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
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Tema 5Robots móviles
CONTENIDOS
1. Introducción2. Componentes3 M d l d Ci áti3. Modelado Cinemático4. Autolocalización5. Cinemática Inversa5. Cinemática Inversa6. Planificación de caminos7. Modelos de comportamientos
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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)
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Introducción
Robots industriales móvilesG í• Guiados por Raíles
• Filoguiados• Autoguiados (AGVs)
Cortesía ACME
Cortesía EAI
Cortesía AGPC í AGVP
Cortesía AGVP
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Cortesía AGVP
Introducción
Aplicaciones de servicioAplicaciones de servicio• Agricultura• Espaciales• Espaciales• Limpieza• Asistenciales• Asistenciales• Vigilancia• Entretenimiento• Entretenimiento• …
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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
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Introducción
Características de los AGVs• Sin conductor• Sin guías mecánicas• Movimiento por el suelo• Baja capacidad de carga• Velocidad lenta• Trayectorias programables
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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, ...
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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
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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
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Modelado cinemático
• 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
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Modelado cinemático
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
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Modelado cinemático
Configuraciones típicas de vehículos:• Rueda fijaRueda fija• Diferencial (2 ruedas motrices paralelas)• Bicicleta• Tricíclo (diferentes tipos)• Tricíclo (diferentes tipos)• Configuración Ackerman (coche)
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Modelado cinemático
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
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Modelado cinemático
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
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Modelado cinemático
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
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Modelado cinemático
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
Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV26
Modelado cinemático
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
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Modelado cinemático
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
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Modelado cinemático
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
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Modelado cinemático
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
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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
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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
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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
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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?
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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
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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
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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
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Cinemática inversa
Cinemática inversa del vehículo diferencial
• Ejemplo gráfico• Ejemplo gráfico
Meta
Inicio Orientación Avance Reorientación
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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
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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
Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV40
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
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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
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Planificación de caminos
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
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Dificultad Dependiente del Número y Complejidad de Obstáculos
Planificación de caminos
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
Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV44
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
Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV45
Modelos de comportamientos
Modelos de Braitenberg:
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
Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV46
Modelos de comportamientos
Modelos de Braitenberg:
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
Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV47
– Se aleja de las fuentes, se dedica a explorar
Modelos de comportamientos
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– ...
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Modelos de comportamientos
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
Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV49
Tema 5Robots móviles
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
Robots móviles Martin Mellado DISA - UPV50