Grupo de Sistemas y Comunicaciones. Curso Sensores

Transcripción

1 Robótica Grupo de Sistemas y Comunicaciones gsyc-profes@gsyc.escet.urjc.es Curso Sensores Robótica

2 Introducción 43 Introducción Definen cómo será el mundo del robot Constituyen el sistema de percepción del robot No proporcionan directamente estado Dispositivos físicos que miden cantidades físicas de propiedades (distancias, sonido, magnetismo, olores, presiones, altitud, velocidad, inclinación, etc.) La misma propiedad física puede medirse por varios sensores Son limitados, ruidoso e inexactos Introducción (cont.) 44 De señales a símbolos Un sensor no proporciona símbolos Pude hacer falta mucha capacidad de proceso para convertir señales en símbolos La sensorización de un robot implica diversas disciplinas: Electrónica: Un sensor de colisión (detectar si pasa o no corriente) Procesamiento de señales: Un micrófono (separar la voz del ruido) Informática: Un cámara que devuelve los bordes (reconocer un objeto)

3 Introducción (cont.) 45 Diseño de la sensorización de un robot La naturaleza evoluciona sensores para resolver problemas: ojos de las moscas, nuestros Un diseñador de robots generalmente no puede crear nuevos sensores El trabajo del diseñador es integrar los sensores existentes La integración debe hacerse sin perder de vista la tarea a realizar Introducción (cont.) 46 Ejemplo Cómo detectaríamos la presencia de intrusos en una sala? Temperatura Movimiento Perfil Color

4 Introducción (cont.) 47 Ejemplo Cómo medimos distancias? Ultrasonidos y tiempo de eco Infrarrojos e intensidad recibida Dos cámaras (visión estereoscópica) Triangular con un láser y una cámara fija Caracterización de los sensores 48 Caracterización de los sensores Sensibilidad: ratio de cambio de la salida a los cambios de las entradas Linealidad: medida de la constancia del ratio entrada/salida Rango: diferencia entre el máximo y mínimo valor medible Tiempo de respuesta: tiempo requerido para que un cambio de la entrada sea observable Exactitud: diferencia entre el valor real y el medido Resolución: el incremento mínimo observable en la entrada Repetitividad: diferencia entr sucesivas medidas de la misma entrada Tipo de salida: entero, real, matriz,...

5 Caracterización de los sensores (cont.) 49 Clasificación de los sensores Internos: información sobre el propio robot Posición (potenciómetros, inductosyn, ópticos...) Velocidad (eléctricos, ópticos...) Aceleración Externos: información sobre lo que rodeal al robot Proximidad (reflexión lumínica, láser, ultrasonido...) Tacto (varillas, presión, poĺımeros...) Fuerza (corriente en motores, deflexión...) Visión (cámaras de tubo, CCD lineales, cámaras CCD...) Otras clasificaciones: sencillos/complejos, activos/pasivos, visuales/no visuales Caracterización de los sensores (cont.) 50 Sensores sencillos/complejos Se pueden usar sin mucha capacidad de cálculo Necesitan cierta electrónica: Conectores a los puertos Convertidores analógicos-digitales Necesitan cierta programación: Acceso a los puertos Interpretación de la información

6 Caracterización de los sensores (cont.) 51 Sensores activos/pasivos Recordar división preliminar (activos/pasivos, simples/complejos) Sensores pasivos: simplemente miden señales del entorno. Sensores pasivos: interruptores, luz, botones, etc. Sensores activos: producen un estímulo y miden su interacción en el entorno. Sensores activos: Ultrasonido, láser, infrarojos etc. Necesitan más energía, más procesamiento. Sensores de interruptor 52 Sensores de interruptor Sensor sencillo, pasivo y puede ser interno o externo Principio básico: Circuito abierto/cerrado (pasa corriente, no pasa). Necesitan poco procesamiento a nivel electrónico. Usos variados: Contacto: el robot choca con algo (ej. detector de pared) Límite: un dispositivo ha alcanzado el máximo de su rango (ej. pinza abierta) Contador: cada vez que se abre/cierra (ej. contador de vueltas) Dependiendo de la aplicación el estado normal será abierto o cerrado El encapsulado depende de la aplicación (p.e. el de LEGO es muy simple/flexible)

