Tecniche di controllo e coordinamento di robot mobili

Capitolo I   I robot mobili 
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del moto. E  pertanto evidente il carattere interdisciplinare della robotica che si 
articola nelle aree culturali della meccanica, dell elettronica, dell informatica e 
dell automatica. 
Negli ultimi anni si Ł andato allargando il dominio applicativo dei sistemi robotici, 
rispetto ad un contesto puramente industriale, con soluzioni robotizzate realizzate per 
molteplici attivit  di supporto per l’uomo che rientrano nell ambito della robotica di 
servizio, quali ad esempio la pulizia di grandi superfici di edifici pubblici, 
l’assistenza ai disabili, il sostegno operatorio al medico in chirurgia. 
Nei campi applicativi della robotica di servizio, i sistemi robotici mobili, 
prevalentemente su ruote, sono di importanza centrale.  
Tali sistemi devono per  affrontare e risolvere div erse nuove problematiche, quali:  
1) l’acquisizione e la fusione di molteplici dati sensoriali per qualificare l’ambiente e 
l’effettivo stato di progresso dell’azione dei robot;  
2) il dover garantire la capacit  di funzionamento autonomo anche a fronte di 
condizioni operative incerte; 
3) il rispetto di specifiche di sicurezza piø stringenti, in quanto lo spazio di lavoro Ł 
condiviso con operatori umani;  
4) la gestione della complessit  di sistema legata alla necessit  di dover conciliare i 
molteplici blocchi comportamentali richiesti per garantire il raggiungimento 
dell obiettivo. 
L’approccio a queste complesse problematiche Ł stato possibile anche grazie ad un 
considerevole avanzamento nelle tecnologie meccaniche (locomozione), elettroniche 
(sensori, attuatori) ed informatiche (interfacce d’utente, elaborazione distribuita).  
 
