Aplicação de técnicas de fusão-integração sensorial de dados no levantamento do relevo de objectos

Tese de doutoramento em Engenharia de Electrónica IndustrialO presente trabalho de investigação situa-se na área da robótica fixa inteligente apoiada pela fusão/integração sensorial de dados. A utilização de sistemas baseados em multi-sensores tem permitido o aparecimento de novas áreas e o desenvolvimento de outras já existentes. O reconhecimento de objectos, a robótica móvel com aplicações essencialmente ao nível da navegação, as técnicas de navegação para aeronaves e as tarefas industriais automatizadas, como a montagem, a rebarbagem ou o polimento, são alguns exemplos de aplicações em que os sistemas multi-sensor apresentam não só vantagens como são imprescindíveis à sua implementação. A tese descreve um sistema experimental de levantamento do relevo de superficies com base na aplicação de técnicas de fusão/integração sensorial de dados. Este sistema é constituído por um manipulador PUMA 560, cuja função é o posicionamento dos sensores nele montados por forma a que seja possível efectuar a aquisição do relevo; por uma rede CAN (Controller Area Network) para interligação dos sensores à estrutura de controlo; sensores de distância por ultrassons e uma câmara de vídeo. No âmbito deste trabalho foram efectuados os seguintes estudos e realizadas as seguintes tarefas: 1) Avaliação das características do manipulador PUMA 560 e suas potencialidades, nomeadamente do seu controlador. Este foi substituído por apresentar limitações para o trabalho que se pretendia realizar, ficando o controlo do PUMA incorporado no PC. Foram desenvolvidas/corrigidas rotinas que implementam a cinemática directa e inversa, assim como algumas instruções úteis que facilitam a execução de determinadas tarefas por parte do robô. 2) Estudo da rede de comunicação de dados baseada no protocolo CAN para interligação dos sensores de ultrassons. Foi implementado o protocolo da camada de aplicação. 3) Estudo e implementação de técnicas de processamento de imagem para extracção dos pontos dominantes do contorno do objecto. A aplicação destas técnicas tem como finalidade a restrição da área de trabalho do robô. 4) Estudo dos problemas associados com a significância dos dados provenientes de ultrassons, de que resultou a adopção de um novo modelo para os mesmos. 5) Estudo de técnicas de fusão/integração sensorial de dados, das quais foram implementadas a média, lógica fuzzy, filtro de Kalman e métodos heurísticos. Destes estudos salientam-se os seguintes resultados: a adopção de um novo modelo para os ultrassons; a utilização de diferentes técnicas de fusão/integração sensorial de dados com realce para a implementação de um “decisor” e não de um controlador fuzzy, a sua forma “nativa”. Com base no que anteriormente foi descrito, foi possível fazer o levantamento do relevo de diferentes superfícies, representando-o de seguida num mapa de superfície. Tendo este como suporte será possível definir trajectórias para o seguimento de superfícies necessária a aplicações industriais que não requerem contacto, como é o caso da pulverização à pistola quer para a pintura quer na aplicação de colas diluentes ou outros líquidos.The present research work scope is in the area of intelligent static robotic supported by multisensor data fusion and integration. The usage of multisensor systems allowed the emergence of new research areas and further development of current areas. Automatic target recognition, mobile robot navigation, aircraft navigation, industrial tasks such as assembly, burnishing and trimming are typical multisensor system applications. In these cases, multiple sensors are not only advantageous but they are essential to their implementation. This thesis describes an experimental system for the acquisition of a surface profile using techniques of multisensor data fusion. This system is composed by the following elements: a PUMA 560 manipulator, which function is the positioning of the sensors mounted on the wrist flange of the robot, in order to acquire the surface profile; a controller area network (CAN) used for data acquisition and some basic control; ultrasonic sensors and a video camera. For this research project the following studies and tasks were carried out: 1) Evaluation of the features and performances of the PUMA 560 manipulator and its controller, which was replaced due to its limitations for this work. In the new architecture a PC performs the control of the PUMA. The inverse and forward kinematics routines were implemented and corrected. A few instructions were also implemented for simp1if some tasks of the robot. 2) Study of a CAN protocol based network and the interface with the ultrasonic sensors. The protocol for the application level was implemented. 3) Study and implementation of image processing techniques for dominant points extraction from the object contour. The goal of these techniques is to limit the robot working area. 4) Study of the problem of ultrasonic data significance, which required the adoption of a new model for the sonar sensors. 5) Study of the multisensor data fusion and integration techniques. The average, fuzzy logic, Kalman filter and heuristic methods were implemented. The most important results obtained were: a new model for ultrasonic sensors was adopted; different techniques for multisensor data fusion and integration were used and in particular an implementation of a fuzzy “arbitration” method. As a result, it was possible to perform the acquisition of a surface profile that was represented in a surface map