7 Sensores de tacto 53 Sensores de tacto Sensor sencillo, pasivo y externo Microinterruptores colocados de diversas formas Conocer el perfil del objeto Caso extendido del sensor de interruptor Sensores de posición 54 Sensores de posición Sensor sencillo, pasivo e interno Indican en posición se encuentra un elemento (p.e. articulación) Pueden ser rotacionales o traslacionales Dos tipos básicos: Eléctricos : Potenciómetros, un contacto que se mueve sobre una espiral Ópticos : optoninterruptores (detectan uno posición) Los veremos cuando hablemos del sensor de rotación

8 Sensores de luz ambiente 55 Sensores de luz ambiente Miden la cantidad de luz que llega a una célula foto-eléctrica (básicamente una resistencia) La resistencia es baja con luz y alta con oscuridad (sensor de oscuridad) Usualmente el software invierte los valores (bajo oscuridad) También se pueden usar de diversas formas: Pueden medir intensidad Pueden orientarse, enfocarse, protegerse Su colocación influye Fotosensores activos 56 Fotosensores activos El sensor consta de un emisor y un receptor. La situación de ambos define el tipo de sensor: Reflexión (reflective): Se colocan juntos y detectan la reflexión de los objetos. Barrera (break-beam): Se oponen y detectan cuando algo interrumpe el haz. El emisor es un LED. El receptor suelen ser fotodiodos o fototransistores (las fotresistencias son más sencillas pero más lentas).

9 Fotosensores activos (cont.) 57 Uso de los fotosensores activos Detectar la presencia de objetos. Medir la distancia a los objetos. Detección de características: encontrar una marca, seguir una ĺınea, etc. Lectura de códigos de barras. Implementar sensores de rotación. Fotosensores activos (cont.) 58 Problemas con los fotosensores activos La reflexión depende del color y de las carectísticas del material. En principio, colores más claros reflejan más que los más oscuros: Es más difícil (menos fiable) detectar objetos oscuros. Los objetos claros parecen estar más cerca y los oscuros más lejos de lo que realmente están. La luz ambiente es una fuente de ruido: Calibrar: restar la luz ambiente (p.e. leer en modo pasivo). La luz ambiente cambia: es necesario calibrar cada cierto tiempo.

10 Sensores de infrarrojos 59 Sensores de infrarrojos Probablemente los sensores de no-contacto más extendidos Un tipo de sensor de luz que utiliza la parte del espectro del infrarrojo Para distinguir la reflexión del infrarrojo ambiente se suele modular (100Hz usualmente) Sensores activos: emisor y receptor Se usan de la misma forma que los sensores de luz: barrera y reflexión Se usan profusamente porque hay menos interferencias, son fácilmente modulables y no son visibles Problema: objetos que no reflejan el IR, la intensidad decrece con d 2 (rango máximo cm.) Sensores de rotación 60 Sensores de rotación Miden la rotación angular: odómetros (número de vueltas), velocímetros (velocidad) Marcar el elemento que gira (p.e. haciendo agujeros a un disco: cada vez que la luz pasa se cuenta). Resolución: número de agujeros (Uno: baja resolución, problema con errores. Muchos: requiere velocidad en el sensor). Otra técnica: pintar sectores blancos y negros y medir la reflexión En el segundo caso se obtiene una onda que puede procesarse. Cómo detectar el cambio de dirección? Ruido de los efectores (las ruedas patinan y deslizan)

11 Sensores de rotación (cont.) 61 Sensores de rotación (ejemplo) Sensores de velocidad 62 Sensores de velocidad Sensor interno, pasivo, simple?. Miden la velocidad (generalmente angular) Eléctricos: Una bobina que gira perpendicularmente a un campo magnético Se genera tensión proporcinal a la velocidad de giro Ópticos: Usan los sensores de posición midiendo la velocidad Suele hacerse con la señal generada

