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(Incluindo Plano de Trabalho
no Exterior)
UNIVERSIDADE
DE BRASÍLIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA E MECATRÔNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS MECATRÔNICOS
GIAI - GRUPO DE INOVAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
GRACO - GRUPO DE AUTOMAÇÃO E CONTROLE
Proponente:
ALBERTO JOSÉ ÁLVARES
(Álvares@alvarestech.com)
Beneficiário:
LANDECIR ALVES DE ALBUQUERQUE
(Landmailbox@gmail.com)
UNIVERSIDADE
DE BRASÍLIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA E MECATRÔNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS MECATRÔNICOS
GIAI - GRUPO DE INOVAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
GRACO - GRUPO DE AUTOMAÇÃO E CONTROLE
PROJETO NOMAD 3D:
Um Novo Paradigma de Visão para Navegação Autônoma,
Explorando Percepção 3D A Partir de um Sensor Popular,
Efetivo, e de Baixo Custo Para a Robótica Móvel: o Kinect
LANDECIR ALVES DE ALBUQUERQUE
(Landmailbox@gmail.com)
Este documento contém uma proposta de doutorado sanduíche a ser realizado pelo doutorando Landecir Alves de Albuquerque, matrícula número 2009/0071662, do Programa de Pós-Graduação em Sistemas Mecatrônicos (PPMEC) do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecatrônica (ENM) da Universidade de Brasília (UnB), e o respectivo plano de trabalho a ser realizado no exterior.
O anfitrião e co-orientador no exterior será o professor Ph.D Raul Marín, da Universitat Jaume I, em Castelló de La Plana, Espanha.
A presente proposta é resultado de acordos e da intensificação de parcerias de pesquisa e trabalho entre o Grupo de Automação e Controle (GRACO) e o Grupo de Inovação em Automação Industrial (GIAI), ambos da Universidade de Brasília e na responsabilidade do professor Alberto José Álvares, e a Universitat Jaume I em Castelló de La Plana, Espanha, na pessoa do professor Ph.D Raul Marín.
É uma meta conjunta entre as partes um maior intercâmbio entre as universidades e grupos de pesquisa relacionados, visando troca de experiências científicas em engenharia, utilização de infraestrutura de ambas as instituições, e internacionalização dos programas de pós-graduação.
A Universitat Jaume I tem vasta experiência com pesquisas na área da robótica móvel, oriunda principalmente da participação em grandes projetos da comunidade européia. Esses projetos constituem verdadeiras empreitadas tecnológicas envolvendo pesquisadores de várias universidades e equipes multidisciplinares das mais variadas áreas como engenharia, computação e empresas relacionadas ao setor.
Um exemplo claro de projeto avançado com escopo na aplicação da robótica móvel, com a participação do Robotic Intelligence Laboratory do professor Raul Marín, é o THE GUARDIAN PROJECT.
Esse projeto compreende pesquisas avançadas em robótica de resgate, empregando grupos de robôs móveis de forma cooperativa (swarm robotics) para auxiliar bombeiros em ambiente de risco em incêndios, sob ameaça de fogo e pouca visibilidade devido à fumaça, além de outros obstáculos diversos.
Esta proposta é justificada por apresentar inúmeras vantagens para o aluno e beneficiário, para os grupos de pesquisa envolvidos, para a Universidade de Brasília, e para o Brasil como um todo.
Primeiramente, para a Universidade de Brasília e para o Departamento de Engenharia Mecânica e Mecatrônica, a implementação da proposta representa o fortalecimento de laços com grandes centros de pesquisa da Europa e ao mesmo tempo a abertura de novas fronteiras de pesquisa a longo prazo.
Os lucros desse intercâmbio aparecem também na forma de um enriquecimento de conhecimento e experiências para o aluno.
De um ponto de vista geral, esse intercâmbio contribui para o desenvolvimento tecnológico do Brasil como um todo, através da transferência de expertise e formação de mão-de-obra especializada. Isso é um aspecto importante, justamente em uma época em que o crescimento econômico remete a temáticas como transferência de tecnologia e a necessidade de formação de profissionais altamente qualificados, que são fundamentais para diversos setores produtivos do país.
Podem ser elencadas diversas outras vantagens. Uma delas é o fato de os robôs substituírem a força de trabalho humana em tarefas insalubres, repetitivas, e que exigem alta precisão; portanto, um dos principais benefícios de se estudar robótica e querer ser um roboticista é buscar uma melhor qualidade de vida para os seres humanos.
Os objetivos principais e que constituem a grande contribuição do período de estadia do supracitado doutorando nos laboratórios da Espanha é a oportunidade de realizar pesquisas com infraestrutura moderna e de ponta.