 
1.2 Caratteristiche generali dei robot mobili 
 
I robot mobili rappresentano uno dei piø recenti sviluppi all interno del settore 
generale della robotica e, per la specificit  delle  problematiche che pongono e la 
novit  dei campi di applicazione che aprono, ne dis egnano uno dei temi di ricerca piø 
affascinanti e complessi. A differenza dei robot che operano in ambienti industriali i 
robot mobili sono principalmente destinati ad operare in ambienti non strutturati, le 
Capitolo I   I robot mobili 
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cui caratteristiche non sono note a priori. In conseguenza di ci , il paradigma di 
funzionamento di un robot mobile si basa in larga misura sulla capacit  del sistema 
di compiere, in maniera autonoma, scelte e decisioni che consentano di ottimizzare il 
proprio comportamento in relazione alle circostanze e al compito da svolgere.  
Per potersi muovere in ambienti non strutturati il robot deve: 
• conoscere la propria posizione (Navigazione);  
• eseguire le opportune manovre richieste per raggiungere il traguardo 
desiderato, compatibilmente con la propria cinematica (Guida). 
• stimare l errore della propria posizione; 
• riconoscere posti o oggetti familiari; 
• reagire in tempo reale. 
Queste specifiche rappresentano la base per un corretto funzionamento di un sistema 
di navigazione autonoma.  
Dal punto di vista funzionale, un robot mobile pu  essere definito come un sistema 
dotato delle seguenti caratteristiche: 
• mobilit  (relativa ad un certo ambiente); 
• abilit  percettiva (percepire l ambiente e reagire all ambiente); 
• un certo livello di autonomia. 
Un robot mobile va dunque visto come un sistema complesso, sia concettualmente 
che tecnologicamente, nella cui struttura si integrano almeno quattro sottosistemi: 
• sistema di locomozione (che permette al robot di muoversi nell ambiente); 
• sistema di percezione (che permette di misurare lo stato dell ambiente 
circostante o il proprio stato interno); 
• unit  di elaborazione (che permette la traduzione d elle misure provenienti dai 
sensori in azioni); 
• sistema di comunicazione (tra robot e operatore esterno). 
Il sistema di locomozione Ł strettamente legato all ambiente di lavoro, quindi deve 
essere dimensionato in maniera da garantire un movimento armonico ed efficace. 
Il sistema di percezione Ł anch esso vincolato all ambiente operativo e, in genere, si 
basa su tecniche di visione artificiale che adottano telecamere analogiche o digitali, 
on-board o off-board, per avere una mappa dettagliata dell ambiente circostante. Tali 
tecniche comportano un onere computazionale eccessivo che grava sul 
Capitolo I   I robot mobili 
4  
funzionamento real-time del robot. L alternativa piø immediata risulta essere 
l impiego di sensori di prossimit  che consentono l a percezione degli oggetti e una 
stima della loro distanza. In ambienti particolarmente strutturati, per , i limiti 
operativi dei sensori di prossimit  rendono imprati cabile tale soluzione.  
A prescindere dal sistema di percezione, l agilit  del robot Ł fortemente influenzata 
dall unit  di elaborazione. La soluzione piø immedi ata risulta quella di montare a 
bordo del robot la componentistica necessaria all elaborazione dei dati al fine di 
ottenere accesso diretto ai sensori ed agli attuatori da parte dell unit  di controllo. 
Tale soluzione comporta un consumo notevole di energia che si traduce in una 
limitata autonomia del robot. Si tende, pertanto, a installare a bordo i componenti 
necessari per un elaborazione dei processi a tempo critico, in modo da rendere 
indipendente la loro esecuzione dagli errori e dai ritardi introdotti dal canale di 
comunicazione,  lasciando ad un unit  esterna quei processi che richiedono grosse 
capacit  di calcolo [6]. Risulta pertanto evidente il ruolo svolto dal sistema di 
comunicazione sulle prestazioni dell intera architettura di controllo. L utilizzo di un 
cavo semplifica il protocollo di comunicazione, garantisce una maggiore velocit  di 
esecuzione e fornisce un elevato grado di robustezza a scapito della mobilit  del 
robot, fortemente limitata dalla presenza della connessione fisica. Tale limitazione 
pu  essere facilmente superata adottando un sistema  di comunicazione wireless che, 
tuttavia, comporta un maggior appesantimento del protocollo e una minore efficienza 
nella comunicazione.  
 
 
1.3 Navigazione autonoma di robot mobili 
 
La storia della robotica autonoma affonda le sue radici in un progetto piø ampio di 
intelligenza artificiale che aveva ed ha tutt ora la pretesa di realizzare sistemi simili 
alla natura umana negli aspetti riguardanti soprattutto il ragionamento.  
Il primo approccio, che prese forma nel corso degli anni  70, Ł il cosiddetto 
approccio  classico , che interpretava il sistema d i controllo del robot come un 
aspetto indipendente dalla struttura fisica del robot stesso. Nel corso del tempo ci si 
Capitolo I   I robot mobili 
5  
allontana da questa interpretazione ravvisando un cambio di tendenza che vede 
l integrazione tra struttura fisica e sistema di controllo come nuova chiave di lettura. 
 
 
1.3.1 Approccio classico 
 
Nella visione "classica" si assume che un sistema autonomo sia costituito da 3 
moduli, indipendenti tra loro, eseguiti sequenzialmente: percezione, pianificazione e 
azione (figura 1.1).  
 
 
 
