um sistema robtico

mvel. O objetivo dotar o prottipo com autonomia suficiente

para locomoo em ambiente estruturado, com trajetria pr-

definida e a capacidade de evitar colises.

A principal motivao das arquiteturas reativas permitir a

implementao de sistemas de controle que possam responder

de forma rpida a uma variedade de eventos ou situaes no

ambiente, fazendo com que robs possam operar em ambientes

no-estruturados. Uma das primeiras arquiteturas reativas foi

introduzida por Brooks (1986), organizada em camadas de

competncia atravs de uma hierarquizao de

comportamentos. Os nveis mais altos correspondem

execuo dos objetivos das tarefas especificadas, enquanto as

de nveis mais baixos correspondem s tarefas bsicas, como as

que garantem a sobrevivncia e integridade do rob.

A navegao autnoma de plataformas mveis um foco de

pesquisa bastante explorado na atualidade, e tm sido obtidas

importantes contribuies a este tema com o uso de tcnicas de

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inteligncia artificial (ANDRADE, 2001). Um subproblema

deste enfoque a gerao de trajetria, cuja soluo, a

definio de um caminho que permita o deslocamento da

plataforma de uma posio e orientao inicial, conforme

ilustrado na figura 1, at a posio e orientao final pr-

estabelecida, respeitando condies cinemticas de interesse, e

evitando colises. Para a determinao de trajetrias sem

coliso, os mtodos mais importantes foram compilados por

Latombe (1991).

Neste trabalho, apresentada uma proposta de soluo para a

navegao autnoma de uma cadeira de rodas, com sistema de

locomoo em configurao trao-diferencial, utilizada em

ambiente fechado. Esta proposta se baseia em uma mescla de

gerao de trajetria por uso de polinmios paramtricos de

terceiro grau proposto por Pedrosa (2002), e a deteco de

obstculos com ajuste da velocidade de locomoo, a partir de

uma inferncia nebulosa sobre a distncia da cadeira ao

obstculo e a velocidade atual da cadeira.

Figura 1 Representao da cadeira no espao.

A inferncia nebulosa utilizada para definio do

comportamento reativo evitar colises, permite uma eficiente aproximao entre a deciso computacional e a deciso

humana, o que viabiliza o ajuste da dirigibilidade da cadeira ao

conforto do usurio, com suaves transies entre distintas

situaes durante a locomoo (KULITZ, 2004).

Com o uso da lgica nebulosa foi possvel tratar relaes entre

a velocidade da cadeira (medida por encoder ptico), e a

distncia desta aos obstculos (medida por ultrassom),

atribuindo a cada uma destas variveis trs distintas

classificaes (valores lingusticos), a citar: curta, mdia e

longa para distncia, e baixa, mdia e alta para velocidade. A

partir destas relaes, a inferncia nebulosa define a velocidade

compatvel locomoo, aliando conforto para o usurio e

segurana ao evitar colises.

2 ARQUITETURA DE CONTROLE

Uma arquitetura de controle deve assegurar a realizao das

tarefas do rob de maneira robusta e estvel. Assim, este

projeto apresenta a implementao de uma arquitetura de

controle hbrida, que combina as caractersticas dos paradigmas

deliberativo e reativo (GRASSI, 2006), para o controle de

locomoo da cadeira.

Com esta abordagem, a cadeira pode ser submetida tarefa de

realizar uma trajetria pr-definida, cuja modelagem

processada em um notebook (nvel hierrquico superior), e

simultaneamente detectar e evitar a coliso com obstculos que

estejam ao longo desta trajetria, sendo este processamento

embarcado. Ou ainda, a cadeira pode realizar a tarefa de vagar

em um ambiente, evitando colises, viabilizando a funo de

mapeamento por explorao.

A Figura 2 ilustra a realizao de uma trajetria retilnea

interrompida pela presena de um obstculo (armrio de ao),

detectado pelos sensores de ultrassom.

Figura 2 - Reao da cadeira de rodas ao encontro de um

obstculo.

A figura 3 ilustra a funcionalidade da arquitetura de controle

proposta.

Figura 3 Diagrama da arquitetura hierrquica proposta.

Na figura 4, so ilustradas simulaes que apresentam as

execues de duas trajetrias que possuem o mesmo incio e

destino, porm, na imagem b um obstculo inserido no caminho, o que exige o processamento do comportamento

reativo e a redefinio da trajetria para que seja evitada uma

coliso.

Figura 4 Resultado da simulao de trajetrias sem e com a presena de obstculos.

Gerao de

Trajetrias

Atuadores

s

Controle e

Acionamento

Sensores

Planejamento

Coordenao

Atuao

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3 GERAO DE TRAJETRIA

O controle de sistemas embarcados deve ser caracterizado por

baixo custo computacional, tanto em hardware como em

software, o que viabiliza portabilidade, velocidade de

processamento, controle em tempo real e maior autonomia.

