Resumo

Os robôs de serviço são desenvolvidos para realizarem tarefas úteis aos seres humanos, como limpar um ambiente, entregar uma encomenda ou auxiliar na mobilidade humana, especialmente, de idosos ou de pessoas portadoras de alguma necessidade especial. Existem vários tipos de robôs de serviços, dentre eles os classificados como semiautônomos, foco deste trabalho. Esses robôs são parcialmente controlados por um ser humano, ficando o robô responsável por tarefas específicas, principalmente aquelas relacionadas com a segurança da missão. Esta dissertação propõe uma estratégia para a navegação de robôs semiautônomos baseada apenas em informações locais obtidas pelos sensores instalados no robô e um planejador ótimo que gera caminhos a serem seguidos localmente pelo robô, garantindo assim o desvio de obstáculos. A missão que o robô deve cumprir é definida pelo usuário por meio de uma sequência de comandos simples, como siga em frente e vire à direita, sendo esse comando codificado por meio de campos vetoriais artificiais, que são utilizados pelo funcional de custo a ser otimizado pelo planejador. Essa estratégia de navegação é interessante já que esses robôs de serviço semiautônomos, diferentemente de outros, podem não ter um mapa do ambiente ou um sistema de localização global, uma vez que esses operam em ambientes desconhecidos e sua missão pode ser controlada por um operador humano. Arquiteturas puramente deliberativas, que utilizam um planejador de caminhos para desvio de obstáculos, geralmente, necessitam da localização do robô em um mapa, sendo difíceis de serem aplicadas por esse tipo de robô. Por outro lado, arquiteturas puramente reativas podem levar o robô a condições indesejadas ou fazer com que o robô execute movimentos pouco suaves. Para a avaliação experimental dessa estratégia de navegação, considerou-se um ambiente típico de prédios comerciais, hospitais e escolas composto de corredores e intercessões. Nesse ambiente, a estratégia foi utilizada para controlar robôs simulados e dois robôs de serviço semiautônomos reais. Os resultados obtidos demostram que os robôs foram capazes de executar a missão definida pelo usuário, desviando eficientemente e de forma planejada de obstáculos estáticos e, para algumas situações bem definidas, também de obstáculos dinâmicos, incluindo pessoas se locomovendo no ambiente durante a missão. A comparação com métodos clássicos baseados em SLAM mostra que, além de mais simples e eficiente, a metodologia proposta apresenta melhores resultados em ambientes dinâmicos.

Abstract

Service robots are designed to perform useful tasks for humans, such as cleaning environments, delivering an order or assisting human mobility, especially, assisting elderly or people with disabilities. Among several types of service robots, this work is focused in the robots classified as semi-autonomous service robots. These robots are partially controlled by a person, being the robot responsible for specific tasks, especially those related to mission safety. This master thesis proposes a strategy for the navigation of semi-autonomous service robots based on local information obtained by the sensors installed on the robot and an optimal planner, which calculates paths to be followed locally by the robot, thus ensuring obstacle avoidance. The robot's mission is defined by a user through a sequence of simple commands, such as go ahead and turn right. These commands are encoded by artificial vector fields, which are used by the functional cost to be optimized by the planner. This navigation strategy is interesting because semi-autonomous service robots, unlike others, may not have a map of the environment or a global localization system, since they may be navigating in unknown environments under close supervision of a human. Purely deliberative architectures use path planners to avoid obstacles and usually require the localization of the robot on a map, being difficult to be applied to this type of robot. On the other hand, purely reactive architectures may take the robot to undesired conditions or may generate non-smooth paths. For the experimental evaluation of the proposed navigation strategy, we considered a typical environment of office buildings, hospitals and schools that is consisted of corridors and intersections. In this environment, the strategy was used to control a simulated robot and two actual semi-autonomous service robots. The results show that the robots were able to perform the user-defined mission efficiently, avoiding static obstacles and, for some well-defined situations, also dynamic obstacles, including people moving in the environment during the mission. The comparison with classical methods based on SLAM shows that, besides simpler and more computationally efficient, the proposed methodology presents better results in dynamic environments.

Resumo

Radio Frequency IDentification (RFID) é uma tecnologia usada para rastreamento e identificação de objetos. Como antenas impressas tem sido amplamente nos sistemas RFID, devido às suas vantagens, por isso são propícias no projeto de etiquetas RFID. Este trabalho apresenta uma análise, projeto e simulação no software CST MicroWave Studio de uma etiqueta Passiva RFID para operar na frequência de 915 MHz. A etiqueta RFID é composta por um substrato RO3003 Rogers com permissividade elétrica relativa de 3,0 e um chip UCODES 7 SL3S1204 da NXP Semiconductor. Além disso, uma técnica de miniaturização é aplicada, utilizando uma matriz de anéis ressoadores (Complementary Split-Ring Resonator - CSSR), inserida no plano terra da antena impressa. O desempenho da antena proposta foi analisado em termos do ganho da antena e da perda de retorno. Os resultados mostram que o uso da estrutura metamaterial na etiqueta RFID reduz o tamanho da antena impressa em até 30%.

Abstract

Radio Frequency IDentification (RFID) is a technology used to track and identify objects. Microstrip antennas have been widely used in RFID systems because of their inherent advantages. This work presents the analysis, design and simulation in CST Microwave Studio software of an RFID Passive Tag to operate on the 915 MHz frequency. The RFID tag is composed by a RO3003 Rogers substrate with relative electric permittivity of 3.0 and an UCODE 7 SL3S1204 chip from NXP Semiconductor. Additionally, a miniaturization technique is applied, using Complementary Split-Ring Resonators (CSSR), inserted in the ground plane of the microstrip antenna. The performance of the proposed antenna is analyzed in terms of antenna gain and return loss. The results show that the use of the metamaterial structure in the RFID tag reduces the size of the microstrip antenna by about 30 %.