Sensores y Actuadores

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Introducción a la robótica basada en
comportamientos
(parte 2)
Departamento de Computación Facultad de Ciencias
Exactas y Naturales Universidad de Buenos Aires
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Percepción y actuación
Tipos de ambientes
Dispositivos de sensado
Esquemas de percepción
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Ambiente
Es aquello con lo que un agente (robot)
interactua.
Accesible/Inaccesible Si los sensores
proporcionan todo lo que hay que saber sobre el
estado completo del ambiente - necesario para
elegir una acción - entonces el ambiente es
accesible al agente. Si el ambiente no es
accesible, se puede recurrir a un modelo del
mundo para que el robot pueda interactuar con él.
Parcialmente observables Si la descripción del
entorno es incompleta respecto a la información
necesaria para tomar un acción adecuada.
Perceptual aliasing El robot percibe dos estados
diferentes del sistema como el mismo estado. Esto
es, su descripción es parcial.
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Determinístico/No-determinístico (estocástico) Si
el estado siguiente del ambiente está determinado
plenamente por el estado presente del mismo, y
por la acción del agente - se trata de un
ambiente determinístico..
Ejemplo de ambiente parcialmente accesible pero
determinístico que es percibido como estocástico.
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Estático/Dinámico Será estático todo ambiente que
no cambie mientras el agente está interactuando
con él. No necesita tener modelos de
comportamiento del sistema.
Sin adversario/con adversarios En un ambiente
con adversarios, hay otros agentes que pueden
impedir que el robot cumpla un objetivo.
La presencia de adversarios puede requerir
modelos de predicción del comportamiento de otros
agentes.
Ejemplo de fútbol de robots (video)
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Discreto/Continuo Un ambiente es conitnuo si la
descripción completa del mismo puede adoptar
infinitos estados.
Si bien un ambiente puede ser continuo, en
general, su representación producto del
procesamiento de la señal de los sensores,
usualmente es discreta.
Aún una representación discreta el estado del
sistema puede constituir un conjunto lo
suficientemente grande como para ser tratado
exahustivamente.
Ejemplo del Khepera.
Cluster aliasing.
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Markovianos/ no markoviano Si la decisión de
realizar una acción depende exclusivamente del
estado actual del sistema (i.e. la representación
actual del entorno)
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Dispositivos de sensado
Posicionamiento relativo Odometría (encoders,
sensores Doppler) Sensado inercial (giróscopos,
acelerómetros y compases) Sensores de
proximidad Telémetro por ultra-sonido o IR
Posicionamiento absoluto (Por faros o marcas,
GPS)
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Sensores de proximidad infrarrojos
Rápidos
Económicos
Pueden sensar en ausencia de luz ambiente
Livianos y pequeños
Sujetos a ruido
Sensor IR
Emisor IR
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Detalle
BUS
Microprocesador o microcontrolador
Conversor analógico/digital
...
Sensor
Algoritmo
Emisor
Driver
Sensa radiación IR ambiente
Sensa radiación IR reflejada
Entrada/salida general (1 o 0)
Hacer desde i1 hasta n a ? Sensar radiación
ambiente activar emisor r?Sensar radiación
reflejada s(i) ? r-a desactivar
emisor Retornar suma( s(i) ) / n
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Telémetro por ultra-sonido
Se emite una señal de ultrasonido (no audible) y
se espera la señal que rebota. El tipo de
superficie y forma del objeto influyen en la
señal recibida de vuelta. Gracias al tiempo
transcurrido se puede estimar la distancia. La
propagación del sonido es 0,3 m/mseg. Por lo
tanto un obstáculo a 3 metros producirá una
demora de 20 mseg y uno a 30 cm una demora de 2
mseg.
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Ejemplo Devantech SRF04
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Posicionamiento relativo
Este método usa encoders para sensar la rotación
de la rueda y/o rotación de la dirección. La
odometría tiene la ventaja que no requiere de
exteroceptores y es capaz de proveer al robot una
estimación de su posición. La desventaja es que
el error de la posición crece en forma divergente
al menos que una referencia externa pueda ser
usada periodicamente Cox, 1991.