Em funo destas caractersticas, foi escolhido o mtodo de

gerao de trajetria proposto por (PEDROSA, 2002) a ser

aplicado na cadeira, pois, a definio do caminho obtida

atravs de uma equao fechada, e de processamento rpido o

suficiente para permitir o clculo de posio e orientao da

cadeira a cada passo de amostragem.

Para uma trajetria cujos parmetros iniciais e finais so:

Os polinmios de terceiro grau apresentados abaixo

representam geometricamente a trajetria parametrizada por (sendo (0,1) e para = 0 inicio da trajetria e = 1 final da trajetria), e definem a posio cartesiana do rob ponto-a-

ponto da trajetria gerada.

(1)

(2)

Sendo:

(3)

Onde di = tan i, df = tan f , x = xf - xi e y = yf - yi

Logo:

(4)

(5)

(6) O ngulo de orientao imposto de forma a respeitar o deslocamento da cadeira ao longo da trajetria, portanto, a cada

passo de amostragem o ngulo depender da posio anterior

( - 1) e da posio atual (). Para a condio inicial ( = 0), a equao 6 no satisfeita, ento:

Atravs da ferramenta de simulao desenvolvida com

linguagem de programao C em um ambiente de programao

visual (LabWindows), a trajetria traada conforme a figura

abaixo:

Figura 5 Trajetria gerada a partir de polinmios de terceiro grau.

4 INFERNCIA NEBULOSA

Com as informaes recebidas dos sensores ultrassnicos para

medio da distncia da cadeira aos obstculos, e o

sensoriamento com encoders para a velocidade de

deslocamento, possvel identificar a tendncia de coliso

durante a realizao da trajetria desejada.

Neste trabalho a inferncia nebulosa foi implementada com

duas funes de pertinncia de entrada, definidas para as

variveis lingusticas velocidade de locomoo e distncia

frente entre a cadeira e o obstculo, sendo estas compostas por

trs conjuntos nebulosos com valores lingusticos baixa, mdia

e alta para velocidade, e curta, mdia e longa para distncia.

Esta inferncia inclui ainda a varivel de sada que definida

como velocidade futura da cadeira, cuja funo de pertinncia

tambm subdividida em trs conjuntos nebulosos para os

valores baixa, mdia e alta (JUNIOR, 2003).

Os conjuntos nebulosos mais utilizados so aqueles que

possuem uma funo de pertinncia regular, ou seja, sem

mudanas bruscas, que mostram claramente a passagem

progressiva da no-satisfao para a satisfao da propriedade

qual eles esto associados (Campos, 2004). O tringulo e o

trapzio foram utilizados, pois, representam bem estes tipos de

conjuntos, indicados na figura abaixo:

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Figura 6 Funes de pertinncia de entrada e sada.

A partir dos conjuntos nebulosos de entrada e sada, foram

definidas nove regras (tabela 1) que mapeiam as condies

atuais de locomoo na definio da velocidade futura da

cadeira. O mtodo de inferncia utilizado foi o de mx-min de

Mamdani (MAMDANI, 1975) e as regras compostas de acordo

com o seguinte padro:

SE a distncia frente curta E a velocidade atual alta ENTO a velocidade futura baixa.

Tomando como referncia o modus ponens generalizado, podemos representar a regra acima da seguinte forma:

(7)

Onde:

Grau de pertinncia da varivel velocidade

futura para o conjunto nebuloso baixa;

Grau de pertinncia da varivel distncia para o

conjunto nebuloso curta;

Grau de pertinncia da varivel velocidade atual

para o conjunto nebuloso atual.

Tabela 1 Regras Fuzzy utilizadas no sistema.

Entrada Sada

Distncia

frente

Velocidade

atual

Velocidade

futura

Curta Baixa Baixa

Curta Mdia Baixa

Curta Alta Mdia

Mdia Baixa Mdia

Mdia Mdia Mdia

Mdia Alta Mdia

Longa Baixa Mdia

Longa Mdia Alta

Longa Alta Alta

A definio das regras deve tambm considerar algumas

restries dos dispositivos usados para realizar o sensoriamento

do ambiente. Por exemplo, o sensor ultrassnico utilizado para

medir distncia a um obstculo, tem alcance mximo de trs

metros, dessa maneira para uma distncia considerada longa a cadeira de rodas no dever ter velocidade de locomoo

mxima.

A partir da definio das regras, e dos valores de entrada

(distncia e velocidade atual) fuzzificados, a inferncia

nebulosa processa o operador mn sobre as pertinncias de cada

antecedente (conforme j foi descrito acima) para definio da

pertinncia do consequente de cada regra disparada, e o

operador mx para a definio da pertinncia resultante dos

consequentes inferidos (disparados), em cada conjunto

nebuloso da funo de pertinncia de sada. Os coeficientes das

regras de sada podem ser representados da seguinte forma:

(8)

(9)

(10)

No processo de defuzzificao foi escolhido o mtodo do

centro de rea (PATEL, 2005) em funo de seu baixo custo

computacional o que favorece o uso de uma arquitetura de

controle embarcada de baixa complexidade.

