navegación de robots móviles mediante escáner lá r di ... · versión ponderada de la...

Navegación de Robots Navegación de Robots ggMóviles mediante Escáner Móviles mediante Escáner

Lá R di lLá R di lLáser RadialLáser Radial

TESIS DOCTORALTESIS DOCTORAL

R li dR li dRealizada porRealizada porD. Antonio J. Reina Terol D. Antonio J. Reina Terol

Dirigida por el Dirigida por el Dr. D. Javier González JiménezDr. D. Javier González Jiménez

IndiceIndice

ARQUITECTURA DE CONTROL DE ROBOTS MÓVILES

Escáner láser radial

Localización del robot

Construcciónd

Escáner láser radialláser radial del robotde mapasláser radial

Calibración

Modelo del sensor

Modelo del sensordel sensordel sensor

Navegación de Robots Móviles mediante Escáner Láser RadialNavegación de Robots Móviles mediante Escáner Láser Radial

El escáner láser radial El escáner láser radial ExploradorExplorador

ExploradorExplorador

Desarrollado porShwartz Electro-Optics(SEO)

PRESTACIONES

Plano

Eje derotación

PRISMACabezaGiratoria

PRESTACIONES

Resolución : 3’418 cm. (Código binario de 10 dígitos)

C d d t ió 360ºde Barrido

Máximo Alcance

ObjetoInterceptadoθ

ρ

Eje dereferencia

or

Campo de detección : 360º

Rango de distancias : de 1 a 35 metros.

Precisión : ±10 cm

ExploradorCarcasaMetálica

Rec

epto

Emis

orPrecisión : ±10 cm

Densidad de muestreo : 256, 512,1024 y 2048 puntos por vuelta

Velocidad de muestreo : 1 2 y 4 muestreos por segundo


Velocidad de muestreo : 1, 2 y 4 muestreos por segundo

Calibración del sensorCalibración del sensor


Calibración del sensorCalibración del sensor

¿Por qué es necesaria?Permite verificar su funcionamiento Medición y corrección de erroresPermite obtener un modelo del sensor

Los datos son independientes de:

Permite obtener un modelo del sensor

Los datos son independientes de:La resolución y densidad del muestreo De errores en el posicionamiento del prisma

Los datos dependen de:Del tiempo de funcionamientoDel tiempo de funcionamiento Del ángulo de incidencia del hazDe las propiedades de los objetos interceptados


C ió d di t iC ió d di t i


Conversión de distanciasConversión de distancias

20

40

-36.8841 -2.6388

Kdd IM ⋅= 0

Err

or (c

m.)

.418.3 cmK =

-40

-20

10 20 30 40 50 60 70 80

Distancia al Objetivo (X*10 cm)

.604.3 cmK = 10 20 30 40 50 60 70 80

-505

Erro

r (cm

.)

Distancia al Objeto (X*10 cm)

-6.3683 +6.3868


C ió d di t iC ió d di t i


Conversión de distanciasConversión de distancias

10

)( IM dTablad =0

5

Err

or 8

cm.)

Min = -0.41053 cmMax = 0.32167 cm

200 210 220 230 240 250 260-10

-5

Distancia al Objeto (cm.)

5

10

m.)

Min = -1.753 cmMax = 0.24808 cm

-5

0

Erro

r (cm

450 460 470 480 490 500 510-10

Distancia al Objeto (cm.)


M d l d d lM d l d d l


Modelado del sensorModelado del sensor

⎞⎛ d⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

KdRoundd R

I⎠⎝

( )( ) ( )( )αη AdTablaRoundd RI +⋅+= −1

( ) ( )210Normalη( ) ( )2.1,0Normal=⋅η


Si l ió d b idSi l ió d b id


Simulación de un barridoSimulación de un barrido

Modelo del Explorador

Barrido Simulado

Mapa 2-Ddel entorno

AD

OR

SIM

ULA

ResoluciónAngular

Localizacióndel robot

Sg

del robot


Si l ió d b idSi l ió d b id


Simulación de un barridoSimulación de un barridoBarrido Real

Modelo del Entorno

Barrido Simulado


IndiceIndice




Construcciónd

Construccióndláser radial del robotde mapasde mapas

Calibración

Modelo del sensordel sensor


Construcción de mapasConstrucción de mapas

Construcción de mapasConstrucción de mapasConstrucción de mapas Construcción de mapas