 
Questo approccio Ł stato applicato agli albori della robotica autonoma: l idea di 
fondo era quella di evitare la ricerca di un sistema che risolvesse ogni tipo di 
problema, ma di un algoritmo di controllo che operasse solo in relazione a 
determinate specifiche pianificando una sequenza di azioni appropriata. 
Tale metodo, definito  planning , Ł stato applicato  con successo in diversi settori, 
tuttavia nel caso del controllo di robot mobili ha prodotto risultati piuttosto deludenti. 
Una prima ragione la si pu  riscontrare prendendo i n considerazione il 
funzionamento del pianificatore. Esso, infatti, non Ł in diretto contatto con 
l ambiente, ma riceve una descrizione filtrata dal sistema percettivo che difficilmente 
fornisce una rappresentazione esatta dell’ambiente dal momento che i sensori 
ricorrono molto spesso a misure indirette soggette ad errori.  
Figura 1.1: Schematizzazione del planning 
Capitolo I   I robot mobili 
6  
Un ulteriore problema sta nel fatto che le precondizioni, durante l esecuzione di un 
piano, possono modificarsi in maniera del tutto inaspettata. In questi casi 
l esecuzione corretta del piano non pu  essere gara ntita, dal momento che viene 
sviluppato sulla base di una descrizione dell ambiente valida solo prima 
dell’esecuzione del piano stesso.  
 
 
1.3.2 Navigazione reattiva  
 
Rodney Brooks propone un approccio radicalmente nuovo alla robotica autonoma, 
che si distanzia in maniera sostanziale dall approccio classico [8].  
L architettura del sistema di controllo non Ł piø fondata su una serie di moduli 
funzionali che si passano le informazioni in maniera seriale, ma piuttosto in una serie 
di moduli che definiscono comportamenti semplici (figura 1.2). Questo approccio Ł 
conosciuto con il nome di behaviour-based robotics. 
 
 
 
 
Ogni livello Ł rappresentato da una funzione di controllo che connette lo stato dei 
sensori con i comandi da inviare agli attuatori, nel modo piø diretto possibile.  
Un sistema di navigazione viene implementato a partire dal livello piø basso: il 
primo comportamento Ł di non muoversi in una direzione dove i sensori hanno 
rivelato un ostacolo. Il secondo livello cerca di dirigersi verso una direzione precisa, 
senza preoccuparsi degli ostacoli, affidandosi al fatto che il livello inferiore si 
Figura 1.2: Approccio Behavior-based 
Capitolo I   I robot mobili 
7  
occuper  di modificare i comandi alle ruote per imp edire collisioni. Il terzo livello 
pu  cercare di portare a termine un compito piø com plesso, come la ricerca di oggetti 
specifici, e cos  via. 
Ad esempio, se il compito del robot Ł quello di raggiungere un target, se non vi sono 
ostacoli il robot sar  governato da un modulo compo rtamentale che lo fa proseguire 
diritto per la sua strada. Nel momento in cui i suoi sensori verranno attivati dalla 
presenza di un ostacolo, il controllo passer  al mo dulo che gestisce tale situazione, 
per tornare allo stato precedente una volta superato l ostacolo. In questo modo il 
comportamento complessivo del robot, non Ł determinato da una sequenza di azioni 
pianificata off-line, ma Ł il risultato di un interazione, spesso molto complessa, di 
tutti i sotto-comportamenti di cui Ł dotato. Ne deriva che il robot non ha una 
rappresentazione esplicita e completa dell ambiente, ma solo rappresentazioni 
parziali e ogni volta differenti, in relazione alla rilevanza che hanno nel modulo 
comportamentale.   
Il codice di controllo che ne deriva risulta essere di facile progettazione e 
manutenzione, nonchØ esile e quindi non gravosa dal punto di vista computazionale. 
Il limite principale di tale strategia di navigazione risiede, tuttavia, nell impossibilit  
di simulare, con modelli matematici, il corretto funzionamento; in realt  tale limite 
non pregiudica l efficienza dell approccio reattivo  in quanto una verifica completa 
risulta impraticabile anche nell approccio classico, dal momento che richiederebbe 
l analisi dell intera casistica delle situazioni ch e si potrebbero verificare 
nell ambiente operativo.   
 
