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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.