Futebol robótico na universidade de aveiro - o projecto CAMBADA

ARTIGO TÉCNICO José Luís Azevedo, Bernardo Cunha, António José Neves, Nuno Lau Actividade Transversal em Robótica Inteligente IEETA/DETI – Universidade de Aveiro, Portugal

FUTEBOL ROBÓTICO NA UNIVERSIDADE DE AVEIRO – O PROJECTO CAMBADA RESUMO A divulgação de ciência e tecnologia em geral e a promoção da investigação no sem número de vertentes científicas em que é possível subdividir a robótica móvel são dois dos principais objectivos da iniciativa internacional RoboCup Federation. Neste contexto, a Universidade de Aveiro tem vindo a desenvolver, na última dezena de anos, um conjunto alargado de actividades de I&D em robótica móvel, das quais, pelo seu impacto a nível nacional e internacional, a equipa de futebol robótico CAMBADA se destaca, quer pela sua complexidade, quer pelos resultados alcançados. Este artigo aborda, de forma estruturada mas necessariamente não muito detalhada, o historial da equipa, e a forma como a mesma foi concebida e desenvolvida desde 2003, dando realce a alguns dos aspectos da sua arquitectura hardware e software que lhe permitiram sagrar-se, em 2008, campeã do mundo da sua categoria.

ABSTRACT The global dissemination of science and technology and the promotion of research in any of the numerous scientific areas in which mobile robotics can be subdivided are two of the main goals of the RoboCup Federation international initiative. In this context, the University of Aveiro has developed, along the past ten years, a broad range of R&D activities in mobile robotics, from which, taking into consideration its national and international impact, the robotic soccer team CAMBADA stands out, either by the complexity of the problem, or for the results recently achieved. This article focuses, on a structured but not necessarily very detailed way, on the history of the team, and on how it was conceived and developed since 2003. It gives a particular emphasis on some aspects of its hardware and software architecture, which led, eventually, to the 2008 World Champion title on its category.

1. INTRODUÇÃO

versidade de Aveiro, foi criada e desenvolvida desde 2003 por docentes, investigadores e estudantes ligados ao Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática e à Actividade Transversal em Robótica Inteligente do IEETA1. A equipa (Figura 1) participa em competições nacionais e internacionais desde 2004 e, na edição de 2008 do Campeonato Mundial RoboCup que se realizou em Suzhou (China) de 14 a 20 de Julho p.p., venceu a liga de futebol robótico dos robôs médios sagrando-se, assim, campeã do mundo nesta modalidade.

As competições robóticas têm-se popularizado um pouco por todo o mundo ao longo da última década. Com elas pretende-se promover a investigação na área emergente da robótica móvel bem como a divulgação da robótica e da ciência e tecnologia em geral. A nível internacional, a principal referência é o RoboCup, campeonato mundial de robótica realizado anualmente desde 1997. O RoboCup, cuja ênfase é ter robôs a funcionar em equipa, inclui várias modalidades de competição, nomeadamente futebol robótico, busca e salvamento em situações de catástrofe e mais recentemente robótica doméstica. Na modalidade de robôs futebolistas médios do RoboCup (Middle-Size League) os jogos disputam-se num campo de 18m x 12m, sendo as equipas constituídas por um máximo de 6 robôs móveis com uma altura limite de 80cm e um peso que não pode ultrapassar os 40Kg. Por outro lado, as regras desta modalidade definem um conjunto de cores obrigatório para alguns elementos do jogo, nomeadamente, bola cor de laranja, chão verde, robôs pretos e linhas de marcação brancas, facilitando-se assim a tarefa de detecção desses elementos. Os robôs são completamente autónomos, isto é, não pode haver qualquer intervenção humana nas decisões que o robô toma durante os jogos. Consequentemente, todas as decisões são baseadas nas informações recolhidas pelo sistema sensorial do robô, que são processadas pelo seu software de controlo de acordo com uma estratégia pré-definida, e na partilha de informação entre os robôs e uma aplicação informática que corre num computador externo, igualmente autónoma, que desempenha o papel de treinador. A equipa de futebol robótico CAMBADA (acrónimo de Cooperative Autonomous Mobile roBots with Advanced Distributed Architecture), da Uni-

[ ]

robótica

Figura 1 . Equipa de futebol robótico CAMBADA com os seis robôs que a constituem.