  
1.4 Finalit  della ricerca scientifica 
 
Non si assiste ancora, in robotica, alla diffusione di massa di robot personali, 
contrariamente a quanto Ł avvenuto per i calcolatori. La robotica avanzata ha infatti 
permesso la sola realizzazione di prototipi come il robot Asimo (prodotto dalla 
Honda) capace di afferrare oggetti e scendere le scale grazie ad un sofisticato 
meccanismo di bilanciamento del baricentro, e il cane-robot AIBO (prodotto dalla 
Capitolo I   I robot mobili 
8  
multinazionale Sony) con minori potenzialit  ma con  un mercato piø ampio, 
mostrato in figura 1.3.   
Le motivazioni che spingono l avanzamento della 
conoscenza in questo settore vanno oltre la realizzazione 
di tali prototipi. Esse vanno dalla necessit  di ri correre 
ad automi per indisponibilit  dell operatore umano,  alla 
opportunit  di sviluppare prodotti che migliorino l a 
qualit  della vita. 
Ne sono un chiaro esempio il robot mobile URMAD, 
realizzato sotto il coordinamento del Gruppo Artslab della Scuola Superiore S. Anna 
di Pisa come sostegno alle persone disabili capace di muoversi autonomamente in un 
ambiente parzialmente noto (come potrebbe essere un appartamento o un ospedale) e 
il robot AGROBOT, dotato di un complesso sistema di visione e di un braccio 
meccanico adatto alla coltivazione in serra, realizzato dall’Universit  di Genova.  
Allo stato attuale della ricerca Ł quasi impossibile trovare un robot con forti capacit  
esecutive e con l’autonomia necessaria a muoversi in ambienti non strutturati o 
scarsamente strutturati. 
Le attivit  di ricerca sono per questo orientate: 
• all ottimizzazione funzionale dei robot; 
• a sistemi di visione on-board; 
• alla pianificazione dei compiti e dei movimenti di robot cooperanti; 
• allo studio di sistemi robotici per la locomozione umana; 
• alla realizzazione di robot mobili su gambe per la locomozione in ambienti 
non strutturati. 
In merito a tali problematiche, il Progetto  Roboti ca  ha gi  prodotto circa 1400 
pubblicazioni scientifiche a livello internazionale, circa 200 prototipi, piø di 200 
sistemi software, 19 brevetti e ben 300 tesi di laurea. 
Nonostante i tagli effettuati alla ricerca scientifica, quindi, i risultati sia in termini 
qualitativi che quantitativi non sono certo mancati.  
 
 
 
Figura 1.3: Robot AIBO 
Capitolo II   Il robot mobile Khepera II 
9  
IL ROBOT MOBILE KHEPERA II 
 
 
Contenuto: Questo capitolo descrive la struttura modulare del robot Khepera II 
trattando dapprima la configurazione base per poi passare alla 
descrizione delle torrette ausiliarie.  
 
 
                                                                                                            
 
 
2.1 Khepera II: piattaforma base  
 
Il Khepera Ł un robot sviluppato nel 1992 da un team di ricercatori della Swiss 
Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL) come supporto alla ricerca 
scientifica e all insegnamento come previsto dal Programma Prioritario Svizzero di 
Ricerca. Utilizzato in diverse universit  come piat taforma idonea alla 
sperimentazione di applicazioni varie, Ł attualmente adoperato per testare algoritmi 
sviluppati in simulazione per inseguimenti di traiettoria, elaborazione delle 
informazioni sensoristiche, tecniche di navigazione autonoma.    
Il Khepera II Ł la naturale evoluzione del primo: la robustezza, l efficienza e 
soprattutto la possibilit  di trasmettere dati a ve locit  piø elevate rappresentano i 
punti di forza piø importanti rispetto alla precedente versione del robot. 
Il Khepera II Ł inoltre dotato di una esauriente libreria di applicazioni on-board per il 
controllo del robot, il monitoraggio degli esperimenti e l esecuzione di comandi 
utente.  
Ha una forma circolare con un diametro di 70 mm, un’altezza di 30 mm ed un peso di 
80 g; queste ridotte dimensioni lo rendono particolarmente adatto ad esperimenti su 
piccole superfici. E  provvisto di due ruote controllate da motori DC e di sensori di 
prossimit  all’infrarosso, sei posizionati sulla parte frontale del robot e due nella 
parte posteriore. Il microprocessore motorola 68331, con 512 Kbytes di RAM e 512 
Kbytes di ROM, elabora tutte le routine input-output e pu  comunicare con un 
Capitolo II   Il robot mobile Khepera II 
10  
computer attraverso uno speciale cavo con contatti rotanti. Questa configurazione 
permette di sfruttare le capacit  di memoria di un computer esterno usato per 
analizzare il comportamento del robot. 
La morfologia del Khepera II e la collocazione dei suoi principali elementi sono 
evidenti in figura 2.1: 
 