5 PROTTIPO A plataforma foi criada a partir de uma cadeira de rodas

convencional, adaptada mecanicamente como pode ser visto na

figura 7, tendo sido incorporados os motores de trao e

sensores.

A cadeira de rodas possui um sistema de controle

microcontrolado pelo PIC16F877A, dois motoredutores de CC

cada um com potncia de CV, e relao de reduo de 60:1,

duas placas para acionamento de potncia (drivers) sendo uma

para cada motoredutor com capacidade para 20 A. Os

motoredutores so sensoriados por encoders pticos com dois

canais em quadratura (um para cada roda), para medio de

velocidade e tambm utilizado um sensor ultrassnico para

medio de distncia frente em relao a obstculos.

Figura 7 Estrutura da cadeira (original e adaptada).

A medio de distncia atravs de sensor ultrassnico impe

algumas restries como: curta distncia de alcance

(aproximadamente trs metros), reflexo em quinas gerando

um falso obstculo, no deteco quando o obstculo faz um

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ngulo menor que 45 e pouca preciso para deteco de

pequenos obstculos. Estas restries so informadas pelo

prprio fabricante do sensor, esto ilustradas na figura 8, e

tambm foram constatadas aps vrios testes realizados, sendo

a inferncia nebulosa sintonizada para o melhor desempenho

de monitoramento em ambiente fechado.

Figura 8 Restries para medio de distncia com sensor ultrassnico.

Assim como o controle de baixo nvel (acionamento dos

motores), o tratamento das informaes recebidas do sensor

ultrassnico tambm realizado a partir de um

microcontrolador PIC 16F877A. A distncia calculada em

funo do tempo de voo da onda refletida (eco) e da

temperatura do ar, conforme as equaes abaixo:

(11)

(12)

Sendo:

Var: Velocidade do som no ar em m/s;

Tar: Temperatura do ar em C;

t: Tempo de voo da onda refletida em segundos;

D: Distncia ao obstculo em metros.

A figura 9 ilustra a instalao do sensor ultrassnico na

cadeira, assim como, apresenta em imagem detalhada o suporte

(base em alumnio) a qual esto fixados os sensores utilizados.

Figura 9 - Sensor ultrassnico adaptado cadeira de rodas.

A figura 10 apresenta o encoder utilizado na cadeira, acoplado

ao eixo de sada da reduo. Embora, esta configurao para o

acoplamento do encoder no seja a mais adequada obteno

de maior grau de preciso no controle de velocidade e posio,

mecanicamente esta configurao foi a nica possvel, pois o

eixo do motor no est disponvel.

Figura 10 - Encoder acoplado ao eixo da roda-redutor.

O hardware embarcado de controle utiliza um PIC16F877A

para processamento de duas malhas de controle PID, e gerao

de sinal de controle por modulao PWM, e ainda estabelece

uma interface de comunicao com o PC no nvel de

coordenao, e ainda um segundo processador PIC16F877

responsvel pelo monitoramento dos sensores e tomada de

deciso atravs da inferncia nebulosa. O objetivo de

implementar uma arquitetura de hardware descentralizada

permitir maior modularidade e expansibilidade para execuo

de trabalhos futuros.

Figura 11 Hardware embarcado.

A figura 12, por sua vez, ilustra como os dispositivos que

compem o sistema de controle interagem entre si.

Figura 12 Diagrama de funcionamento do sistema.

6 CONCLUSO

O estgio atual de desenvolvimento deste trabalho permitiu a

comprovao da validade dos resultados de simulao atravs

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de um sistema de controle embarcado em uma cadeira real. A

deteco de obstculos a frente da cadeira define a reao com

reduo de velocidade e parada evitando a coliso, o que j

permite a locomoo da cadeira em estruturado preservando a

integridade fsica do usurio. O uso da inferncia nebulosa

proporciona suavidade no controle da reao tendncia de

coliso, pois, o ajuste das funes de pertinncia de entrada e

sada viabiliza o controle fino de transio entre os nveis de

velocidade futura a partir da transio de estados da velocidade

atual e distncia aos obstculos. A partir da implementao do

comportamento reativo, inicia-se o desenvolvimento do

controle para a execuo de trajetrias pr-definidas pelo

mtodo de polinmios de terceira ordem. A integrao entre a

realizao de trajetrias e o comportamento reativo dota a

cadeira com a capacidade de executar tarefas, em ambiente

estruturado, com metas que incluam locomoo entre origem e

destino livres de colises, viabilizando tambm, para trabalhos

futuros, a otimizao de rotas.

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