Slides Controlador Lógica Nebulosa Implementação Robôs Inteligentes Utilizando Arduino Mário Raduan Labic UFRJ

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Controlador de Lógica 
Nebulosa para implementação 
em robôs inteligentes 
utilizando Arduino
Mário Alberto Cecchi Raduan
[UFRJ/PIBIC - Ago. 2011 a Jul. 2012]
Orientador: Adriano Joaquim de Oliveira Cruz, PhD
1quinta-feira, 1 de novembro de 12
Controlador de Lógica Nebulosa para 
implementação em robôs inteligentes 
utilizando Arduino
• Motivação
• Objetivo
• FIS - Fuzzy Inference System
• Do MATLAB para C
• Integração com Arduino
• Dificuldades
• Resultados
2quinta-feira, 1 de novembro de 12
Motivação
3quinta-feira, 1 de novembro de 12
Lógica Nebulosa
4quinta-feira, 1 de novembro de 12
Lógica Nebulosa
• Permite criarmos controladores baseados 
nas observações humanas
5quinta-feira, 1 de novembro de 12
Lógica Nebulosa
• Permite criarmos controladores baseados 
nas observações humanas
• “As implementações da lógica difusa permitem que estados 
indeterminados possam ser tratados por dispositivos de 
controle. Desse modo, é possível avaliar conceitos não-
quantificáveis. Casos práticos: avaliar a temperatura (quente, 
morno, médio...), o sentimento de felicidade(radiante, feliz, 
apático, triste...), a veracidade de um argumento 
(corretíssimo, correto, contra-argumentativo, incoerente, 
falso, totalmente errôneo etc.)”
5quinta-feira, 1 de novembro de 12
Exemplo de uma variável nebulosa 
representando a temperatura de um 
ambiente
6quinta-feira, 1 de novembro de 12
Funcionamento de um sistema nebuloso
7quinta-feira, 1 de novembro de 12
Arduino
8quinta-feira, 1 de novembro de 12
Arduino
• Programação em alto nível 
para controlar um robô
9quinta-feira, 1 de novembro de 12
Arduino
• Programação em alto nível 
para controlar um robô
• Baixo custo (US$ 30)
9quinta-feira, 1 de novembro de 12
Arduino
• Programação em alto nível 
para controlar um robô
• Baixo custo (US$ 30)
• Programas ficam salvos na 
memória Flash do Arduino
9quinta-feira, 1 de novembro de 12
Arduino
• Programação em alto nível 
para controlar um robô
• Baixo custo (US$ 30)
• Programas ficam salvos na 
memória Flash do Arduino
• Enorme compatibilidade 
com sensores, módulos e 
motores
9quinta-feira, 1 de novembro de 12
Lógica Nebulosa + Arduino
10quinta-feira, 1 de novembro de 12
Lógica Nebulosa + Arduino
• Robô real simples, autônomo, capaz de 
desviar de obstáculos (Mariam)
10quinta-feira, 1 de novembro de 12
Lógica Nebulosa + Arduino
• Robô real simples, autônomo, capaz de 
desviar de obstáculos (Mariam)
• Problema: como embarcar um sistema 
nebuloso em uma plataforma autônoma, 
como o Arduino?
10quinta-feira, 1 de novembro de 12
Um dos robôs utilizados no LabIC
11quinta-feira, 1 de novembro de 12
Objetivo
12quinta-feira, 1 de novembro de 12
Objetivo
• Criar uma biblioteca capaz de levar um 
sistema nebuloso para de um 
microcontrolador, programável em C/C++
13quinta-feira, 1 de novembro de 12
Objetivo
• Criar uma biblioteca capaz de levar um 
sistema nebuloso para de um 
microcontrolador, programável em C/C++
• Biblioteca LabicFuzzyC!
13quinta-feira, 1 de novembro de 12
FIS - Fuzzy Inference 
System
14quinta-feira, 1 de novembro de 12
Fuzzy Toolbox (MATLAB)
15quinta-feira, 1 de novembro de 12
Fuzzy Toolbox (MATLAB)
16quinta-feira, 1 de novembro de 12
O arquivo .FIS
[System]
Name='caminhao'
Type='mamdani'
Version=2.0
NumInputs=2
NumOutputs=1
NumRules=35
AndMethod='min'
OrMethod='max'
ImpMethod='min'
AggMethod='max'
DefuzzMethod='centroid'
[Input1]
Name='Posicao_c'
Range=[0 100]
NumMFs=5
MF1='LE':'trapmf',[0 0 10 35]
MF2='LC':'trimf',[30 40 50]
MF3='CE':'trimf',[45 50 55]
MF4='RC':'trimf',[50 60 70]
MF5='RI':'trapmf',[65 90 100 100]
[Input2]
Name='Angulo_c'
Range=[-105 285]
NumMFs=7
MF1='RB':'trimf',[-105 -45 15]
MF2='RU':'trimf',[-15 30 60]
MF3='RV':'trimf',[45 67 90]
MF4='VE':'trimf',[75 90 105]
MF5='LV':'trimf',[90 112 135]
MF6='LU':'trimf',[120 150 195]
MF7='LB':'trimf',[165 225 285]
[Output1]
Name='Angulo_v'
Range=[-30 30]
NumMFs=7
MF1='NB':'trimf',[-30 -30 -15]
MF2='NM':'trimf',[-25 -15 -5]
MF3='NS':'trimf',[-10 -5 0]
MF4='ZE':'trimf',[-5 0 5]
MF5='PS':'trimf',[0 5 10]
MF6='PM':'trimf',[5 15 25]