Encoder Un haz de luz es períodicamente
interrumpido por un disco ranurado o reflejado
por una superficie con contrastes brillantes y
opaca. Uno o mas discos está/án asociado/s con
cada actuador.
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Hay dos tipos básicos de encoders incremental
absolute. El encoder incremental mide
velocidad rotacional de la cual se puede obtener
el desplazamiento de la posición del robot. El
encoder absoluto mide exactamente la posición
angular de la cual se puede obtener velocidad. El
tipo de codificación necesaria para un encoder
absoluto hace que su uso sea restrictivo a
aquellas situaciones donde definitivamente el
posicionamiento relativo es insuficiente.
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Encoder por cuadratura de fase
Los sensores están dispuestos de modo que sus
señales están desfasadas un ángulo determinado
(fijado por el ángulo entre marcas del encoder).
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Sensor para un encoder absoluto
Arreglo de detectores
Fuente de luz
Expansor de haz.
Lente de colimado
Lente cilíndrica
Encoder
Binario
Grey
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Ejemplo de odometría para un móvil de dos ruedas.
Supongamos que en un intervalo de tiempo t el
encoder izquierdo genera un cambio de Ni cuentas,
y el derecho de Nd cuentas.
?
El factor de conversión f entre cuentas y
desplazamiento es f ?D / R donde R es la
resolución del encoder (en cuentas por vuelta) y
D el diámetro de la rueda.
C
Y el cambio de dirección realizado será ?? (Ld
- Li) / B donde B es la distancia entre ruedas.
La distancia recorrida por cada rueda fue Li/Ld
f Ni / Nd y así el centro del robot C se
desplazó LC LC (Li Ld) / 2.
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Si x (0), y (0), ?(0) eran las coordenas previas
del robot, los valores luego del movimiento
son ?(t) ?(0) ?? x(t) x(0) LC cos ?(t)
y(t) y(0) LC cos ?(t)
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Sensores de dirección
En odometría, un pequeño error en el
desplazamiento del ángulo produce un constante y
creciente error en la posición.
Principio del giróscopo Se basa en mantener la
ortogonal del sentido de giro de un cuerpo con
masa no despreciable. Cualquier movimiento que se
realice no perturbará la dirección de la
ortogonal y por lo tanto esa dirección servirá de
referencia.
Compases Se basan en algún principio de sensado
magnético para detectar los cambios producidos
por un movil respecto al campo magnético de la
tierra.
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(No Transcript)
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La señal del PWM (pulse width modulated) prolonga
su duración (alta) en forma proporcional al
ángulo sensado. El ancho del pulso varía desde
1mseg. (0) hasta 36.99mseg. (359.9). Esto es, 1
mseg de grado representa 100 microseg. de
extensión del pulso. La señal baja durante 65
mseg. Entre dos pulsos dando una cota sobre la
frecuencia de muestreo. El valor del ángulo
sensado también es accesible por un canal serie
I2C.
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Métodos de posicionamiento por triangulación
Básicamente, siempre hay disponibles, al menos 2
faros. Cada faro puede funcionar como un emisor,
o como un reflector.
Faro 1
Faro 2
robot
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Si el faro funciona como un emisor, el mismo está
calibrado sincronicamente con el receptor (o sea,
el robot) y lo que el robot mide es cuanto tardó
en llegar emitida por cada faro. También se
puede medir la degradación de la potencia de la
portadora en sistemas de RF (la degradación de la
potencia de la señal es función de la distancia).
Si el faro funciona como reflector, el emisor
envía una señal y mide el tiempo que tardo en
volver (por cambio de fase, o por una marca en la
señal o enviando un paquete con un horario de
salida especifico). Las señales que se envían
para ser reflejadas pueden ser de radio o haces
de luz laser.
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Sensores Doppler El principio de funcionamiento
se basa en el cambio de frecuencia observado
cuando una señal (de una frecuencia conocida) se
refleja sobre una superficie que se está moviendo
respecto del observador (robot).
donde VA es es la velocidad del robot VD es la
velocidad medida por Doppler ? es el ángulo de
inclinación c es la velocidad de la luz FD es el
corrimiento de la frecuencia de la señal FO es la
frecuencia transmitida
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Ejemplo Trak-Star Ultrasonic Speed Sensor

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Acción y percepción
Evidencia neurobiológica la información es
tratada simultáneamente por varias
estructuras. Hay evidencias que una parte del
cerebro es dedicada a reconocimiento de una forma
(object vision stream) y otra parte es dedicada
al entorno, por ejemplo, útil para locomoción
(spatial vision stream).