A equipa tinha já obtido o 5º lugar no Campeonato Mundial RoboCup 2007, que decorreu em Atlanta (U.S.A.) em Julho de 2007. Na competição de 2008 conseguiu demonstrar grande robustez e maturidade, vencendo 11 dos 13 jogos realizados, tendo marcado um total de 73 golos e sofrido apenas 11. São também de salientar a vitória nas meias-finais sobre a equipa vicecampeã Europeia (CoPS Stuttgart, Universidade de Stuttgart - Alemanha) 1

Instituto de Engenharia Electrónica e Telemática de Aveiro.

ARTIGO TÉCNICO

alguns casos, como sejam as reposiçþes de bola na linha lateral ou a marcação de cantos, são activadas jogadas específicas em que um conjunto coordenado e sincronizado de comportamentos båsicos Ê realizado por todos os robôs da equipa.

Figura 6 . Imagem adquirida depois de linearizada a partir da informação do mapa de distâncias. À esquerda o mapa foi obtido sem correcção de desalinhamento dos parâmetros físicos do sistema de visão. À direita o mapa de distâncias foi obtido após a correcção dos desalinhamentos.

Este mÊtodo permite, igualmente, extrair de forma automåtica, a partir da imagem original, a maioria dos parâmetros necessårios para a calibração. Por forma a garantir uma afinação mais precisa desses parâmetros, foram desenvolvidas duas aplicaçþes específicas que permitem uma validação visual dos mesmos. A primeira cria um mapeamento inverso da imagem adquirida sobre um mapa de distâncias real. Esta aplicação gera, assim, uma visão plana observada a partir de cima (birds eye view w) que permite verificar as simetrias paralelas e circulares (Figura 6). A segunda gera uma grelha com 0,5m de distância entre linhas e colunas sobreposta à imagem original. Isto fornece uma indicação visual intuitiva sobre a necessidade de ajuste fino dos parâmetros (Figura 7).

Neste ambiente, em que se pretende que a equipa apresente um comportamento coordenado, a comunicação inter-robô e a comunicação entre os robôs da equipa e um computador externo, a funcionar como estação base, Ê uma questão-chave. Cada robô utiliza parte da percepção dos outros robôs, obtida atravÊs da RTDB, para melhorar o seu conhecimento sobre as actuais posiçþes e velocidades dos outros robôs e da bola. É muito importante para o modelo de coordenação da equipa que cada robô mantenha uma estimativa precisa da posição absoluta da bola. A atribuição do papel desempenhado em cada instante por um robô Ê baseada na sua própria posição no campo, nas posiçþes dos seus colegas de equipa e na posição da bola. As posiçþes dos colegas de equipa são obtidas atravÊs da informação difundida por cada um deles e não atravÊs do sistema de visão. O modelo de coordenação da equipa Ê baseado na definição de uma estratÊgia para o jogo em que cada estratÊgia pode ser constituída por vårias tåcticas e cada tåctica define uma formação a ser usada em cada situação. Este modelo Ê integrado com uma coordenação baseada em papÊis atribuídos aos vårios robôs, no qual diferentes prioridades são atribuías a diferentes papÊis e diferentes posicionamentos no campo. Todas estas vertentes são mantidas num ficheiro de configuração de estratÊgia, permitindo alteraçþes flexíveis à estratÊgia corrente. Por forma a assegurar uma formação correcta em campo, todos os robôs devem ter uma estimativa da posição absoluta da bola obtida a partir de um mÊtodo de integração da informação partilhada entres eles.

6. CONCLUSĂƒO

Figura 7 . Nestas imagens foi sobreposta uma grelha com uma quadrícula de 0,5m na imagem original. Na imagem da esquerda não foi feita qualquer correcção. Na imagem da direita a grelha desenhada jå tem em consideração os parâmetros de correcção do sistema de imagem.

