Introducción a la Robótica Móvil

Prof. Dr.Eng. Fernando Passold

2IntroducciIntroduccióón a la Robn a la Robóótica Mtica Móóvilvil

IntroducciIntroduccióón a la Robn a la Robóótica Mtica MóóvilvilSumario

1. Tipos de RobotsDiferencia robot manipulador x Robot Móvil;Características do robot móvil;

2. Aplicaciones de robots móviles

3. Robots móviles terrestresTipos de tracción para robots móviles

terrestres;

4. SensoresTipos de Sensores;Fuentes de Errores

5. Integración (o Fusión) SensorialDefiniciónFormas de Integración SensorialEnfoques para Integración SensorialOtros métodosProyecto de los Sensores utilizadosEspecificación Lógica de SensoresModelaje de los Sensores

6. Modelaje del EntornoDefiniciónUso de landmarksDescomposición geométrica del entornoFusión geométrica o "map building"Formas de modelaje del entorno

7. Arquitecturas de Robots MóvilesReactivasPor planeamiento (Deliberativas)Basado en ComportamientoDescomposición Funcional del Sistema de

ControlActividades del Control por

ComportamientoArquitecturas híbridasEjemplos de Arquitecturas de Controle

8. Tendencias Futuras:

BibliografíaBibliografía Recomendada Codec MPEG4:

MPEG2 Video Decoder:

QuickTime

IntroducciIntroduccióón a la Robn a la Robóótica Mtica MóóvilvilBibliografía recomendada

[Torres, 2002] Torres, Ferando; Pomares, Jorge; Gil, Pablo; Puente, Santiago T.; Aracil, Rafael; Robots y Sistemas Sensoriales, PearsonEducación, Madrid, p. 480, 2002.

[Siegwart, 2004] Siegwart, Roland and Nourbakshsh; Introduction to AutonomousMobile Robots, Bradford Books/The MIT Press, Massachusetts, p. 321, 2004. http://www.mobilerobots.org

[Thurn, 2006] Thurn, Sebastian; Burgard, Wolfram; Fox, Dieter; ProbabilisticRobotics, The MIT Press, Massachusetts, p. 647, 2006.

[Murphy, 2000] Murphy, Robin R.; Introduction to AI Robotics; Bradford Books/The MIT Press, Massachusetts, p. 466, 2000

[Siciliano, 2008] Siciliano, Bruno; Khatib, Oussama (eds.), Springer Handbook ofRobotics, Springer, p. 1591, 2008.

[Borenstein, 1996] J. Borenstein, J.; Everett, H. R., and Feng, L., Where am I? -Systems and Methods for Mobile Robot Positioning, p. 282, 1996.http://www-personal.umich.edu/~johannb/position.htmhttp://www-personal.umich.edu/~johannb/shared/pos96rep.pdf (12,5 Mb -Disponible en May/2009)

3. Robots terrestres3. Robots terrestres

• Robots terrestres mas comunes:

1) Con tracción diferencial;2) Con estructura de triciclo;3) Disposición syncro-drive:

todas las rodas giran y todas con propulsión.

4) Con “patas”.

Rueda + motor 1

Rueda + motor 2

Parachoques

Rueda livre

Centro geométrico

Encoder

Khepera: ∅ 60 mm(http://www.k-team.com/ )

Suiza (desde 98 –actual: versión III)

1) Con tracción diferencial;2) Con estructura de triciclo;3) Disposición syncro-drive:

todas las rodas giran y todas con propulsión.

4) Con “patas”.Khepera: ∅ 60 mm

(http://www.k-team.com/ )Suiza (desde 98 –actual: versión III)

Rueda + motor 1

Rueda + motor 2

Parachoques

Rueda livre

Centro geométrico

Encoder

Rueda + motor 1

Rueda + motor 2

Parachoques

Rueda livre

Centro geométrico

Encoder

⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠y

Ejemplos de robots con tracción diferencial:• en agricultura;• exploración espacial;

• por oruga

3. 3. RobotsRobots terrestresterrestres

θ1 e θ2 ⇒ puntos de control distintos. Mas común: θ1 en el caso de rueda con propulsor acoplado.θ2 tiene relación con ángulo de orientación del robot (en relación a su centro de masa).

Ruedas pasiv

Rueda rotacional con

propulsor

• Robots terrestres mas comunes:1) Con tracción diferencial;2) Con estructura de

triciclo;3) Disposición syncro-drive:

todas las rodas rotan y todas con propulsión.