Evidencia desde la psicología del comportamiento
affordance es la actividad que un organismo de
una cierta clase puede realizar cuando encuentra
una entidad en el espacio sensorial de una cierta
clase. Esto es, las acciones son dirigidas por
la percepción. Y viceversa. La percepción es
dirigida por la acción a realizar.
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Propiocepción refiere a la percepción asociada a
un estímulo proveniente del mismo organismo. Por
ejemplo, integración de un recorrido (path
integration), en donde las distancias recorridas
por insectos o arañas son almacenadas de alguna
manera y usadas por los mismos para volver a su
cueva (Arkin). Exterocepción refiere a la
percepción de estímulos ajenos a un organismo.
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Percepción orientada por la acción
El mundo es percibido en base a (las necesidades
de) la acción a realizar.
Por ejemplo, si el robot necesita ir de A a B y
en el medio hay una silla, los requerimientos de
percepción sobre la silla se limitan a
identificarla como obstáculo. Si el robot
necesita encontrar una silla, en un entorno con
múltiples objetos, los requerimientos sobre un
obstáculo incluyen su identificación.
La tarea a ser realizada determina la estrategia
perceptual y el procesamiento requerido.
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Todas estas definiciones están estrechamente
relacionadas con percepción orientada por la
acción. Todas contrastan con el clásico enfoque
de visión donde la percepción es usada para
reconstruir el mundo (geométricamente u obtener
una abstracción del mismo).
Percepción selectiva (Simmons 1992)
Visión con un propósito (Aloimonos y Rosenfeld
1991)
Visión Localizada (Horswill y Brooks 1988)
Percepción orientada a la tarea (Rimey 1992)
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Los sistemas basados en comportamiento pueden
organizar su percepción (percepción orientada por
la acción) de acuerdo a
Sensado dividido (Sensor fission)
Sensado fusionado dirigido por la acción
(action-oriented sensor fusion)
Sensado en secuencia (sensor fashion)
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Sensado dividido (Sensor fission)
Comportamiento 1
Percepción A
Respuesta i
Comportamiento 2
Percepción B
Respuesta ii
Comportamiento 3
Percepción C
Respuesta iii
Cada percepción (percept) está asociada a un
comportamiento específico. La percepción puede
estar asociada a un sensor (o grupo de sensores)
específico o a una combinación de los mismos. Por
ejemplo, si el sensor de choque es activado se
activará el comportamiento de huída. En cambio,
si el sensor de luz es estimulado, será activado
el comportamiento de ir hacia la luz.
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Sensado fusionado dirigido por la acción
(action-oriented sensor fusion)
Percepción A
Comportamiento 1
Respuesta i
Percepción B
fusión
Percepción C
Los distintos métodos de sensado en un robot son
complementarios o contradictorios. Por ejemplo,
un sensor de proximidad -IR o sonar - promueve o
no considerar la señal de un telémetro y este, a
su vez, promueve o no usar la imagen captada por
una cámara en un comportamiento de alcanzar un
objetivo específico. Otro ejemplo, para seguir
un camino un compás puede fusionar con detección
de bordes en forma complementaria.
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Sensado en secuencia (sensor fashion)
Percepción A
Comportamiento 1
Respuesta i
Percepción B
Percepción C
Un comportamiento se desencadena cuando una
secuencia temporal de percepciones es detectada.
La percepción (percept) es la secuencia.
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Percepción activa
Los requerimientos de percepción determinan la
acción del robot.
Basadas en expectativas Suelen requerir un modelo
o memoria. Por ejemplo, donde esperar percibir un
objeto que recién fue percibido. Cómo esperar
percibir un objeto determinado cuando hay pistas,
en base a sensado, que puede estar frente a él?
Con foco de atención Tienden a disminuir la carga
de procesamiento de la señal o focalizan la
percepción sobre algún conjunto de sensores.