Robots Autónomos - RUA: Principal · • Medir variables internas del robot (sensores internos)...
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Robots AutónomosMiguel Cazorla, Otto Colomina
Depto. Ciencia de la Computación e I.A. Universidad de Alicante
Robots AutRobots AutóónomosnomosMiguel Miguel CazorlaCazorla, Otto Colomina, Otto Colomina
DeptoDepto. Ciencia de la Computaci. Ciencia de la Computacióón e n e I.AI.A. . Universidad de AlicanteUniversidad de Alicante
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RobóticaRobRobRobóóóticaticatica
Sensores
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IntroducciónIntroducciIntroducciIntroduccióóónnn
• Sistema robótico: percepción-acción• Necesitamos obtener información (percibir) el
mundo que nos rodea (y datos propios)• Este conocimiento se obtiene mediante
sensores• Sensor: aparato que transforma variables
físicas en señales eléctricas
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Ejemplos de sensoresEjemplos de sensoresEjemplos de sensoresEjemplos de sensores
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¿Para qué se usan?¿¿¿Para quPara quPara quééé se usan?se usan?se usan?
• Medir variables internas del robot (sensores internos)– Velocidad, posición, orientación
• Percibir el mundo exterior (sensores externos)– Distancia a obstáculos, posición absoluta en un
entorno, temperatura, humedad, visión, etc.
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Sensores activos y pasivosSensores activos y pasivosSensores activos y pasivosSensores activos y pasivos
• Sensores activos: emiten energía o cambian el entorno (toque, sonar).– Errores al interactuar con el entorno y/o con otros
sensores
• Sensores pasivos: reciben energía (visión, temperatura). – Mayor error asociado, necesitan de más energía.
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Problemas de los sensoresProblemas de los sensoresProblemas de los sensoresProblemas de los sensores
• Los sensores reales son ruidosos
• Proporcionan una descripción incompleta del entorno
• No pueden ser modelados completamente: problema simulación-realidad
• Necesitan un algoritmo para realizar inferencia sobre la información proporcionada (problema de reconstruir el entorno)
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Propiedades de los sensoresPropiedades de los sensoresPropiedades de los sensoresPropiedades de los sensores
• Las siguientes propiedades nos servirán a la hora de seleccionar un determinado sensor:– Velocidad de operación– Coste– Errores asumidos– Robustez frente a agentes externos– Requerimientos computacionales– Voltaje, peso, tamaño
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SensoresSensoresSensoresSensores
• Sensores de toque• Sensores para cálculo de posición
– Sensores internos: odometría– Sensores externos: GPS, beacons
• Sensores de rango– Sonar– Laser
• Visión: cámaras CCD
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Sensores de toqueSensores de toqueSensores de toqueSensores de toque
• Uno de los sensores más sencillos• Proporciona 1 (pulsado) 0 (no pulsado)• Utilidad: control de choque, control de
presencia de objeto
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GiroscopiosGiroscopiosGiroscopiosGiroscopios
• Mide la orientación relativa: puede actuar de brújula
• Muy ruidoso
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Otros sensores internosOtros sensores internosOtros sensores internosOtros sensores internos
• Inclinómetros: péndulo de plomo
• Brújulas: miden orientación con respecto al campo magnético de la tierra. Muy sensibles a variaciones del flujo magnético: necesita calibración
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OdometríaOdometrOdometrOdometríííaaa
• Dead reckoning: cálculo de la posición basándose en los sensores internos
• Integrar las distancias recorridas (∆s) y ángulos girados (∆θ) en cortos periodos (en Pioneer, cada 20 ms)
θθθθθ
∆+=′∆+=∆+=
sin'cos'
syysxx
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Sensores externos de posiciónSensores externos de posiciSensores externos de posiciSensores externos de posicióóónnn
• Permiten obtener las coordenadas del robot con respecto a un sistema de referencia externo
• GPS: Global Positioning Systems– Obtiene x,y,z
• Active Beacons– Obtiene x,y,θ
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GPS: Global Positioning SystemGPS: Global GPS: Global GPS: Global PositioningPositioningPositioning SystemSystemSystem