12 Sensores de aceleración 63 Sensores de aceleración Sensor interno, pasivo, simple?. Miden la aceleración Usan la inercia: un muelle que se estira Se usan relativamente poco Problemas de oscilación (falsas medidas) Sensores de ultrasonidos 64 Sensores de ultrasonidos Usado fundamentalmente para medir distancias El emisor emite un chirrido y se capta en un micrófono el reflejo (mismo principio que el SONAR). Ultrasonidos viajan aprox. 35 cm. por milisegundo (a 20 o Celsius). El sonar de los murciélagos es mucho más sofisticado: múltiples frecuencias, gran resolución, permite comunicaciones,...

13 Sensores de ultrasonidos (cont.) 65 Ejemplo: sensores de Polaroid Primeros sensores comerciales, pensados para fotografía Siguen siendo los más usuales off-shelf (con procesador dedicado) Propiedades estándar: Rango de 10 m (aprox) 30 grados de amplitud Devuelven distancia al objeto más próximo Combinables en arrays de diferentes fases (más precisos) Sensores de ultrasonidos (cont.) 66 Problemas con ultrasonidos La posición real del objeto es desconocida: (cualquier posición del cono a distancia d). Reflejos especulares: la dirección del reflejo depende del ángulo de incidencia Cuanto menor sea el ángulo, mayor es la probabilidad de perderse y producir falsas medidas de gran longitud Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas producen reflejos que llegan antes) Resumen: medidas de objetos lejanos pueden ser muy erróneas Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco ángulo puede no verla. Qué ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?

14 Sensores láser 67 Sensores láser Mismo principio que en los ultrasonidos: medir tiempo de eco Mucho más precisos que los ultrasonidos El Sick de la figura proporciona medidas en 180 grados, cada medio grado, a 20 Hz, con resolución de 1-2 cm. Inconveniente: precio Otros sensores de timpo de vuelo: RADAR (Radio Detection And Ranging Visón artificial 68 Visón artificial Uso de cámaras como sensores. Imitan los ojos (que son mucho más sofisticados). Principio: Luz reflejada en los objetos pasa a través de una lente (iris) en un plano de imagen (retina) formando una imagen que puede ser procesada. Ese procesamiento suele ser muy costoso computacionalmente. Campo tan complejo que tradicionalmente se ha considerado como un campo de la informática (como la IA).

15 Visón artificial (cont.) 69 Funcionamiento biológico La luz reflejada en los objetos incide en la retina produciendo el plano de imagen. La retina tiene muchas terminaciones nerviosas fotosensibles (rodes and cones) Llamaremos imagen a la proyección del plano sobre las terminaciones. Terminaciones unidas a nervios que realizan el procesamiento previo (visión preliminar). Los nervios pasan la información al cerebro que realiza el procesamiento de alto nivel. La mayor parte del cerebro humano se dedica al procesamiento de la visión. Visón artificial (cont.) 70 Visión artificial En vez de terminaciones se usan particulas de plata (fotografía tradicional) o Charge-Coupled Devices (cámaras CCD). El objetivo es comprender la información obtenida por el dispositivo. Problema de enfoque en el plano si se usan lentes. Si se usan cámaras simples (sólo un agujero) simplemente hay que invertir el plano. Profundidad de campo: rango en el que los objetos están enfocados en la imagen. El plano se suele dividir en partes iguales (pixels) típicamente en forma rectangular Cámara típica 512x512 pixels (en una retina hay 120x10 6 x6x10 6 terminaciones organizadas hexagonalmente)

