SENSORES PARA POSICIONAMIENTO DE ROBOTS MÓVILES

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1 SENSORES PARA POSICIONAMIENTO DE ROBOTS MÓVILES Marta Marrón Romera Departamento Electrónica. Universidad Alcalá. Estas transparencias se han realizado contando con apuntes confeccionados sobre el tema por los profesores Felipe Espinosa, Manuel Mazo, Jesús Ureña y Luis Miguel Bergasa Página 1 Referencias Bibliográficas Where am I?. Sensors and methods for mobile robot positioning. Autor: J. Borenstein, and others. Edit.: A. K. Peters. Ltd. Robótica. Manipuladores y robots móviles. Autor: A. Ollero Edit.:Marcombo Mobile robots. Inspiration to implementation. Autor: Jones, J.L. and Flynn, A.M. Ed. A.K. Peters, Ltd. Sensors for mobile robots. Theory and application. Autor: H. R. Everett. Edit.: A. K. Peters, Ltd. Autonomous Mobile Robots. Perception, Mapping and Navigation. Autores: S. Sitharama, Alberto Elfes. Edit.: IEEE Computer Society Press. Página 2

2 Índice Contenidos 1. INTRODUCCIÓN A LOS SENSORES PARA POSICIONAMIENTO DE ROBOTS MÓVILES 1.1. Conceptos previos 1.2. Clasificación sensores y algoritmos posicionamiento asociados 2. SENSORES PARA POSICIONAMIENTO RELATIVO 2.1. Navegación Inercial con Acelerómetros y Giróscopos 2.2. Odometría 3. SENSORES PARA POSICIONAMIENTO ABSOLUTO 3.1. Ultrasonidos 3.2. Infrarrojo 3.3. Balizas y GPS ( Global Positioning System ) 3.4. Visión Página 3 Conceptos previos (I) Robot?:!Máquina en la que se integran componentes mecánicos, eléctricos, electrónicos (hard+soft) y comunicaciones!cualquier obra ingeniería diseñada para facilitar las tareas a sarrollar por los humanos!resuelven aplicaciones diversos tipos: Industrial, Servicios, etc.!suelen incorporar movimiento: partes l robot son móviles (brazo robot), o se mueve en su totalidad (splazamiento l robot) Evolución: " Años 20: inicios robótica " Años 80: sustituir al hombre en la cana producción (teleoperadas) " Años 90: robots autónomos " Años 00: robots inteligentes Página 4

3 Conceptos previos (II) Arquitectura básica un robot: " Estructura mecánica: soporte físico la máquina y mecánica que proporcione movilidad " Actuadores movimiento: según tipología la parte móvil " Sensores # Internos para control accionamientos la estructura mecánica # Externos para percepción l entorno y reaccionar ante agentes externos Página 5 Conceptos previos (III) " Interfaz hombre-máquina (HMI): Para introducir comandos y conocer la evolución movimiento # Los básicos: joystick, voz, pulsadores (pantalla táctil), etc... # Más sofisticados: movimiento cara, soplo " Planificación movimientos: Determina el comportamiento l robot (respuesta actuación frente a sensado) # Según ésta el funcionamiento l robot será: teleoperado, repetitivo o autónomo # Dos comportamientos básicos: Estratégico y Reactivo Percepción+Procesamiento información+planificación => Control movimientos Página 6

4 Conceptos previos (IV) Sensores posicionamiento: " Permiten cerrar el lazo realimentación control posición => imprescindible en robótica móvil " 2 funciones: don está el robot y cómo es el entorno " 2 objetivos: posicionamiento local o global " 2 aplicaciones: navegación autónoma y construcción mapas En función todo ello => distintos sensores y técnicas Otro factor importante en la elección: los errores asociados a los sensores que producen error posicionamiento! sistemáticos: problemas calibración. Fácilmente corregibles! no sistemáticos: caracterizados por variables aleatorias (fdp, η,σ) Se intentan compensar con molos matemáticos estocásticos Mejor método compensarlos => fusión sensado posición Página 7 Conceptos previos (V) Ejemplo sistema posicionamiento en el lazo control un robot móvil: Generador Generador trayectorias trayectorias x y θ P1 P2 Pg TIPO CONTROL DE POSICIÓN reales + - Control Control V V y y Ω Integrador Integrador V Ω V Ω seadas Cinemática Cinemática la la silla silla reales Cinemática Cinemática inversa inversa ω D ω I + - seadas Control Control bajo bajo nivel nivel ω D ω I reales Drivers MOTORES Encors Página 8

5 Conceptos previos (VI) Manipuladores Industriales " Brazos articulados con varios grados libertad " Sistemas actuación neumática, eléctrica e hidráulica Robots Móviles " Vehículos autónomos con capacidad movimiento automático " Sistemas actuación normalmente eléctricos " Más avanzados: dotado sistemas inteligentes para seguimiento trayectorias, tección y evasión obstáculos, planificación caminos Problemas comunes: Dinámica a altas aceleraciones y velocidas Errores sensores en el posicionamiento Página 9 Conceptos previos (VII) Estructuras básicas Manipuladores Industriales: Evolución efector final: Página 10

6 Conceptos previos (VIII) Estructuras cinemáticas básicas los Robots móviles:! Efectivos en terrenos duros y lisos! Problemas con slizamientos y vibraciones Configuraciones típicas cinemática: Tipo bicicleta Tipo Ackerman o turismo Tipo triciclo Página 11 Conceptos previos (IX) Tracción diferencial Otra Síncrona Tipo oruga Página 12

7 Conceptos previos (X) Tetrápodo Bípedo Página 13 Clasificación (Tipo sensor) Internos: " Min movimientos los actuadores l robot móvil " Por finición permiten implementar técnicas posicionamiento relativo 1.- Potenciómetros 2.- Odometría e inerciales (para manipuladores) (para robot móvil y manipulador) Externos: " Detectan posición l robot respecto al entorno " Puen ser contacto (antenas, bumpers, do robot, array sensor, etc. ), o no contacto: 1.- Visión 2.- Ultrasonidos 3.- Infrarrojo 4.- Radio Página 14

8 Clasificación (Tipo sensor) Activos: " Emite al entorno " Algunas emisiones puen ser peligrosas y pue haber interferencias 1.- Contacto 2.- Ultrasonidos 3.- Infrarrojo 4.- Radio Pasivos: " No existe emisión 1.- Sensores Internos 2.- Visión Los contacto solo válidos para navegación reactiva Página 15 Clasificación (Algoritmo posicionamiento) Posicionamiento relativo (ad-reckoning): " Incremento posición l robot => necesario conocer posición inicial " Inconveniente: error sensado => error posicionamiento acumulativo " Ventaja: Fácil procesamiento datos 1.- Navegación inercial 2.- Odometría (Acelerómetros y Giróscopos) (Encors) Posicionamiento absoluto (reference-based systems): " Posición l robot respecto sistema referencia externo " Son las técnicas usadas con sensores externos 1.- Distancia a obstáculo 2.- Balizas (Ultrasonido, Infrarrojo) (Ultrasónicas, Infrarrojas, radio, visión) 3.- Marcas (landmarks) 4.- Corresponncia (matching) (Visión) (Visión, Infrarrojo) Página 16