5 Robots móviles · 2008-11-25 · Tema 5 Robots móviles OBJETIVOS • Conocer lo que son y los componentes de un robot móvil • Et d l bl i áti d btEntender el problema cinemático

Robótica

TEMA 5:ROBOTSMÓVILESMartin Mellado ([email protected])

Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática (DISA)Facultad de Informática de Valencia (FIV)Universidad Politécnica de Valencia (UPV)

Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV1

Universidad Politécnica de Valencia (UPV)

Tema 5Robots móviles

OBJETIVOS

• Conocer lo que son y los componentes de un robot móvilE t d l bl i áti d b t• Entender el problema cinemático de robots móviles

• Saber resolver la cinemática básica de unSaber resolver la cinemática básica de un robot móvil diferencial

• Conocer conceptos necesario para el desarrollo de la navegación de un robot móvil



CONTENIDOS

1. Introducción2. Componentes3 M d l d Ci áti3. Modelado Cinemático4. Autolocalización5. Cinemática Inversa5. Cinemática Inversa6. Planificación de caminos7. Modelos de comportamientos


Introducción

Tipos de robots• Fijos Cortesía RESLCortesía MIT

• Móviles:Cortesía Kuka

• Móviles:– A Hélices Cortesía Pioneer Cortesía Pioneer

– Rodantes– Andantes Cortesía Honda

Cortesía IAI-CSIC

Cortesía SBU

– ReptilesSaltadores

Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV

– Saltadores

Introducción

R b t ó ilRobots móviles• Primeros

t d tantecedentes:• Robot Shakey 1970

LIFE photo archive (hosted by Google)


Introducción

Robots industriales móvilesG í• Guiados por Raíles

• Filoguiados• Autoguiados (AGVs)

Cortesía ACME

Cortesía EAI

Cortesía AGPC í AGVP

Cortesía AGVP

Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV

Cortesía AGVP

Introducción

Aplicaciones de servicioAplicaciones de servicio• Agricultura• Espaciales• Espaciales• Limpieza• Asistenciales• Asistenciales• Vigilancia• Entretenimiento• Entretenimiento• …


Introducción

V hí l t i d (AGV )Vehículos autoguiados (AGVs)• Abarcan todo tipo de sistema de transporte

i d tsin conductor• Gran flexibilidad en el transporte de

t i l d tmateriales y productos• Complejidad creciente con las prestaciones

idrequeridas


Introducción

Características de los AGVs• Sin conductor• Sin guías mecánicas• Movimiento por el suelo• Baja capacidad de carga• Velocidad lenta• Trayectorias programables


Componentesp

Componentes de un robot móvil• Sistema motriz• Sistema de alimentación• Sistema de sensorización• Sistema de sensorización• Sistema de control

Si t d i i• Sistema de comunicaciones


Componentes

Sistema motriz

p

• Ruedas:– Simple y sencillop y– Útil para suelos lisos

• Cadenas:– Para suelos irregulares– Mayor agarre

• Especiales:– Para escaleras y bordillos (rueda en trébol)– Omnidireccionales (ruedas suecas)


Cortesía Acroname Robotics

Componentes

Sistema de alimentación

p

• Baterías móviles (acumuladores)– Limitada autonomía– Recarga:

• Automática (cargador)Manual (operario)• Manual (operario)

• Cambio de baterías(automática/manual) Cortesía Friendly Robotics(automática/manual)

– Placas solares (sólo exterior)• Combustibles fósiles

– Contaminantes y ruidosos


Cortesía Electrolux

Componentes

Sistema de sensorización

p

Sistema de sensorizaciónPropioceptiva:p p– Sensores internos

Conocer estado del robot– Conocer estado del robotExtereoceptiva:– Sensores externos– Conocer entorno del robotConocer entorno del robot


Componentes

Sensorización propioceptiva

p

Sensorización propioceptivaEncoders

Control por odometría– Control por odometría– Bajo coste, sencillos y robustos– Problemas en suelos irregulares

