Documentação do Sistema de Segurança

Introdução

  Na sprint 2, foram apresentados dois sistemas de segurança pelo grupo SugarZ3ro atrelados ao controle do Turtlebot, através dos quais o usuário teria mais precisão na movimentação e a opção de acionar uma parada de emergência ao pressionar a tecla Q. Agora, na sprint 3, foram feitas mudanças significativas no sistema de segurança, implementando um código responsável por detectar obstáculos na trajetória do robô e tomar medidas preventivas para evitar colisões.

  O sistema de segurança utiliza dados de um LiDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) para monitorar a distância de objetos ao redor do turtlebot. Se um objeto for detectado a uma distância pré-definida como perigosa, o sistema ajusta a velocidade do robô para que seja possível afastá-lo do obstáculo.

Sistema de Segurança - Integração ao frontend

  Para tornar a utilização do robô mais segura e acessível para os usuários da solução, a equipe SugarZero implementou o sistema de segurança também na interface gráfica de movimentação do robô. O sistema de segurança consiste num sistema anti-colisão baseado no LiDAR que, ao detectar um obstáculo dentro de um raio de 10 cm, impede que o usuário aperte qualquer tecla de movimentação que não seja para trás. Dessa forma, evita-se que o robô colida com obstáculos à sua frente.

Figura 1 - Printscreen da tela de teleoperação

Fonte: Elaborado pela equipe SugarZ3ro

  No print, é vista a tela de teleoperação do sistema. Ao detectar o obstáculo, um alerta aparece na parte superior da interface e os botões de movimentação, com exceção do botão de movimentação para trás, são desativados. Assim, o usuário tem somente a opção de mover-se para trás, afastando-se do objeto e evitando uma possível colisão.

  Ademais, há um botão de desligamento/parada de emergência ao lado dos botões de movimentação, o qual interrompe a movimentação do robô. Com este botão, há uma segunda alternativa para evitar colisões com obstáculos ou evitar a movimentação do robô para locais indesejados.

Sistema de Segurança - CLI

  O sistema de segurança integrado à CLI foi feito no mesmo script do pacote SugarZ3ro_pkg responsável pela movimentação do Turtlebot 3. O arquivo, que pode ser encontrado em ~/src/workspace/src/SugarZ3ro_pkg/SugarZ3ro_pkg/movimentation.py, integra o sistema anti-colisões de modo que o robô se afasta automaticamente de obstáculos detectados. A seguir, há uma explicação do script em relação a cada trecho referente ao sistema de segurança.

1. Inicialização do Subscriber para LiDAR (LaserScan)

   self.scan_subscriber = self.create_subscription(
       LaserScan,
       'scan',
       self.scan_callback,
       qos_profile=qos_profile_sensor_data)
   • Descrição: Este trecho de código cria um subscription para o tópico scan, que recebe dados do sistema LiDAR.
   • Função: Permite que o nó receba continuamente dados de distância do sistema LiDAR, necessários para detectar obstáculos.

2. Callback do LaserScan

   def scan_callback(self, msg):
       ranges = [distance for distance in msg.ranges if not distance == float('inf')]
       
       if ranges:
           self.min_distance = min(ranges)
   • Descrição: Esta função é chamada sempre que uma nova mensagem é publicada no tópico scan.
   • Função:
     • Filtra os valores infinitos (que representam leituras inválidas).
     • Atualiza a variável min_distance com a menor distância válida detectada pelo sensor.
     • Variável min_distance: Representa a menor distância medida até um obstáculo em metros.

3. Detecção e Resposta a Obstáculos na Função run

   if self.min_distance <= self.stop_distance:
       print("OBSTÁCULO DETECTADO A 30cm!\nAfastando o robô do obstáculo...")
       while self.min_distance <= self.stop_distance:
           self.mensagem = True
           obstacle_twist = Twist()
           obstacle_twist.linear.x = float(target_linear_vel)
           self.publisher_.publish(obstacle_twist)
           target_linear_vel = -1.0
           target_angular_vel = 0.0
       print("O obstáculo não está mais a 30cm do robô.")
   • Descrição: Este bloco de código é responsável por detectar se o turtlebot está próximo de um obstáculo e tomar ações para afastar o robô.
   • Função:
     • Verifica se a distância mínima (min_distance) é menor ou igual à distância de parada (stop_distance), que é definida como 0.3 metros (30 cm).
     • Se um obstáculo é detectado a 30 cm ou menos:
       • Imprime uma mensagem de alerta.
       • Enquanto o obstáculo estiver a 30 cm ou menos, ajusta a velocidade linear do robô para -1.0 (movimento para trás) e a velocidade angular para 0.0 (sem rotação).
       • Publica esses comandos de velocidade no tópico cmd_vel para mover o turtlebot para trás até que a distância do obstáculo seja segura.
       • Após afastar-se do obstáculo, imprime uma mensagem indicando que o robô está seguro.

4. Parâmetros do Sistema de Segurança

   • stop_distance:
     • Descrição: A distância mínima segura antes de tomar ação corretiva.
     • Valor: 0.3 metros (30 cm).
   • min_distance:
     • Descrição: A menor distância atual até um obstáculo, atualizada pelo callback do LaserScan.

Fluxo do Sistema de Segurança - CLI

1. Início: A função run inicia e entra em um loop contínuo enquanto rclpy.ok() e self.running forem verdadeiros.
2. Leitura de Dados: O callback scan_callback processa os dados do sistema LiDAR, atualizando min_distance.
3. Verificação de Obstáculos:
   • A cada iteração do loop, verifica-se se min_distance é menor ou igual a stop_distance.
   • Se min_distance ≤ stop_distance, o sistema imprime uma mensagem de alerta.
4. Ação Corretiva:
   • Enquanto min_distance for ≤ stop_distance, ajusta-se a velocidade do turtlebot para mover-se para trás.
   • Publica os comandos de velocidade ajustados para afastar o robô do obstáculo.
5. Segurança Restabelecida: Quando min_distance > stop_distance, o sistema imprime uma mensagem de segurança e continua a operação normal.

Conclusão

  O sistema de segurança é uma parte crucial para garantir que o robô opere de maneira segura, prevenindo colisões. Utiliza um sistema LiDAR para monitorar o ambiente e ajusta a velocidade do turtlebot automaticamente para evitar obstáculos. Este sistema é implementado de forma a ser contínuo e responsivo, garantindo que o turtlebot possa navegar de maneira autônoma sem risco de danos.

Vídeo de demonstração da solução

  Para demonstrar o funcionamento da solução desenvolvida até o momento, foi gravado um vídeo demonstrando a movimentação do robô, a interface web e o sistema de segurança utilizando o LiDAR e a webcam implementada. O vídeo pode ser encontrado no link a seguir:

Fonte: elaborado por SugarZ3ro

  Neste vídeo, é possível observar o robô realizando movimentos lineares e rotacionando conforme os comandos do usuário. Os o novo sistemas de segurança utilizando o sensor infravermelho também foi demonstrado, alem da vizualização em tempo real das imagens capturadas pela camera acoplada ao robo e da latencia dessas imagens.