Percepción. Universidad Autónoma de Guerrero Unidad Académica de Ingeniería. Introducción a la robótica Sesión 4: Percepción Eric Rodríguez Peralta

Transcripción

1 Introducción a la robótica Sesión 4: Percepción Eric Rodríguez Peralta Ingeniería en computación Plan 2004 Percepción Sentidos y órganos humanos Una de las tareas más importantes de los sistemas autónomos es adquirir cierto conocimiento del ambiente que le rodea. pero... Cómo lo logran? Toman medidas del ambiente mediante el uso de sensores y extraen información que tenga un significado de esas medidas. Visión : Ojos (óptico, luz) Audio: Oídos (Acústico, sonido) Tacto: Piel (Mecánico, temperatura, textura, etc.) Olor: Nariz (Química, vapores) Gusto: Lengua (Química, líquidos) 10/27/07 page 3 10/27/07 page 4

2 Rango de percepción Visión fuera del espectro visible Infrarrojos, visión nocturna Visión activa Medición con radar, sonar, láser Sonidos fuera de [20Hz 20KHz] Medición con ultrasonidos Análisis químico que sustituyan el gusto y/o el olfato Nariz electrónica 10/27/07 page 5

3 Algunos concursos Sumo Velocidad Laberinto Fútbol Lego Cuál es su característica más importante? Qué tipo de percepción necesitan? 10/27/07 page 12

4 Ej: B21, Real World Interface Que es percepción? Captar información Sensor Elemento eléctrico, mecánico capaz de convertir una característica del entorno en una medida cuantitativa Cada sensor se basa en un principio de transducción Cantidades físicas Transductor Cantidades eléctricas Interpretación 10/27/07 page 13 10/27/07 page 17 Ej: Transducción Clasificación de sensores Termistor: temperatura resistencia Electroquímica: química tensión Fotoeléctrica: intensidad de luz corriente Piro-eléctrica: radiación térmica tensión Humedad: humedad capacitncia Micrófono: presión del sonido - Tensión Estado interno (Proprioceptive sensors) Parámetros internos del robot velocidad ruedas posición nivel de baterías ángulos de articulaciones etc. Estado externo (Exteroceptive sensors) Observación del entorno objetos intensidad de luz medidas de distancia amplitud de sonido etc.. 10/27/07 page 18 10/27/07 page 19

5 Clasificación de sensores Clasificación de sensores Desde otro punto de vista los sensores se pueden clasificar además en: Pasivos: reciben energía del ambiente medidor de temperatura cámaras ccd micrófonos etc., Activos: emiten energía al ambiente y miden la reacción. Mejor performance pero suceptibles al ruido sonáres radar láser etc.. Desde el punto de vista de la tecnología usada se pueden clasificar : Sensores de Rango: regresan la medida de la distancia entre el sensor y los objetos en el ambiente Sensores de posición absoluta: Regresan la posición del robot en términos absolutos (Ej: latitud, longitud) Sensores ambientales: regresan alguna propiedad del entorno como temperatura, color de un objeto frente al robot, etc... Sensores inerciales: Regresan propiedades relacionadas con la posición del robot como: acceleración 10/27/07 page 20 10/27/07 page 21 Otras clasificaciones Observaciones Contacto vs Sin contacto Visuales vs No visuales Digitáles vs analógicos Orientación Posición Posición absoluta etc.. Los sensores son suceptibles al ruido Los sensores reales regresan una descripción incompleta del ambiente Los sensores reales no pueden ser modeldos completamente 10/27/07 page 22 10/27/07 page 23

6 Clasificación general Clasificación general 10/27/07 page 24 10/27/07 page 25 Idea básica Características generales Campo de vista Rango de operación Exactitud y resolución Velocidad (operación en tiempo real) Requerimientos computacionales Potencia, peso y tamaño Robustez (redundancia y tolerancia) 10/27/07 page 26 10/27/07 page 27

7 Performance Rango Un robot móvil debe percibir, analizar e intrepretar el entorno en el que se mueve Las medidas en un entorno real varian mucho por lo que son suceptibles a errores Ejemplos: Cambios de iluminación Reflejo de superficies brillosas Atenuación de luz o sonido Amientes dinámicos 10/27/07 page 31 10/27/07 page 33 Tipos de sensores: Función Sensores de contacto Táctil proximidad y rango Estado interno Dispositivo simples que reconocen la presencia de un objeto a través de interruptores Se usan principalmente para evitar daño al robot como último recurso (también se utilizan en manos robóticas) Dos formas de uso: Como otro sensor que va al computador del robot Conectado directamente al circuito de control de los motores de forma que detenga automáticamente al robot 10/27/07 page 49 10/27/07 page 50

8 Sensores de contacto Sensores de contacto Principales tipos: aunque existen sensores de contacto como los sensores de curvatura que cambian su resistencia como respuesta a la flexión, los más comúnmente usados son: Tipo pulsador Bumpers: micro-switches en un arreglo alrededor del robot Tipo pulsador: Consta de un botón (parte roja de la imagen) el cual al ser presionado hacia adentro, cierra el interruptor interno del sensor indicando que se ha chocado con algo. 10/27/07 page 51 10/27/07 page 52 Sensores de contacto Sensores de contacto Bumpers o microswitches: Conmutador de dos posiciones con muelle de retorno a la posición de reposo. Funcionamiento: Estado inactivo o de reposo pin común (C) y reposo (R) conectados de manera permanente hasta que una fuerza ejerce una presión a la palanca del bumper, el contacto pasa de la posición de reposo a la activa (A). 10/27/07 page 53 10/27/07 page 54