Sistemas inerciales– Brújulas, acelerómetros, giróscopos, etc.– Coste medioCoste medio– Adecuados para terrenos irregulares


Componentes

Sensorización extereoceptiva

p

Sensorización extereoceptiva• Sensores de contacto (bumpers)

– Bajo coste, sistema de seguridad ante colisiones• Sensores de ultrasonidos / infrarrojos

– Bajo coste, detección de obstáculosP bl d fl j P i– Problemas de ecos y reflejos. Poco precisos

• Balizas por radiofrecuencia y GPS– Entornos exterioresEntornos exteriores

• Escáner láser– Coste medio-alto, elevadas prestaciones

• Sistemas de visión– Precio dependiendo de las prestaciones


Componentes

Sistema de sensorización

p

Sistema de sensorizaciónPropioceptiva:

S i t C t d d l b t– Sensores internos: Conocer estado del robot– Ventajas: baratos, fácil control

Inconvenientes: acumulan errores– Inconvenientes: acumulan erroresExtereoceptiva:

Sensores e ternos conocer entorno del robot– Sensores externos: conocer entorno del robot– Ventajas: no acumulan errores

Inconvenientes: caros difícil control– Inconvenientes: caros, difícil control


Componentes

Sistema de control

p

Sistema de control• Hardware

– Computador industrial– PLCs

• Sistema operativo– Sistemas operativos en T.R. (Linux, WNT, ...)p ( , , )

• Software de control– Localización generación de trayectorias– Localización, generación de trayectorias, ...


Componentes

Sistema de comunicaciones

p

Sistema de comunicacionesVía modem– Sencillez– Prestaciones limitadas– Por infrarrojos o radiofrecuencia

Tarjeta Ethernet por radiofrecuenciaj p– Mayor flexibilidad

Otros sistemas wirelessOtros sistemas wireless– Bluetooth


Modelado cinemático

CinemáticaEstudio del movimiento del robot segúnEstudio del movimiento del robot según

su geometría:M d l t áti l di ñ d l• Modelo matemático para el diseño del controlador

• Simulación de los movimientos• Control de la odometría



• Problema cinemático directo:

Conocido:velocidades de las ruedas

localización actual del robot

Parámetros cinemáticos

Obtener:nueva localización del vehículo en tiempo tnueva localización del vehículo en tiempo t

Adicionalmente, obtener nueva orientación de las ruedas



Limitaciones:• El robot se mueve por una superficie planap p p• No existen elementos flexibles (ni en

ruedas)ruedas)• 0 ó 1 grado de direccionamiento por rueda

con eje perpendicular al suelocon eje perpendicular al suelo• No existen fricciones• No existen deslizamientos



Configuraciones típicas de vehículos:• Rueda fijaRueda fija• Diferencial (2 ruedas motrices paralelas)• Bicicleta• Tricíclo (diferentes tipos)• Tricíclo (diferentes tipos)• Configuración Ackerman (coche)



Vehículo de rueda fija:Z

Y Conocido:

Y

Y- Localización (x,y,γ)- Velocidad angular w en (º/s)

X

X

t(x,y, )

W

Parámetros cinemáticos:Radio rueda WR

W

VU

(x,y, )t

(x’,y ’, )’

W

U

W

- Radio rueda WR

U



Vehículo de rueda fija:Y Velocidad lineal:Y Velocidad lineal:

V = WR*ω*π/180Nueva localización:

X

t(x,y, )

W

Nueva localización:x’ = x + V*cos(γ)*ty’ = y + V*sin(γ)*t

t

(x’,y ’, )’

W

U

W

g y z son inalterablesNueva situación de la rueda:

θ’ = θ + ω*π/180*tU θ = θ + ω*π/180*t



Vehículo diferencial:Conocido:W LR Conocido:- Localización (x,y,γ)- Velocidad angular de las ruedas:

WRv L

ωR y ωL en (º/s)

P á t i áti(x,y)

Y

γWhe v R Parámetros cinemáticos:

- Radios de las ruedas WRR y WRL- Distancia entre ruedas WheelDist

Y

W RR

eelDist

v R

Distancia entre ruedas WheelDistX

W RR



Vehículo diferencial:Velocidades lineales en ruedas:W LR Velocidades lineales en ruedas:

VR = WRR*ωR*π/180VL = WRL*ωL*π/180

WRv L

VL WRL ωL π/180Velocidad lineal instantánea:

V = (VR + VL)/2(x,y)Y

γWhe v R Nueva posición:

(para t pequeño)x’ = x + V*cos(γ)*t

Y

W RR

eelDist

v R

x = x + V cos(γ) ty’ = y + V*sin(γ)*tX

W RR



Vehículo diferencial:W LR

Velocidad angular del vehículo:ϖ = (VR - VL) / WheelDist

ó í

WRv L

Nueva orientación del vehículo:γ’ = γ + ϖ*(180/π)*t

z es inalterable(x,y)

Y

γWhe v R z es inalterable

Nueva situación de las ruedas:θR’ = θR + ϖR*t

Y

W RR

eelDist

v R

R R RθL’ = θL + ϖL*tX

W RR



Bicicleta:Conocido:Conocido:- Localización (x,y,γ)- Velocidad angular rueda trasera ωR (º/s)

Centro de giro

φφ R

- Angulo direccional rueda frontal φ (º)

P á t i áti

φ W FR

vR

Parámetros cinemáticos:- Radios de las ruedas WRR y WRF- Distancia entre ruedas WheelDistX

Y(x,y) γ

W RRWheelDist

Distancia entre ruedas WheelDistX



Triciclo:Conocido:Centro de giro Conocido:- Localización (x,y,γ)- Velocidad angular rueda frontal ω (º/s)

W LR

Centro de giro

φφ W FR

- Angulo direccional rueda frontal φ (º)

P á t i áti(x,y)

Y

γWhee

WR

lDistParámetros cinemáticos:- Radios de las ruedas WRR, WRL y WRF- Distancias entre ruedas:

X W RR

elDist

FrontWheelDi

Distancias entre ruedas:WheelDist y FrontWheelDist



Configuración Ackerman:Configuración Ackerman:Conocido:

L li ió ( )- Localización (x,y,γ)- Velocidad angular ruedas traseras ω (º/s)- Angulo direccional medio ruedas

Centro de giro

φφ

W FLRφR

φL

φL

- Angulo direccional medio ruedasfrontales φ (º)

(x y)γW

W RLR

W FRR

φR

Parámetros cinemáticos:- Radios de las ruedas:

WR WR WR WR

(x,y)

X

Y

W RRR

WheelDist

FrontWheelDist

WRRR, WRRL, WRFR y WRFL- Distancias entre ruedas:

WheelDist y FrontWheelDist


WheelDist y FrontWheelDist

Autolocalización

Técnicas para autolocalizaciónTécnicas para autolocalización• Sensores de localización global:

– GPS: precisiones de centímetros– Información global, sin acumular errores

• Odometría:– Encoders en las ruedas– Información local, acumulación de errores


Autolocalización

Odometría• Estimación de la posición del vehículo en función del

movimiento de las ruedasH d l d l i áti d l b t• Hace uso del modelo cinemático del robot

• Calcula las velocidades de las ruedas a partir de su movimientomovimiento

• No resuelve deslizamientos, saltos, ...• Hay que diferenciar:• Hay que diferenciar:

– Errores sistemáticos– Errores no sistemáticosErrores no sistemáticos


Autolocalización

Aplicación de odometría al vehículo diferencialAplicación de odometría al vehículo diferencial• Situación de partida:

– Una localización inicial (x=x y=y γ= γ ) relativa a un sistema de– Una localización inicial (x=x0, y=y0, γ= γ0) relativa a un sistema de referencia fijo

– Robot parado: inicialmente las velocidades del robot (V=0, ϖ=0) y de las ruedas son nulas (ωL=0, ωR=0)

• Se aplican velocidades a las ruedas: ωL, ωR

Dó d tá l b t t ti t ( ñ )?• ¿Dónde está el robot tras un tiempo t (pequeño)?• El modelo cinemático permite calcular la posición en

condiciones idealescondiciones ideales


Autolocalización

Aplicación de odometría al vehículoAplicación de odometría al vehículo diferencialE i i i li d b• Estimar movimiento realizado por robot

• Uso de encoders– Se conoce situación inicial de las ruedas:θL=θL0, θR=θR0L L0 R R0

– Se conoce situación de las ruedas en tiempo t:θ’L, θ’RL, R

• ¿Dónde está el robot tras ese tiempo t?