5. COORDENAĂ‡ĂƒO E CONTROLO DE ALTO NĂ?VEL O sistema de decisĂŁo de alto nĂ­vel ĂŠ construĂ­do em torno de trĂŞs mĂłdulos principais: fusĂŁo sensorial, comportamentos bĂĄsicos e decisĂŁo e cooperação de alto nĂ­vel. O objectivo do primeiro ĂŠ integrar a informação fornecida pelo sistema sensorial do robĂ´ com a informação proveniente dos outros robĂ´s da equipa e actualizar a RTDB. O resultado obtido, por sua vez, ĂŠ depois utilizado pelos mĂłdulos de decisĂŁo e controlo. O mĂłdulo de comportamentos bĂĄsicos fornece um conjunto de primitivas que o mĂłdulo de decisĂŁo de alto nĂ­vel utiliza para controlar a evolução do robĂ´. O mĂłdulo de decisĂŁo de alto nĂ­vel ĂŠ responsĂĄvel pela anĂĄlise da situação actual e pela execução dos processos de tomada de decisĂŁo realizados pelo robĂ´ com vista a maximizar, nĂŁo apenas o desempenho das suas acçþes, mas tambĂŠm o sucesso global da equipa. É baseado numa mĂĄquina de estados de papĂŠis que muda o comportamento bĂĄsico do robĂ´ (passando, por exemplo, de defesa a atacante) de acordo com a situação actual e o estado anterior. A coordenação da equipa de robĂ´s ĂŠ realizada atravĂŠs da definição de formaçþes de diferentes papĂŠis e por um mĂłdulo de alto nĂ­vel que comuta dinamicamente os papĂŠis. Em

A actividade científica em robótica móvel e autónoma na Universidade de Aveiro Ê uma realidade que se vem afirmando e ganhando massa crítica ao longo dos últimos anos. Trabalho de investigação e desenvolvimento em vertentes como a condução autónoma, a robótica cooperativa, a robótica antropomórfica, a inteligência artificial aplicada ao controlo distribuído, o raciocínio, ou interface homem/robô baseado em linguagem natural, entre outras, são åreas de intervenção de entre as quais a equipa CAMBADA surge como uma instância de aplicação com notório impacto internacional. Plataforma de excelência para a aplicação de temas que cobrem da mecânica às comunicaçþes, cruzando os sistemas distribuídos e embebidos, a coordenação multi-agente, a visão robótica e a inteligência artificial, os robôs da equipa CAMBADA são um exemplo da qualidade e do desempenho em I&D de uma escola que enfrenta de forma apaixonada o desafio de investigar, pensar, criar e construir em robótica.

REFERÊNCIAS f -RVš /X½V $]HYHGR 0DQXHO %HUQDUGR &XQKD /X½V $OPHLGD +LHUDUFKLFDO 'LVWULEXWHG Architectures for Autonomous Mobile Robots: a Case Study. ETFA2007- 12th IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, pp. 973 - 980, Patras (Grece) September 25-28, 2007. f %HUQDUGR &XQKD -RVš $]HYHGR 1XQR /DX /X½V $OPHLGD 2EWDLQLQJ WKH ,QYHUVH 'LVWDQFH Map from a Non-SVP Hyperbolic Catadioptric Robotic Vision System. RoboCup Symposium, Atlanta (USA) July 9-10, 2007 (poster). f $QWÂQLR - 5 1HYHV *XVWDYR &RUUHQWH $UPDQGR 3LQKR $Q RPQLGLUHFWLRQDO YLVLRQ system for soccer robots. In Progress in Artificial Intelligence, edited by Springer Berlin / Heidelberg, Lecture Notes in Computer Science. Berlin, 2007. f $OPHLGD / 3 3HGUHLUDV - $ )RQVHFD |7KH )77 &$1 3URWRFRO :K\ DQG +RZ ,((( 7UDQVDFWLRQV on Industrial Electronics�, 49(6), December 2002. f 1XQR /DX /X½V 6HDEUD /RSHV DQG *XVWDYR $ &RUUHQWH &$0%$'$ ,QIRUPDWLRQ 6KDULQJ DQG Team Coordination, Proc. of the 8th Conference on Autonomous Robot Systems and Competitions, Portuguese Robotics Open - ROBÓTICA’2008, April 2008, Aveiro, Portugal, pp. 27-32.

robĂłtica

[ ]