Por essa infraestrutura subentende-se robôs móveis de última geração e instrumentação embarcada estado-da-arte para aquisição de dados, simulação e concretização do componente experimental da tese de doutorado;
Outro objetivo é o de proporcionar a ele o contato com comunidades científicas internacionais e com pesquisadores conceituados da área da robótica.
Quanto ao aspecto prático, o objetivo é adquirir experiência com os resultados obtidos com testes experimentais em plataformas móveis existentes no grupo de pesquisa na Espanha, que servirão de base para a implementação do sistema de navegação 3D do robô móvel Nomad XR4000, existente no Grupo de Automação e Controle (GRACO) da Universidade de Brasília.
São almejados também a produção de artigos com co-autoria entre ambas as partes envolvidas.
Landecir Alves de Albuquerque é natural de Cuiabá-MT com residêcia fixa em Corumbá-MS, atualmente reside em Brasília-DF no endereço CLN 208, Bloco C, número 201.
Graduou-se em Licenciatura Plena em matemática no ano de 1997 pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS); concluiu o mestrado em Sistemas Mecatrônicos pela Universidade de Brasília (UnB ) no ano de 2006; e desde março de 2009 cursa o doutorado em Sistemas Mecatrônicos pela Universidade de Brasília sob orientação do professor, engenheiro e doutor Alberto José Álvares. Portanto, o aluno está por completar dois anos de permanência, regularmente matriculado, no curso.
O aluno encontra-se com todas as disciplinas obrigatórias cursadas e com o total de créditos necessários para o obtenção do grau de doutor obtidos.
As informações completas sobre o doutorando e o trabalho que está sendo desenvolvido por ele na Universidade de Brasília seguem na tabela abaixo:
| ORIENTADOR DO PROGRAMA DE DOUTORADO PPMEC |
professor, engenheiro e doutor Alberto José Álvares |
| TÍTULO PROVISÓRIO DA TESE DE DOUTORADO | PROJETO NOMAD 3D: Um Novo Paradigma de Visão para Navegação Autônoma, Explorando Percepção 3D A Partir de um Sensor Popular, Efetivo, e de Baixo Custo para a Robótica Móvel: o Kinect |
| LINHA DE PESQUISA DO PPMEC |
Sistemas Robóticos, Sensoreamento e Veículos Autônomos |
| MATRÍCULA DE ALUNO UnB |
2009/0071662 |
| DATA DE ENTRADA NO CURSO DE DOUTORADO |
Março de 2009 |
| DATA LIMITE PARA CONCLUSÃO DO CURSO DE DOUTORADO |
Março de 2013 |
Tabela 1 – Informações sobre o doutorando.
Por esta proposta é solicitada 1 bolsa de doutorado sanduíche SWE para Europa, por um período de 12 meses, incluindo todas as prerrogativas da mesma.
Conforme informações disponíveis na página do CNPq, o valor da bolsa SWE para Europa é de 840 € (euros).
Portanto, os cálculos do valor total da bolsa para o período é de:
1 bolsa SWE x 12 meses = 10.080 € (TOTAL GERAL)
A data de início da implementação da bolsa será setembro de 2011.
A equipe envolvida é composta pelo doutorando Landecir Alves de Albuquerque, o orientador do PPMEC Alberto José Álvares, e o orientador no exterior, Ph.D Raul Marín, cujas informações profissionais e acadêmicas seguem na seguinte tabela:
| Alberto José Alvares |
Raul Marín | Landecir Alves de Albuquerque |
|
| Nacionalidade |
Brasil | Espanha | Brasil |
| Titulação |
Doutor | Ph.D | Mestre |
| Bolsa | Nível 2 de produtividade. Em processo de titulação Nível 1D. |
– | CNPq |
| Instituição (afiliação) |
Universidade de Brasília | Universitat Jaume I | Universidade de Brasília |
| Função |
Professor, Pesquisador, Orientador do Programa PPMEC |
Professor, Pesquisador, Orientador no Exterior | Aluno de doutorado, Pesquisador |
| Endereço profissional |
Faculdade de Tecnologia, Campus Universitário Darcy Ribeiro, Asa Norte - Brasília - DF - Brasil CEP:70910-900, Caixa Postal: 04386 tel: +55 61 31075681 fax: +55 61 31075707 |
Avda. Vicente Sos Baynat s/n, E-12071, Castelló, Spain | Faculdade de Tecnologia,
Campus Universitário Darcy Ribeiro, GRACO |
| |
alvares@alvarestech.com | rmarin@icc.uji.es | Landmailbox@gmail.com |
| Laboratório ou grupo |
GRACO e GIAI | Robotic Intelligence Laboratory | GRACO e GIAI |
| Página Web |
http://alvarestech.com
http://www.graco.unb.br/~alvares |
http://rmarin.act.uji.es/ | – |
Tabela 2 – Dados dos participantes da proposta.