MF7='PB':'trimf',[15 30 30]
[Rules]
1 1, 5 (1) : 1
1 2, 4 (1) : 1
17quinta-feira, 1 de novembro de 12
Do MATLAB para C
18quinta-feira, 1 de novembro de 12
FIS Parser
19quinta-feira, 1 de novembro de 12
Integração com o 
Arduino
20quinta-feira, 1 de novembro de 12
IDE do Arduino
21quinta-feira, 1 de novembro de 12
Dificuldades
22quinta-feira, 1 de novembro de 12
Dificuldades
• Várias configurações de sistemas nebulosos
23quinta-feira, 1 de novembro de 12
Dificuldades
• Várias configurações de sistemas nebulosos
• Hardware limitado do Arduino
23quinta-feira, 1 de novembro de 12
Dificuldades
• Várias configurações de sistemas nebulosos
• Hardware limitado do Arduino
• Arduino Uno: 2 KB SRAM
23quinta-feira, 1 de novembro de 12
Dificuldades
• Várias configurações de sistemas nebulosos
• Hardware limitado do Arduino
• Arduino Uno: 2 KB SRAM
• Arduino Mega: 8 KB SRAM
23quinta-feira, 1 de novembro de 12
Dificuldades
• Várias configurações de sistemas nebulosos
• Hardware limitado do Arduino
• Arduino Uno: 2 KB SRAM
• Arduino Mega: 8 KB SRAM
• Repensar tipos das variáveis para 
economizar uso da RAM
23quinta-feira, 1 de novembro de 12
Resultados
24quinta-feira, 1 de novembro de 12
Resultados
• Resultados com baixíssima margem de erro 
quando comparados aos do MATLAB
• Primeira versão da biblioteca feita em C sob 
medida para um sistema específico
• Segunda versão totalmente reescrita em C++ 
para funcionar com qualquer sistema
• Última versão compilada ocupa pouco mais 
de 5 KB no Arduino
25quinta-feira, 1 de novembro de 12
Resultados
Sistema Tipo Amostras Desvio 
padrão
Margem 
de erro
caminhao
(15 regras)
Anfis 390 0,00003 0,00006%
caminhao
(35 regras)
Mamdani 390 0,723 1,2%
robo
(35 regras)
Mamdani 1.170 0,928 1,5%
manual
(200 regras)
Mamdani 8.748 0,540 0,9%
* Desvio padrão e margem de erro calculados em relação aos resultados obtidos pela função evalfis() do MATLAB.
** Margem de erro = (desvio padrão)/(intervalo da variável)
26quinta-feira, 1 de novembro de 12
Resultados
Sistema Tipo Amostras Desvio 
padrão
Margem 
de erro
caminhao
(15 regras)
Anfis 390 0,00003 0,00006%
caminhao
(35 regras)
Mamdani 390 0,723 1,2%
robo
(35 regras)
Mamdani 1.170 0,928 1,5%
manual
(200 regras)
Mamdani 8.748 0,540 0,9%
* Desvio padrão e margem de erro calculados em relação aos resultados obtidos pela função evalfis() do MATLAB.
** Margem de erro = (desvio padrão)/(intervalo da variável)
26quinta-feira, 1 de novembro de 12
Resultados
Sistema Tipo Amostras Desvio 
padrão
Margem 
de erro
caminhao
(15 regras)
Anfis 390 0,00003 0,00006%
caminhao
(35 regras)
Mamdani 390 0,723 1,2%
robo
(35 regras)
Mamdani 1.170 0,928 1,5%
manual
(200 regras)
Mamdani 8.748 0,540 0,9%
* Desvio padrão e margem de erro calculados em relação aos resultados obtidos pela função evalfis() do MATLAB.
** Margem de erro = (desvio padrão)/(intervalo da variável)
26quinta-feira, 1 de novembro de 12
Resultados
Sistema Tipo Amostras Desvio 
padrão
Margem 
de erro
caminhao
(15 regras)
Anfis 390 0,00003 0,00006%
caminhao
(35 regras)
Mamdani 390 0,723 1,2%
robo
(35 regras)
Mamdani 1.170 0,928 1,5%
manual
(200 regras)
Mamdani 8.748 0,540 0,9%
* Desvio padrão e margem de erro calculados em relação aos resultados obtidos pela funçãoevalfis() do MATLAB.
** Margem de erro = (desvio padrão)/(intervalo da variável)
26quinta-feira, 1 de novembro de 12
Resultados
• Open-source e em breve no site do LabIC!
27quinta-feira, 1 de novembro de 12
Referências
• John Yen, Reza Langari, Fuzzy Logic: Intelligence, Control and 
Information, Prentice Hall, 1999, ISBN 0-13525817-0
• H. T. Nguyen, E. A. Walker, A First Course in Fuzzy Logic, Chapman & 
Hall/CRC, 2000
• Thimoty Ross, Fuzzy Logic with Engineering Applications, J. Wiley, 
3rd Edition, 2010
• MOTA, T.C., Análise e Proposta de Controladores para 
Navegação Autônoma de um Robô Inteligente. 2010. 131p. 
Dissertação (Mestrado em Informática) — Programa de Pós-Graduação em 
Informática, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil
• Site oficial do Arduino - http://arduino.cc
28quinta-feira, 1 de novembro de 12
Obrigado!
Laboratório de Inteligência Computacional
Núcleo de Computação Eletrônica - UFRJ
www.labic.nce.ufrj.br
29quinta-feira, 1 de novembro de 12