Autolocalización

Aplicación de odometría al vehículo diferencial

• Velocidad angular de las ruedas (º/s):ωL=(θ’L-θL)/t ωR=(θ’R-θR)/t

• Aplicar ahora modelo cinemáticoVL=WRL*ωL*π/180 VR=WRR*ωR*π/180

V=(VR+VL)/2 ϖ=(VR-VL)/WheelDistV (VR+VL)/2 ϖ (VR VL)/WheelDistx’=x+V*cos(γ*π/180)*ty’=y+V*sin(γ*π/180)*t

γ’=γ+ϖ*(180/π)*tγ =γ+ϖ (180/π) t


Cinemática inversa

En la cinemática directa se calcula la nueva• En la cinemática directa se calcula la nueva localización del robot a partir de las velocidades de las ruedas

• En la cinemática inversa, se desea alcanzar una nueva localización y se deben calcular las velocidades de las ruedas para alcanzarlavelocidades de las ruedas para alcanzarla

• Es un problema más complejo y engorroso, en el que existen infinitas soluciones y múltiples estrategias deexisten infinitas soluciones y múltiples estrategias de resolución

• Requiere control temporal y odométrico


Cinemática inversa

Cinemática inversa del vehículoCinemática inversa del vehículo diferencialE d l á ill• Es uno de los casos más sencillos

• La solución más simple consiste en la descomposición en tres movimientos:– Orientación– Avance– Reorientación


Cinemática inversa

Cinemática inversa del vehículo diferencial

• Ejemplo gráfico• Ejemplo gráfico

Meta

Inicio Orientación Avance Reorientación


Cinemática inversa

Algoritmo para el avanceAlgoritmo para el avance• Movimiento recto en sentido de avance una

distancia D a velocidad V:distancia D a velocidad V:– Velocidades angulares de las ruedas (º/s):

(V/WR )*(180/ ) (V/WR )*(180/ )ωL=(V/WRL)*(180/π) ωR=(V/WRR)*(180/π)– Duración del movimiento: t = D/V– Algoritmo básico:

• Aplicar velocidades ωL y ωR a las ruedas, esperar t segundos, pararparar

– Se mejoraría mediante el control con un regulador


Cinemática inversa

Algoritmo para la orientación/reorientaciónAlgoritmo para la orientación/reorientación• Movimiento de giro sin avance de un ángulo α

(º) a velocidad angular ϖ (º/s):( ) a velocidad angular ϖ ( /s):– Diferencia de velocidades: V=(ϖ*WheelDist)*(π/180)– Para que no se produzca avance: VR=-VL=V/2Para que no se produzca avance: VR VL V/2– Velocidades angulares de las ruedas (º/s):

ωL=(VL/WRL)*(180/π) ωR=(VR/WRR)*(180/π)L ( L L) ( ) R ( R R) ( )– Duración del movimiento: t = α/ϖ– Algoritmo básico:g

• Aplicar velocidades ωL y ωR a ruedas, esperar t segundos, parar

– Se mejoraría mediante el control con un regulador


Cinemática inversa

N l ió ó ti• No es solución óptima• Requiere dos paradas Meta• Acumula errores• El movimiento no es suave