 
 
 
Il controllo pu  essere realizzato con un qualsiasi  programma in grado di gestire la 
comunicazione seriale: in particolare, Matlab e Simulink, in abbinamento con la 
scheda dSPACE, rappresentano la combinazione di hardware e software che 
garantisce la maggior semplicit  di progettazione e  sviluppo degli algoritmi di 
controllo della navigazione.   
 
 
2.1.1 I motori e il loro controllo    
 
Le due ruote del robot sono mosse da due motori in corrente continua accoppiati 
attraverso un rapporto di riduzione 25:1 e provvisti di un encoder incrementale che 
fornisce 24 impulsi per ogni rotazione completa. Questo corrisponde ad una 
1.  LEDs 
2.  Connettore per la S serial line 
3.  Reset  
4.  Selezione del modo di funzionamento 
5.  Sensori di prossimit  ad infrarosso  
6.  Connettore della batteria  
7.  Interruttore per la batteria   
Figura 2.1: Morfologia del robot Khepera II 
Capitolo II   Il robot mobile Khepera II 
11  
risoluzione di 600 impulsi per ogni rotazione della ruota e quindi 12 impulsi/mm di 
percorso lineare, considerando il raggio di ciascuna ruota pari a 7.96mm. 
Il processore principale ha controllo diretto sulla fornitura di energia al motore ed Ł 
in grado di leggere gli impulsi dell encoder incrementale grazie alla generazione di 
un interrupt che consente al processore di aggiornare il contatore di posizione [1].  
L applicazione della tecnica di modulazione PWM a due livelli permette il controllo 
della potenza fornita al motore. Il duty cycle pu  essere impostato direttamente 
oppure stabilito  da uno dei due controllori locali: un controllore di velocit  e un 
controllore di posizione. Per evitare problemi legati all inerzia del motore, la 
frequenza di commutazione Ł sufficientemente alta, garantendo peraltro una migliore 
 qualit   spettrale della tensione di riferimento.  
La figura 2.2 riporta una schematizzazione della modulazione PWM: 
 
 
 
 
I riferimenti di posizione o di velocit , applicati  al motore, sono forniti dai rispettivi 
regolatori PID i cui parametri (Kp, Ki, Kd) possono essere impostati in maniera 
differente.  
Figura 2.2: Modulazione PWM 
Capitolo II   Il robot mobile Khepera II 
12  
Nel controllo di velocit  Ł opportuno dimensionare l accelerazione, direttamente 
proporzionale alla corrente assorbita, in quanto non Ł previsto alcun limite dal 
costruttore.  
Il controllo di posizione Ł realizzato mediante la generazione di un profilo 
trapezoidale di velocit , caratterizzato dal minor tempo di lavoro, per il 
raggiungimento della posizione impostata dall utente (figura 2.3). 
 
 
 
 
I valori di default che definiscono il profilo trapezoidale sono 64 (200mm/s2) per la 
massima accelerazione e 20 (160mm/s) per la massima velocit ; tuttavia questi 
parametri possono essere modificati dall utente in qualsiasi momento.  
In figura 2.4 si riporta lo schema a blocchi del controllo dei due motori DC: 
Figura 2.3: Profilo trapezoidale di velocit  
Capitolo II   Il robot mobile Khepera II 
13  
 
 
 
Lo stato del controllore pu  essere monitorato medi ante un opportuno comando di 
controllo dal quale si possono trarre informazioni sul raggiungimento o meno 
dell obiettivo impostato, sulla modalit  di control lo (posizione, velocit ) e 
sull errore.  
 