16 Visón artificial (cont.) 71 Imagen digital El valor de cada pixel es proporcional a cantidad de luz reflejada por la parte de la superficie del objeto que se proyecta sobre ese pixel. Depende: Material del objeto. Posición de las luces en la escena. Reflejo de otros objetos en la escena. El valor de cada pixel depende de la reflexión especular (reflejada directamente) y la reflexión difusa (absorbida y re-emitida por el objeto). Visón artificial (cont.) 72 Tratamiento de Imágenes (preliminar) Consideremos un ejemplo de una cámara grises 512x512 pixels Cada pixel una intensidad entre blanco y negro. Visión preliminar: detección de bordes Qué es un borde? Cambio brusco en la intensidad. Aproximación preliminar: Definir como curva y buscar áreas donde la derivada sea grande Produce puntos espúreos: ruido No permite distinguir sombras de bordes de objetos físicos Eliminar ruido: convolución elimina los puntos aislados La convolución aplica un filtro a la imagen (de hecho para detectar bordes se convolucionan varios filtros en varias direcciones).

17 Visón artificial (cont.) 73 Tratamiento de imágenes Suponemos imagen de 10x10 pixels binarizada Bordes verticales: recorrer por filas buscando cambio de blanco a negro Bordes horizontales: idem recorriendo por columnas Visón artificial (cont.) 74 Tratamiento de imágenes: operador Mediana: Sustituye el valor del pixel por el quinto de la lista ordenada de los nueve (elimina puntos aislados) Paso-alto: Resalta los bordes y elimina las zonas uniformes: El nuevo valor es: = (δx) 2 + (δy) 2, si > umbral se pone a uno, en otro caso a cero Horizontal: δx = c + f + i (a + d + g) Vertical: δy = g + h + i (a + b + c)

18 Visón artificial (cont.) 75 El ángulo del borde detectado es: α = arctan δx δy Sobel: Similar al paso-alto (Resalte de bordes): Horizontal: δx = c + 2f + i (a + 2d + g) Vertical: δy = g + 2h + i (a + 2b + c) Operador discreto de Laplace: basado en la segunda derivada de la imagen (se consideran lo valores de gris como una función) Existen muchos otros operadores para diferentes propósitos Los operadores no son asociativos, ni conmmutativos: Sobel+Mediana! = Mediana+Sobel Visón artificial (cont.) 76 Tratamiento de imágenes: ejemplo de operadores

19 Visón artificial (cont.) 77 Tratamiento de imágenes (alto nivel) Una vez determinados los bordes se trata de distinguir cosas Visión basada en modelos: Segmentación: proceso de dividir la imagen en partes que corresponden a objetos. Comparar con las posibles combinaciones de bordes con modelos previos (muchos ángulos, escalas). Proceso muy costoso. Visión basada en movimiento: Los objetos físicos responden a leyes físicas conocidas. Saber cuando movemos la cámara entre dos imágenes consecutivas en relación a la escena. Saber que nada se mueve en la escena entre las dos imágenes. Permite restar las dos imágenes para encontra objetos. Visón artificial (cont.) 78 Visión binocular: Tener dos cámaras, conociendo la diferencia entre ellas Tomar dos imágenes a la vez. Restar una de la otra Uso de texturas Una misma textura tiene la misma intensidad. Asumir que texturas uniformes corresponden al mismo objeto. Conclusiones: Es difícil reconocer objetos nuevos. El movimiento nos ayuda a distinguir: carnívoros. Carnívoros: ojos en la misma dirección. Herbívoros: ojos opuestos.

20 Visón artificial (cont.) 79 Visión en tiempo real Simplificar el problema de la visión artificial para uso p.e. en robótica. Técnicas: Usar el color: buscar sólo por determinado color. Reducir la imagen: Usar una ĺınea en vez de 512X512 (linear CCD. Cámaras simplificadas: cámaras IR para detectar personas. Uso de información del entorno: uso de las ĺıneas de una carretera. Aplicación: conducción automática. Se pueden construir robots sin visión, como siempre depende de la tarea. Integración de sensores 80 Integración de sensores Fusión de información sensores Diferentes sensores devueleven diferentes tipos de información No es precisamente sencillo fusionar sensores Suele requerir gran capacidad de procesamiento de información Puede llevar a conclusiones peligrosas