Meta

El movimiento no es suave• La generación de una trayectoria

í á d dcurva sería más adecuada

Inicio


Planificación de caminos

• Problema básico:– Llevar el robot de

una localización inicial a una final sininicial a una final sin colisionar con los obstáculos del

tentorno• 3 métodos básicos• Generan secuencias de localizaciones para

llegar a la meta• Usan la cinemática inversa para moverse

entre las localizaciones



Métodos de planificación para entornos conocidos

METAINICIO

METAINICIO

Mapa de Carreteras Descomposición Celular

Aplicable en el Espacio de ConfiguracionesDifícil Extensión a 3D o Espacios MayoresConocimiento Previo del EntornoConocimiento Previo del EntornoProcesado Off-lineDificultad Dependiente del Número y Complejidad de Obstáculos


Dificultad Dependiente del Número y Complejidad de Obstáculos


Campos Potenciales Artificiales:Método de planificación para entornos (des)conocidos

Campos Potenciales Artificiales:Aplicable a los Espacios Cartesianos y de ConfiguracionesMétodo Local o GlobalProcesado On-line en Tiempo RealFá il E t ió E iFácil Extensión a Espacios n-dimensionalesDificultad Poco Dependiente del pNúmero de ObstáculosNo Requiere Conocimiento Previo del EntornoEntornoMétodo Basado en la Obtención de Distancias (sensorial para entornos

METAINICIO


desconocidos)

Modelos de comportamientos

Modelos de Braitenberg:

p

• Son 5 modelos de vehículos que implementan comportamientos básicos de los humanos

• Son la base de comportamientos para evitar• Son la base de comportamientos para evitar obstáculos, seguir fuentes de luz o calor, etc.

• Vehículo 1. Alive– Se compone de un sensor de calor y un motor– Cuanto mayor sea el valor captado por el sensor mas rápido

va el motor– Se comporta como si estuviera vivo, se mueve, y no le gusta p , , y g

el calor




p

• Vehículo 2.a. Fear:– Dos sensores de calor y dos motores, cada sensor

conectado con el motor del mismo ladoconectado con el motor del mismo lado– Cuanto mayor sea el valor que capte un sensor su motor

correspondiente irá más rápidoNo le gusta la fuente que capta el sensor– No le gusta la fuente que capta el sensor

• Vehículo 2.b. Aggresion:gg– Dos sensores de calor y dos motores, cada sensor

conectado con el motor de otro lado (conexiones cruzadas)– Cuanto mayor sea el valor que capte un sensor su motor– Cuanto mayor sea el valor que capte un sensor su motor

correspondiente irá más rápido– Ataca a las fuentes de calor




p

• Vehículo 3.a. Love:– Dos sensores de calor y dos motores, cada sensor

conectado con el motor del mismo ladoconectado con el motor del mismo lado– Cuanto mayor sea el valor que capte un sensor su motor

correspondiente irá más lentoSe comporta como si amase la fuente quiere acercarse y– Se comporta como si amase la fuente, quiere acercarse y descansar junto a ella

• Vehículo 3.b. Explore:– Dos sensores de calor y dos motores, cada sensor

conectado con el motor de otro lado (conexiones cruzadas)conectado con el motor de otro lado (conexiones cruzadas)– Cuanto mayor sea el valor que capte un sensor su motor

correspondiente irá más lentoSe aleja de las fuentes se dedica a explorar


– Se aleja de las fuentes, se dedica a explorar


C t i t ibl

p

Comportamientos posibles:– Evitación de obstáculos (fear)

Búsqueda de fuentes de luz o calor (love)– Búsqueda de fuentes de luz o calor (love)– Exploración (explorer)

Seguimiento de líneas– Seguimiento de líneas– Seguimiento de paredes– Búsqueda de objetivoBúsqueda de objetivo– ...



A it t ti

p

Arquitectura reactiva• Debe manejar y activar los comportamientos j y p

posibles de actuación– Se usan técnicas de lógica borrosa (fuzzy)g ( y)– Se ponderan los diferentes comportamientos– Se consideran tratamientos de excepciones y p y

emergencias



CONCLUSIONES

• Se han introducido los principios y componentes de robots móvilesS h lt l d l i áti• Se ha resuelto el modelo cinemático

• Se ha visto el control odométrico• Se han planteado aspectos de navegaciónSe han planteado aspectos de navegación


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