4) Con “patas”.

3. 3. RobotsRobots terrestresterrestresθ1

Ruedas pasiv

Rueda rotacional con

propulsor

1) Con tracción diferencial;2) Con estructura de

triciclo;3) Disposición syncro-drive:

todas las ruedas rotan y todas trasladan.

4) Con “patas”. θ1 e θ2 ⇒ puntos de control distintos. Mas común: θ1 en el caso de rueda con propulsor acoplado.θ2 tiene relación con ángulo de orientación del robot (en relación a su centro de masa).

θ1 e θ2 ⇒ puntos de control distintos. Mas común: θ1 en el caso de rueda con propulsor acoplado.θ2 tiene relación con ángulo de orientación del robot (en relación a su centro de masa).

1) Con tracción diferencial;2) Con estructura de triciclo;3) Disposición syncro-

drive: todas las rodas rotan y todas con propulsión.

4) Con “patas”.

A pesar del robot poder se mover para cualquiera

dirección, NO puede controlar la orientación de su chasis.

LEGO_Synchro_drive_robot.mp4

Tipos de tracción para robots móviles terrestres

• por oruga • en agricultura;• exploración espacial;

♦ con patas: aplicaciones limitadas: dinámica complexa para velocidades de desplazamiento altas, desafío para la área de control clásico.

Tipos de tracción para robots móviles terrestres♦ con patas: aplicaciones limitadas: dinámica complexa para velocidades de

desplazamiento altas, desafío para la área de control clásico.

Tipos de tracción para robots móviles terrestres♦ con ruedas: y Holonómicos.

3. Robots terrestres3. Robots terrestresTipos de tracción para robots móviles terrestres

Omni directional wheels

Omni_directional_wheels.mp4MVRT_Drivetrains_training.mp4interroller_-_3_servos_und_3_omniwheels.mp4Lego_Mindstorms_NXT_holonomic_wheel_or_omniwheel.mp4KILO__Lego_NXT_holonomic_robot.mp4Lego_Killough_Platform.mp4

3. 3. RobotsRobots terrestresterrestres

Tipos de tracción para robots móviles terrestres

♦ robots trepadores: aplicaciones como: limpiar cristales en rascacielos, pintura de barcos, mantenimiento de puentes, mantenimiento de turbinas eléctricas, etc...Usan:- ventosas (Obs1);- electroimán;- garras (típico en construcción civil, inspección de estructuras metálicas);

Obs1: Sistema demasiado lento. El mayor problema no es el control de los movimientos (secuencia de desplazamiento) PERO garantizar adherencia.

Obs2: mueve 1 garra por vez para ahorrar batería (aumentar su autonomía). Uso de procesamiento de imagen, generalmente realizado “off-board” para aumentar la autonomia del robot.

Internos: de desplazamiento del robot.

Externos: para localización del robot (medidas de distancias).

4. Sensores4. Sensores

4.1 Tipos de Sensores:

Propioceptivos Exteroceptivos

CodificadoresAngulares(encoders)

Posición deun elemento

terminal

Encoder + Sensor de proximidad

Posición deun objeto

Camera (sensor CCD) + medidor láser

Mapa 3DTipos deSensores

4.1 Tipos de Sensores:1) Internos ⇒ sensores de movimiento del propio robot;

permite saber como avanza el robot y,como está sendo realizado el avanzó.

2) Medida de distancias ⇒ para localizar (ubicar) el robot;Para construir un modelo do mundo exterior.

3) Localização relativa à marcas ⇒ localización de marcas (“landsmarks”);confirma la localización del robot.

Principal problema ⇒ INCERTEZA cuanto a localización del robot.Levar en cuenta errores de ls propios sensores, derrapes de las ruedas, etc... Note que estos errores son acumulativos!

4.1 Tipos de Sensores:Sensores de movimiento del robot:1) Odómetros: en las ruedas → encoders relativos:

1 2 3 4

Note: la observación de la diferencia de desfase (puntos 1, 2, 3 y 4) entre los impulsos de salida A y B puede ser utilizado para determinar la dirección de la rotación (ante-horario o horario).La ranura mas externa del disco (Index) genera un impulso a cada rotación completa del mismo.