 
2.1.2 Sensori di prossimit  
 
Otto sensori di prossimit  Vishay Telefunken TCRT10 00, posizionati lungo la 
periferia, costituiscono il sistema di percezione del Khepera II (figura 2.5).  
 
 
 
Figura 2.4: Controllo dei motori DC 
Figura 2.5: Posizione dei sensori di prossimit  
Capitolo II   Il robot mobile Khepera II 
14  
Tali sensori integrano un emettitore di radiazione infrarossa ed un ricevitore che 
permettono di effettuare due misure fondamentali: 
• la luce ambiente in condizioni operative normali: realizzata mediante 
il solo ricevitore, in assenza di emissione di luce infrarossa. La lettura 
dei sensori avviene in maniera sequenziale ogni 2.5 ms, per cui una 
nuova misura Ł disponibile ogni 20 ms. Il profilo di misura della luce 
ambiente varia in modo sensibile in dipendenza della particolare 
sorgente luminosa, del colore e della distanza. Al fine di evitare una 
errata interpretazione dei valori misurati Ł sconsigliato sottoporre 
l ambiente operativo a sorgenti di luce con ampia emissione nel range 
dell infrarosso.  
• la luce riflessa dagli ostacoli: si fa uso di entrambi i dispositivi 
integrati nel sensore. La differenza tra il valore percepito dal ricevitore 
con emissione e il valore della luce ambiente in condizioni normali 
fornisce il valore della misura. Analogamente al caso precedente, 
occorrono 20 ms per ottenere una nuova misurazione. Anche tale 
misura Ł influenzata dalle condizioni operative del robot, in particolare 
dalla luce presente nell ambiente di lavoro e soprattutto, dalla 
riflettivit  degli oggetti. Il colore, le dimension i e la forma degli 
ostacoli hanno, infatti, un influenza significativa sulla risposta dei 
sensori: ci  Ł quanto si evince dai grafici seguenti che mostrano la 
risposta dei sensori ad infrarosso ad un ostacolo rappresentato, 
rispettivamente, da un foglio bianco (figura 2.6) e da un altro robot 
Khepera II (figura 2.7): 
                         
 Figura 2.6: Risposta dei sensori ad un ostacolo rappresentato da un foglio bianco 
Capitolo II   Il robot mobile Khepera II 
15  
                        
 
 
Si evince che i sensori di prossimit  di cui il rob ot Khepera II dispone rilevano 
ostacoli distanti massimo 5 cm e saturano in corrispondenza di una distanza minima 
di 1 cm.  
Entrambe le misure forniscono, in risposta ad un eventuale richiesta dell utente, i 
valori dei sensori dell ultima misurazione completa.  
 
2.1.3 Batterie   
 
Il Khepera II Ł dotato di quattro batterie al Nickel ricaricabili, ciascuna in grado di 
erogare 250 mAh. Questo sistema di alimentazione garantisce un autonomia 
energetica di circa un ora, qualora il robot sia ut ilizzato nella sua configurazione di 
base. Se, invece, il robot Ł corredato di moduli aggiuntivi l autonomia si riduce 
anche del 50% in quanto tali moduli sfruttano l alimentazione del robot stesso [1]. 
La ridotta autonomia del Khepera II Ł dovuta all assenza di un sistema di 
ottimizzazione delle risorse energetiche. L unico controllo previsto sul sistema di 
alimentazione Ł lo spegnimento del robot nel caso in cui la tensione scenda al di sotto 
dei 4V al fine di evitare malfunzionamenti o, nel peggiore dei casi, danneggiamento 
del robot stesso. 
 
 
  
 
Figura 2.7: Risposta dei sensori ad un ostacolo rappresentato da un Khepera II