Controlo e navegação em robótica móvel com base em Arduino e ZigBee

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesEsta dissertação aborda o tema da navegação cooperativa em robótica móvel. Dentro deste vasto assunto, dá-se especial ênfase à comunicação entre os vários veículos robóticos e entre estes e o nó de processamento central (PC) onde é executado o algoritmo de navegação cooperativa. São apresentadas soluções alternativas em termos de protocolo de comunicações, tendo em vista os objectivos do presente trabalho. O projecto envolveu o desenvolvimento de um veículo robótico autónomo munido de sensores de distância (infravermelhos e ultra-sons), bússola digital, sensores de odometria (encoders) e actuadores (motores DC e servomotor), todos eles ligados a um microcontrolador Arduino. É adoptado o protocolo ZigBee para a comunicação entre todos os nós do sistema cooperativo, incluindo o nó de processamento central. A construção e teste do veículo é descrita e documentada em detalhe (incluindo registos fotográficos). Exploram-se os tópicos da percepção, localização e actuação em robots móveis, e propõem-se soluções para controlo de motores e seguimento de trajectórias. O trabalho envolve o estudo de diversos sensores e motores, bem como arquitecturas para a programação de robots, nomeadamente a arquitectura baseada em comportamentos hierarquizados em níveis de prioridade. Neste contexto, são apresentados e descritos detalhadamente os comportamentos implementados. Foram realizados testes parcelares, nomeadamente de caracterização e calibração dos sensores, configuração e desempenho das comunicações e afinação do controlo das rodas motrizes, seguidos de teste de funcionamento global. Para este efeito, definiu-se uma tarefa de aquisição de dados sensoriais ao longo de um percurso com etapas previamente definidas. Esses dados são transmitidos ao PC e utilizados por um algoritmo de localização 2D baseado num filtro de partículas. Os resultados deste teste são analisados em detalhe. São discutidos possíveis caminhos de evolução em trabalho futuro.This dissertation addresses the topic of cooperative navigation in mobile robotics. Within this vast subject, particular emphasis is placed on the communication among the various robotic vehicles and between these and the central processing node (PC) executing the cooperative navigation algorithm. Alternative communication protocols are presented in the context of the envisaged implementation. An autonomous robotic vehicle was developed in the course of the project, equipped with range sensors (infra-red and ultra-sonic), a digital compass, odometers (encoders) and actuators (DC and servo motors), all connected to an Arduino micro-controller. The ZigBee protocol is adopted for communication among all the nodes in the cooperative system, including the central processing node. The construction and testing of this vehicle is described and documented in detail (including photos). The work explores the topics of perception, localisation and actuation in mobile robots and proposes solutions for motor control and path following. Various sensors and actuators are studied, as well as robot programming architectures, especially behaviour-based programming using hierarchical priority levels. The behaviours actually implemented on the robotic vehicle are presented and described in detail. Following partial tests for sensor characterisation and calibration, configuration and performance assessment of the communication links and wheel motor drive adjustment, a global operation test was carried out. For this purpose, a sensor data acquisition task was defined over a pre-defined path comprising several different stages. The data are transmitted to the PC to feed a 2D localization algorithm based on a particle filter. The test results are analysed in detail. Possible future work threads are discussed