• Permite, mediante un receptor, conocer nuestras coordenadas 3D (latitud, longitud y altitud)
• Un GPS no es sólo el receptor• Sistema compuesto por:
– Segmento espacial: 24 satélites orbitando alrededor de la tierra
– Segmento de usuario: receptor GPS– Segmento de control: estaciones de control repartidas por
todo el mundo
• En cualquier punto del mundo podemos “ver”mínimo 5 satélites y máximo 8
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Sistema completoSistema completoSistema completoSistema completo
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HistoriaHistoriaHistoriaHistoria
• Surge como proyecto del DARPA• Se abre a aplicaciones civiles, añadiendo un
ruido que provoca un error de 100 metros• Se elimina el error añadido: errores de menos
de 5 metros• Desarrollo del DGPS (GPS diferencial): base
cercana con posición exacta: cuanto más cerca nos encontremos de esta base menor será nuestro error (errores de menos de medio metro)
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Funcionamiento del GPSFuncionamiento del GPSFuncionamiento del GPSFuncionamiento del GPS
• Cada satélite emite una señal codificada con información de identificación
• El receptor recibe señales de los distintos satélites
• Conociendo las posiciones de los satélites y midiendo el tiempo que ha tardado la señal en llegar, se realiza una triangulación para obtener nuestra posición
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Problema del GPSProblema del GPSProblema del GPSProblema del GPS
• Poca precisión, aunque se puede usar DGPS
• No es posible usarlo en edificios, subsuelo y bajo el agua. Tampoco en bosques densos ni entre edificios altos. En este tipo de entornos podemos utilizar los Active Beacons
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Sensores de rangoSensores de rangoSensores de rangoSensores de rango
• Rango: distancia del sensor al objetivo (profundidad)
• Se suelen utilizar para obtener la distancia a los objetos
• Se pueden utilizar como complemento de otros métodos: visión
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Sensores de rango: principio básicoSensores de rango: principio bSensores de rango: principio bSensores de rango: principio bááásicosicosico
• Sensores Time-of-flight:
distancia = Vel. Medio x Tiempo2
Vel. Medio=340m/s en el aire
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InfrarrojosInfrarrojosInfrarrojosInfrarrojos
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Sensores de rangoSonar
Sensores de rangoSensores de rangoSensores de rangoSonarSonarSonar
SONAR: SOund NAvigation and Ranging
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Sensores de rangoSonar
Sensores de rangoSensores de rangoSensores de rangoSonarSonarSonar
• El sensor actúa de emisor y receptor
• Funcionamiento:– Emite un tren de ultrasonidos de 50kHz– Emite formando un haz en forma de cono con una
extensión de ±15º– Duración del haz 1ms aprox.– Pasa a modo receptor
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Sensores de rangoSonar
Sensores de rangoSensores de rangoSensores de rangoSonarSonarSonar
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Problemas con el sonarProblemas con el sonarProblemas con el sonarProblemas con el sonar
a) Ángulo de incidencia
b) Amplitud del cono
c) Dobles rebotes
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SickSickSickSick
• Devuelve un grupo de lecturas de 180º, con una lectura por cada grado
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Uso de sonar con Player/StageUso de sonar con Uso de sonar con Uso de sonar con PlayerPlayerPlayer///StageStageStage
• Clase SonarProxy
• Lecturas de sonar– range_count: número de lecturas de sonar– Array ranges[]: distancias detectadas por los
sonares (en metros)• Posición de los sensores en el robot
– Antes hay que llamar a GetSonarGeom()
– pose_count: número de sonares– Array poses[][3]: posición de los sensores (x
en metros, y en metros, ángulo en rads).
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Uso de laser con Player/StageUso de Uso de Uso de laserlaserlaser con con con PlayerPlayerPlayer///StageStageStage
• Clase LaserProxy
• Lecturas– scan_count: número de lecturas– scan[][2]: array con las lecturas en formato
distancia/ángulo (metros y radianes)– point[][2]: array con las posiciones x,y de los
obstáculos detectados (en metros). Las posiciones son relativas al robot.