Valores típicos: 2540 rayas en un disco de 5 cm de ∅

Ejemplo de uso:Robot gadget: http://www.wizard.org/gadget.html

Sensores de movimiento del robot:1) Odómetros: en las ruedas → encoders relativos:

1 2 3 4

O uso de odómetros para estimar la posición de un robot en función del tiempo es conocido como “dead-reckoning”

El uso de odómetros para estimar la posición de un robot en función del tiempo es conocido como “dead-reckoning”.Dead Reckoning (RD) se refiere a el proceso de estimación de la posición actual sobre la base de una posición previamente determinada, o fijar, y reflejar el avance con base a esa posición conocida, o se refiere a la estimación de las velocidades respecto a un tiempo transcurrido, y el curso. Si bien los métodos tradicionales de estimación ya no se considera primordial para la mayoría de las aplicaciones, los sistemas modernos de navegación inercial, que también dependen de estimación, aún se utilizan ampliamente.

4.1 Tipos de Sensores:Sensores de movimento do robô:1) Odômetros: nas rodas → encoders relativos:

1 2 3 4

Exemplos práticos:

Fonte: http://www.amsky.com/atm/accessories/mouse/mouse.htmlPara saber como funciona um mouse: http://computer.howstuffworks.com/mouse2.htm

4.1 Tipos de Sensores:Sensores de movimiento do robot:1) Odómetros: en las ruedas → encoders relativos:

1 2 3 4

Problemas: elipsoides de error crecientes:

Posicióninicial

Trayectoria estimada por

el robot

Elipsoides de errores por incertidumbres

1.4 Tipos de Sensores:Sensores de movimiento del robot:1) Odómetros: en las ruedas → encoders absolutos ópticos:

Led Difusor deexpansión

Lentescolimadoras

Lentescilíndricas

Disco deMúltiplas rayas( código Gray)

Array de foto-detectores

Ejemplo:

Disco de Gray de 8 bits:28 = 256 rayas ⇒ 360o/256 = 1,4 o/raya.Note: apenas 1 bit varia entre rayas del disco!

1.4 Tipos de Sensores:Sensores de movimiento del robot:1) Odómetros: en las ruedas → encoders.2) Inclinómetros.3) “Brújulas” digitales → desvíos grandes, sufren influencia de campos magnéticos.

No muy utilizados. Circuitos magnéticos, emplean sensores por efecto hall.4) Giroscopio mecánico → mide variaciones de posicionamiento (problemas con desvíos

horarios: error aumenta con pasar del tempo).

Pivô interno

Pivô externo

Pivô internomancal

Pivô externo

Pivô internomancal

5) Giroscopios ópticos → uso de laser’scontrapuestos, mede-se el número de bandas causadas por el fenómeno físico conocido por “franjas de interferencia”.

Pivô externo

Pivô internomancal

The HiTechnic Gyro Sensor contains a single-axis gyroscopic sensor that detects rotation and returns a value that represents the number of degrees per second of rotation, allowing the NXT to measure the additional dimension of rotation. The gyro sensor will let you accurately detect rotation for your NXT projects. The gyro sensor returns the number of degrees per second of rotation and also indicates the direction of rotation. Measure +/- 360° per second and build robots that can balance, swing, or perform other functions where measurement of rotation is essential.

HiTechnic Gyroscope forLego Mindstorms NXT

US$ 55,00

Sensores de localización del robot:1) Sonares: por ultrasonido, infrarrojo o RF.

Principio: d = v ⋅ tDonde:d = distancia recorrida por la onda;v = velocidad de propagación de la onda;t = tiempo despendido.

“Time-of-flight active ranging”

RobotPunto del

sensor

padrón del feje

Eje de medición del sensor

1.4 Tipos de Sensores:Sensores de localización del robot:1.a) Sonares: por ultrasonido.

Principio:Donde:d = distancia recorrida por la onda;v = velocidad de propagación de la onda (VSom=343 m/s @ 20oC)t = tempo despendido.

Ultrasonido: onda sonora en el rango de 40KHz a 250KHz

“Time-of-flight, sound”

PERO: la velocidad de la onda sonora cambia con la temperatura del aire!

2v td ⋅

v RTγ=Donde:γ = ratio de calor específico;R = constante del gas;T = temperatura en Kelvin.