9 Sensores de proximidad Infrarrojos Permiten inferir la distancia a objetos en el ambiente: Cercanos: Infrarrojos Lejanos Sonares Láser Trabajan con luz infrarroja (invisible a los seres humanos) Mediante la emisión y detección de luz infrarroja permiten la detección de obstáculos cercanos 10/27/07 page 55 10/27/07 page 56 Infrarrojos Infrarrojos Utilizan triangulación para determinar la distancia entre el robot y un obstáculo Utilizan triangulación para determinar la distancia entre el robot y un obstáculo 10/27/07 page 57 10/27/07 page 58

10 Infrarrojos Infrarrojos Tipos: binario / distancia Rango: pocos cm a metros Problemas: Interferencia de luz ambiental Depende del color/propiedades de las superficies Toman lecturas contínuas de distancia y se representa en témrinos de voltaje contínuo El color blanco refleja la luz IR El color negro la absorbe 10/27/07 page 59 10/27/07 page 60 Infrarrojos Sonares El sonido rebota en los objetos Detectan obstáculos mediante la emisión de ultrasonido y detección del tiempo de retorno Murciélagos y delfines lo utilizan con excelentes resultados Los robots lo utilizan con no muy buenos resultados 10/27/07 page 62 10/27/07 page 65

11 Sonares Sonares Principio básico de operación: Emite una ráfaga de US (50 Khz), (oido umano 20Hz a 20KHz) Mide el tiempo transcurrido hasta detectar el eco Determina la distancia al objeto más próximo en esa dirección Rango: aprox. 10/20 cm a 5 m algunos 30 m Problemas: La distancia es precisa pero el ángulo de detección no (30 de incertidumbre) Depende del tipo de superficie Múltiples reflexiones Suceptible al ruido 10/27/07 page 66 10/27/07 page 67 Sonares Sonares Detectan obstáculos mediante la emisión de ultrasonido y detección del tiempo de retorno Rango: aprox. 10/20 cm a 5 m Problemas: Patrón de emisión Depende del tipo de superficie Múltiples reflexiones 10/27/07 page 68 10/27/07 page 71

12 Arreglo de sonares Arreglo de sonares Normalmente se combinan varios sonares para tener un rango mayor y redundancia. Algunos arreglos comunes: 1 sonar giratorio Varios sonares al frente 1 anillo de sonares (12, 16,...) 2 anillos de sonares a diferente altura Sonares apuntando arriba y/o abajo 10/27/07 page 73 10/27/07 page 74 Telémetro láser Telémetro láser Otro método para estimar la distancia a obstáculos, con mayor rango y mejor precisión que los sonares Tres métodos alternativos: Triangulación relación geométrica entre el haz emitido y el haz recibido Tiempo de vuelo tiempo de regreso del haz Basado en fase diferencia de fase entre el haz emitido y el haz reflejado 10/27/07 page 75 10/27/07 page 76

13 Apuntador láser con cámara Apuntador láser con cámara Una alternativa más económica al telémetro laser es el usar una apuntador láser (punto o línea) combinado con una cámara La distancia al obstáculo se estima en base a la altura del punto o línea en la imagen y relaciones geométricas 10/27/07 page 77 10/27/07 page 78 Sensores internos Sensores de posición y orientación Permiten al robot conocer su estado interno. Entre los más comunes están Encoders permiten determinar la posición absoluta o relativa del robot en función del movimiento de las ruedas (odometría) Brújulas permiten estimar en forma aproximada la orientación del robot Giroscopios, acelerómetros, GPS Medidores de energía, corriente de motores, temperatura Odometría Encoders Incrementales / absolutos Navegación inercial giroscopios inclinación acelerómetros Brújula GPS 10/27/07 page 79 10/27/07 page 80

14 Encoders Brújulas Miden la posición o velocidad de las ruedas La estimación de la posición del robot con base al movimiento de las ruedas se conoce como Odometría Usados para determinar la posición del robot Se puede estimar la posición del robot junto con la apropiada información de la velocidad Diferentes métodos son utilizados para determianar la orientación, elmás común campo magnético de la tierra 10/27/07 page 81 10/27/07 page 82 Brújulas: desventajas Giroscopio Suceptibles a los campos magnéticos del entorno de trabajo del robot No es confiable en interiores Debilidad del campo magnético de la tierra Utilizados para conocer la orientación e inclinación de un sistema (miden la velocidad de rotación) Es comunmente utilizado en diferentes dispositivos como: aeroplanos naves espaciales frisbees bicicletas 10/27/07 page 83 10/27/07 page 84

15 Giroscopio GPS Se basa en las propiedades inerciales de de la velocidad de giro de un rotor El efecto del momento angular junto con la velocidad de giro de la rueda mantiene el eje del giroscopio inercialmente estable Sistema de Posicionamiento Global Inicialmente uso militar Actualmente uso comercial 24 satélites orbitan la tierra a una altura de aprox KM 4 de ellos están localizados en cada uno de los seis planos inclinados 55 con respecto al ecuador La localización de cualquier GPS se determina por triangulación midiendo el tiempo que tarda en llegar la señal desde el dispositivo hacia el satélite. 10/27/07 page 85 10/27/07 page 86 GPS Conclusiones Hay ruido en la medida de los sensores Origen: fenómenos naturales + ingeniería no ideal Consecuencias: precisión limitada Filtrado: software: promediando algoritmos de procesamiento de señal Hardware: Uso de filtros con capacitores 10/27/07 page 87 10/27/07 page 88

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