1. Robótica Móvel
2. Sensor 3D de baixo custo
3. Mapeamento e Localização 3D
4. Visão robótica
5. Doutorado sanduíche
6. Universitat Jaume
O planejamento para o período de 12 meses de estadia compreende diversas atividades práticas e teóricas orquestradas pelo professor Raul Marín.
A metodologia de trabalho e cronograma de atividades são apresentados na seqüência.
A metodologia consiste basicamente em organizar o trabalho em etapas. Procura-se com essa abordagem encontrar os focos do problema e estabelecer metas claras, para que se evite retrabalho e utilização equivocada de tempo do cronograma de atividades.
As atividades não apresentam hierarquia, apenas uma ordem de prioridade, e uma mudança de planos é possível dependendo dos resultados obtidos e da necessidade de reorganização do plano de metas durante o desenrolar dos trabalhos.
Como se trata de um trabalho de cunho fortemente computacional, uma meta maior é obter todas as bibliotecas que são imprescindíveis para desenvolvimento de um sistema de navegação para um robô móvel. Essa biblioteca inclui algoritmos de robótica probabilística, SLAM (mapeamento e localização simultâneos) e controle de robôs móveis.
No período final dos trabalhos serão efetuados teste de sistema propriamente dito e sessões de testes com diferentes entradas escolhidas criteriosamente. Dois tipos de dados serão usados: dados sintéticos gerados artificialmente para tornar possível o controle do nível de incertezas e ter-se o valor comparativo da verdade, e testes em situações reais com o sensor Kinect embarcado, para uma avaliação empírica.
A última etapa é o fechamento dos trabalhos e avaliação do resultados obtidos.
Etapa 1: Adaptação do driver openkinect para comunicação com softwares robóticos.
Nessa etapa procura-se fazer a integração via software do dispositivo com os sistemas operacionais e softwares necessários para torná-lo funcional.
Etapa 2: Integração do sensor Kinect com o hardware de robô móvel.
Nesta etapa a intenção é integrar o sensor com o hardware embarcado de um robô móvel, seja ele um robô móvel na Universitat Jaume I ou robô móvel Nomad XR4000 do GRACO.
Etapa 3: Implementação de algoritmos de visão 3D.
Esta etapa compreende o desenvolvimento de bibliotecas de visão robótica utilizando o dispositivo Kinect.
Etapa 4: Simulações computacionais.
Simulações computacionais com o Kinect embarcado e fora do robô, e com dados obtidos em bancos de imagens, serão efetuados.
Etapa 5: Testes de sistema em tempo real.
Testes em robôs móveis em tempo real serão efetuados para obtenção de dados para validação dos algoritmos e das abordagens decididas.
Etapa 6: Elaboração de artigos.
Durante todo o período de 12 meses estarão sendo juntados dados e documentação para a elaboração de artigos que refletem o trabalho sendo desenvolvido.
Etapa 7: Conclusão e fechamento dos trabalhos no exterior.
Nesta etapa uma análise do período completo de trabalho e dos resultados obtidos será feita. Relatórios da implementação da bolsa também serão elaborados.
| Set 2011(1) | Out 2011
(2) |
Nov 2011 (3) | Dez 2011 (4) | Jan 2012
(5) |
Fev 2012
(6) |
Mar 2012
(7) |
Abr 2012
(8) |
Mai 2012
(9) |
Jun 2012
(10) |
Jul 2012
(11) |
Ago
2012 (12) |
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| 1 | | | | |||||||||
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| 4 | | | | | | | | | | |||
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| 6 | | | | | | | | | | | | |
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Tabela 3 – Cronograma preliminar para desenvolvimento dos trabalhos.
Os resultados esperados para o período de trabalho na Univerdade de Jaume, junto ao Grupo de Pesquisa do professor Raul Marin são documentações na forma de artigos e relatórios técnicos que servirão de base para a tese de doutorado em andamento. Além de, como já mencionado, a expertise para integração, implantação do sensor Kinect no robô móvel Nomad XR4000.
O Projeto Nomad 3D visa dotar o robô móvel Nomad XR400 com a capacidade de sensoriamente 3D de baixo e custo e um software de navegação baseado em mapas tridimensionais.
Figura 2 – Logomarca do Projeto Nomad 3D.
Esse projeto foi criado como moldura para o desenvolvimento da tese de doutorado do aluno Landecir Alves de Albuquerque.