20,05 273,16Celsiusv T= +

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35325

t (oCelcius)

[Siegwart, 2004]

2v td ⋅

Devantech SRF05 – Specifications (www.acroname.com)

Frequency 40kHz

Max Range 4 meters

Min Range 3 centimeters

Input Trigger 10uSec minimum, TTL level pulse

Echo Pulse Positive TTL level signal, proportional to range Amplitud [dB]

SRF05 – US$ 29,50

2v td ⋅

Amplitud [dB]

SRF05 – US$ 29,50

Devantech SRF05 – Specifications (www.acroname.com)

Frequency 40kHz

Max Range 4 meters

Min Range 3 centimeters

Input Trigger 10uSec minimum, TTL level pulse

Echo Pulse Positive TTL level signal, proportional to range

2v td ⋅

=SRF08 – US$ 64,00

Amplitud [dB]

Devantech SRF08

Voltage 5v

Current 15mA Typ. 3mA Standby

Frequency 40KHz

Maximum Range 6 m

Minimum Range 3 cm

Max Analogue Gain Variable to 1025 in 32 steps

Connection Standard IIC Bus

Light Sensor Front facing light sensor

Timing Fully timed echo, freeing host computer of task

Echo Multiple echo - keeps looking after first echo

Units Range reported n uS, mm or inches

Weight 0.4 oz.

Size 43mm w x 20mm d x 17mm h

Sensores de localización del robot:1.a) Sonares:

por ultrasonido.

RangeSensor Communication

Minimum Maximum

SRF02 I2C / Serial 15 cm 6 m 45° One 70 ms A

SRF04 Digital 3 cm 3 m 45° One 100 µs - 36 ms

SRF05 Digital 3 cm 4 m 45° One 100 µs - 36 ms

SRF08 I2C 3 cm 6 m 45° 17 65 ms B C

SRF10 I2C 3 cm 6 m 60° One 65 ms A B

SRF235 I2C 10 cm 1.2 m 15° One 10 ms A D

Angle* Echoes** Ranging Time Notes

Principio:Donde:d = distancia recorrida por la onda;v = velocidad de propagación de la onda (vSom=0,343m/ms, vLuz=0,3m/ns)t = tempo despendido.

2v td ⋅

Baratos: tan empleados cuanto los encoders relativos.Detalle: la ganancia del sinal que retorna aumenta a medida que aumenta el tempo (porque a la

medida que aumenta la distancia, el sinal de retorno se queda + débil).Ultrasonido: Alcance máximo típico: 10 cm a 10 m.

de 20 à 150 mediciones/segundo.resolución: 0.08 cm a 1,0 cm ( frec., resolución, $$$ )

RobotPunto del

sensor

padrón del feje

RobotPunto del

sensor

padrón del feje

4. Sensores4. Sensores1.4 Tipos de Sensores:Sensores de localização do robô:1.a) Sonares: por ultrasonido.

Principio:

Baratos: tan utilizados cuanto los encoders.Detalle: la ganancia del sinal que retorna

aumenta a medida que aumenta el tempo (porque a la medida que aumenta a distancia, el sinal de retorno se queda + débil).

Ultrason: Alcance máximo típico: 10 cm a 10 m.de 20 à 150 mediciones/segundo.resolución: 0.08 cm a 1,0 cm( ↑ frec., ↑ resolución, ↑ $$$ )Uso de 24 sensores ⇒ = 360o/15o

Ultrasom: onda sonora na faixa de 40KHz à 250KHz

2v td ⋅

Principio:

2v td ⋅

Robot Neptune, 1980

Principio:

Detalles: Uso de 24 sensores ⇒ = 360o/15º;

Para medir 3 metros 20 ms lo que limita la velocidad del escaneo: <= 50 Hz!Si el robot tiene 24 sensores, entonces el ciclo de barredura seria de 0,48 segundos lo que correspondería a una frecuencia de escaneo de 2,08 Hz para cada sensor.

PERO: para evitar problemas de reflejos múltiplos esta frecuencia de escaneo puede bajar.

2v td ⋅

Principio:

2v td ⋅

1.4 Tipos de Sensores:Sensores de localización del robot:1.b) Sonares: por infrarrojo.

Principio:Donde:d = distancia recorrida por la onda;v = velocidad de propagación de la onda (vLuz=0,3m/ns)t = tempo despendido.

2v td ⋅

RobotPunto del

sensor

padrón del feje

1.4 Tipos de Sensores:Sensores de localización del robot:1.a) Sonares: por ultrasonido1.b) Sonares: por infrarrojo.

“Time-of-flight active ranging”

3 problemas [Murphy, 2000]:

RobotPunto del

sensor

padrón del feje

Alcance retornado

a) “Reflejo adelantado”(foreshortening);

b) Reflexión especular c) Reflexión múltipla (cross-talk);

1.4 Tipos de Sensores:Sensores de localización del robot:1) Sonares.2) Láser:

• exige electrónica de alta precisión;• Feje puntual (por esto se hace necesario muchos

fejes – uso de espejo motorizado);• Permiten medir entre mm hasta kilómetros;• + caros!• Permiten modelado en 3D.

Ejemplo de localización por láser:

LimiteMede-se a defasaje entre onda emitida y reflejada.

1.4 Tipos de Sensores:Sensores de localización del robot:1) Sonares: por ultrasonido, infrarrojo o RF.2) Láser.3) De Inercia: IMU (“Inertial Measurement Unit”)

Un sistema de navegación inercial (INS) es una ayuda para la navegación que utiliza una computadora y sensores de movimiento (acelerómetros) para calcular continuamente a través de estimación de la posición, orientación, y la velocidad (dirección y velocidad de circulación) de un objeto en movimiento sin necesidad de referencias externas.

Detectan cambios en: Pitch, Roll, e Yaw.Otros términos utilizados para referirse a los sistemas de navegación inercial:

sistema de guiado inercial (inertial guidance system) y plataforma de referencia inercial (inertial reference platform).

Miden aceleraciones angulares (sensor mucho caro, debe ser de alta precisión)

inertial navigation systems

1.4 Tipos de Sensores:Sensores de localización del robot:1) Sonares: por ultrasonido, infrarrojo o RF.2) Láser.3) De Inercia: IMU (“Inertial Measurement Unit”)

miden aceleraciones angulares (sensor mucho caro, debe ser de alta precisión)

4. Sensores4. SensoresSensores de localización del robot:1) Sonares: por ultrasonido, infrarrojo o RF.2) Láser.3) De Inercia: IMU (“Inertial Measurement Unit”)

miden aceleraciones angulares (sensor mucho caro, debe ser de alta precisión)

Una importante desventaja de los IMUs es que por lo general sufren de errores acumulados. Debido a que el sistema de orientación está continuamente agregando cambios detectados en sus posiciones previamente calculadas (véase estimación), los errores en la medición, por pequeños que sean, se acumulan de un punto a otro. Esto lleva a una "deriva", o una cada vez mayor diferencia entre donde el sistema piensa que se encuentra, y la ubicación real.

Aerospace BlocksetMatlab/Simulink

1.4 Tipos de Sensores: Triangulación por RF:

Se usan emisores de radio-frecuencia:

Mede-se diferencias de potencias:

• baja precisión.

Sensores de localización del robot:1) Sonares: por ultrasonido, infrarrojo o RF.2) Láser.3) De Inercia.4) Por triangulación.

VehículoC

ATransmisor

maestre

BTransmisor esclavo

4. Sensores4. Sensores1.4 Tipos de Sensores:

Sensores de localización del robot:1) Sonares: por ultrasonido, infrarrojo o RF.2) Láser.3) De Inercia.4) Por triangulación.Usando GPS:

necesita al menos 4 satélites;Detalles: su altitud y precisión pueden ser controlada. Durante la guerra del Golfo Pérsico, la precisión bajo mucho (por cuestiones militares, EUA) <= 2000.

error en la faja de 16 à 100 metros (modo “alone”);Precisión aumenta mucho con el uso de GPS’s Diferenciales (1 fijo + 1 móvil):de 3m → 1cm.Ex.: Los puertos marítimos de Alemania poseen el GPS fijo; los barcos solo necesitan del otro GPS (móvil).error baja (filtros de Kalman) a medida que se realiza mas mediciones (mas esto demanda + tiempo de procesamiento además de poder de procesamiento).

• Dificultades con la determinación de la propia localización del robot:

Errores de odometria →(sin compensación)

Camino deseado →

4.2 Fuentes de Errores:

← Errores de odometriaCORRIGIDOS

Camino deseado →

TUTORIAL_RawLogViewer_2.flvMobile_Robot__ICP_SLAM___MCL.flvRef.: http://mrpt.sf.net/Institute of Automation (TU-Dresden)May 24, 2009openslam.org - A good collection of open source code and explanations of SLAM.

Intervalo para prIntervalo para próóxima sesixima sesióónn

IntroducciIntroduccióón a la n a la RobRobóótica Mtica Móóvilvil

Prof. Prof. Dr.EngDr.Eng.* Fernando .* Fernando PassoldPassold

*Dr. Eng: Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC), Dept. Automatización de Sistemas (DAS), Florianópolis,

Brasil;Mr.Eng.: UFSC/Biomédica, Brasil

4) Con “patas”.xc

Introducción a la Robótica Móvil - part 2/4

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Education

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