O substrato desse projeto se apresentará na forma de um legado tecnológico que, com algumas adaptações, possa servir de protótipo para diversos outros tipos de navegação. Dessa forma, o conceito será um alicerce que poderá ser re-utilizado em diversas outras aplicações que impliquem em problemas de navegação 3D.
As aplicações alvo compreendem principalmente navegação em ambiente real desconhecido, onde o modelo do mundo é inexistente a priori, e precisa ser reconstruído em tempo real a partir de dados obtidos com sensores. Esse tipo de problema é recorrente em importantes áreas da sociedade como:
O foco são problemas que envolvam mapeamento e localização 3D para uma locomoção mais precisa e permitindo o desvio de obstáculos utilizando cognição baseada em métodos da inteligência artificial.
A filosofia do projeto é procurar deixar um legado tecnológico para sociedade, e não apenas um estudo acadêmico. Se essa intenção for concretizada o objetivo terá sido plenamente atingido.
O plano de metas inclui os seguintes objetivos:
A utilização das informações de profundidade e movimento ainda são pouco exploradas em robótica móvel, devido a limitações impostas pelo estado tecnológico de sensores e poder de processamento computacional. Com o emprego do sensor Kinect essa abordagem pode se tornar factível, viabilizando novos tipos de aplicações.
A contribuição é o produto do trabalho na forma de um sistema de navegação de tempo real utilizando instrumentação embarcada, de modo que possa servir de protótipo para outros tipos de navegação, principalmente de curta profundidade (dentro do alcance visual) e orientados por maior precisão que sistemas convencionais, que precisam introduzir severas restrições (hipóteses simplificadoras) sobre o ambiente para poder se tornar efetivo.
O robo Nomad XR4000 é uma plataforma móvel topo de linha desenvolvida e comercializada pela empresa norte-americana Nomadic Technologies Inc, empresa esta que foi adquirida em outubro de ano de 2000 pela empresa norte-americana 3COM.
É caracterizado por ser um robô holonômico, equipado com dois cinturões de ultrasom, sensores de proximidade baseados em infravermelho, um sistema de visão composto por uma placa de captura de imagens (framegrabber) e uma câmera CCD monocromática Hitachi KP-D50, e sensor proprioceptivo para odometria. Possui também um link de rádiofrequência para comunicação sem fio, além de entrada para cordão umbilical. No quesito segurança é equipado com sensores tactéis denominados bumpers (pára-choques) e botões de parada de acionamento rápido. Internamente é constituído de duas placas-mãe denominadas lower e upper, com rede distribuída e memória compartilhada. Todos os componentes eletrônicos são alimentados por um conjunto de 4 baterias embarcadas.
Figura 3 – Robô móvel Nomad XR4000.
O dispositivo Kinect é um sensor popularmente conhecido por equipar a console de jogos de vídeo XBOX 360.
É um produto desenvolvido e comercializado pela empresa norte-americana Microsoft Corporation.
É dotado de uma câmera RGB, um câmera de infravermelho, um sensor receptor de infraveremelho, além de interface de som.
A obtenção de mapas de profundidade, ou seja, mapas com informações de distâncias de um visualizador a pontos na cena, é feita através da câmera e emissor de infravermelho.
Figura 4 – Sensor Kinect utiizado no console de jogos de vídeo XBOX 360 da Microsoft (http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:KinectSensor.png).
Desde o seu lançamento mundial nos Estados Unidos em 4 de novembro de 2010, diversos usos para o Kinect vem sendo vislumbrados pelo mundo.
O emprego em robótica móvel é uma aplicação promissora e apresenta grandes vantagens comparadas a sensores tradicionais: é mais preciso e menos ruidoso que sonares e mais barato e tão efetivo quanto sensores baseados em laser.
Sua utilização como sensor principal do robô móvel Nomad XR4000 é uma proposta inédita.
Os softwares empregados no Projeto Nomad 3D são preferencialmente softwares de caráter livre (opensource), voltados para aplicações de tempo real, com alta portabilidade e que permitam a facilitação da integração de sistemas.
| Software |
Descrição e emprego no projeto |
| ROS (Robot Operating System) | É um framework para desenvolvimento de software robótico, proporcionando diversas funcionalidades necessárias para a integração e comuniação de softwares robóticos |
| GNU C, C++ | Versão opensource da linguagem de programação C e C++ |
| JAVA |
Linguagem de programação orientada a objetos que proporciona alta portabilidade. |
| Matlab (MATrix LABoratory) |
Software de alto nível para computação matricial numérica. |
| Processing |
Software de programação para arte eletrônica baseado no conceito de sketchbook |
Tabela 4 – Suíte de softwares.
[1] Bar-Shalom, Y., Li, X-R (2001). Estimation with Applications to Tracking and Navigation, John Wiley & Sons, Inc. New York, NY, USA.
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