Esquema de representaciónq pConstrucción de Mapa LocalFusión de mapas: Mapa GlobalFusión de mapas: Mapa Global



Esquema de representación Esquema de representación

α, ρ Ecuación polar de la recta soporte

(x1,y1), (x2,y2) Puntos extremos del segmento

MEN

TO

n Número de puntos empleados en el ajuste

A, B, C, D, E Sumas parciales del ajuste SEG

M

( )i

n

ixA θ22 cos∑ ⋅= ( )i

n

ixD θcos∑ ⋅=(x1, y1 )

ααρ sencos ⋅+⋅= yx

i 1= i 1=

( )i

n

iiyB θ2

1

2 sen∑=

⋅= ( )i

n

iiyE θsen

1∑

=

⋅=Y

ρ (x2, y2 )( xi, yi ) i 1= i 1=

( ) ( )ii

n

iii yxC θθ sencos

1

⋅⋅⋅= ∑=

θiXSistema

de referencia

α

i i


de referencia


Construcción de un Mapa LocalConstrucción de un Mapa Local

MuestreoFiltradoAgrupaciónAjuste linealSegmentaciónFusión

Construcción de un Mapa Local Construcción de un Mapa Local

Muestreo OriginalFiltradoAgrupaciónAjuste linealg Fusión

1. Filtrado 2 Agrupación2. Agrupación3. Ajuste lineal4. Segmentación5. Fusión



Ajuste por mínimos cuadradosAjuste por mínimos cuadradosAjuste por mínimos cuadradosAjuste por mínimos cuadrados

( ααρ sencos1 222 +⋅+⋅+⋅⋅= BAnn

ECMn

ααρ sencos ⋅+⋅= yx

αα sencos2 −⋅⋅⋅Cn

Y

ρ

( ))ααρ sencos2 ⋅+⋅⋅⋅ EDX

α



Fusión de segmentosFusión de segmentosFusión de segmentosFusión de segmentos

21 AAA +=Segmento 1 p22

21 BBB +=

21 DDD +=

Segmento 1

p11

p12

p21

p2

21 CCC +=

21 Segmento 2Nuevarecta soporte

Segmentolt t d

p11 p21

p1

21 EEE +=resultante de

la fusión



Fusión de mapas: Mapa GlobalFusión de mapas: Mapa GlobalFusión de mapas: Mapa Global Fusión de mapas: Mapa Global

1. Cambio de referencia del Mapa Local2. Establecer relaciones entre segmentos3. Actualizar mapa3. Actualizar mapa



Cambio de referenciaCambio de referenciaCambio de referencia Cambio de referencia

2

22

sen2cos2sencos2sencos

PnPEPDCBAA

⋅+⋅⋅⋅⋅⋅⋅+

+⋅⋅⋅−⋅+⋅=′

φφ

φφφφ Ysen2cos2 xxx PnPEPD ⋅+⋅⋅⋅−⋅⋅⋅+ φφ

2

22

cos2sen2

sencos2cossen

PnPEPD

CBAB

⋅+⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+

+⋅⋅⋅+⋅+⋅=′

φφ

φφφφ Py

φ

cos2sen2 yyy PnPEPD ⋅+⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+ φφ

( ) ( )( )

CBAC +−⋅+⋅⋅−=′ φφφφ sencossencos 22

Sistema de XPx( )

( ) yxyx

yx

PPnPPE

PPD

⋅⋅+⋅−⋅⋅+

+⋅+⋅⋅+

φφ

φφ

sencos

cossen referencia x

xPnEDD ⋅+⋅−⋅=′ φφ sencos

yPnEDE ⋅+⋅+⋅=′ φφ cossen



Relaciones entre segmentosRelaciones entre segmentosRelaciones entre segmentos Relaciones entre segmentos

Gk

Sector de observaciónφK

(x2, y2)Gk(x1, y1)

Lj-1

Lj

Lj+1

Segmentos con correspondencia

Segmentos incoherentes

Sensor

j 1 Segmentos incoherentes

Nuevos segmentos



Actualizar Mapa GlobalActualizar Mapa GlobalActualizar Mapa Global Actualizar Mapa Global

S t F iSegmentos con Correspondencia

Fusionar segmentos

Segmentos Incoherentes

Eliminar SegmentosIncoherentes

N

Segmentos

Añ di SNuevos Segmentos

Añadir Segmentos



C t ió d M Gl b lC t ió d M Gl b l

Mapa LocalMapa LocalMapa LocalMapa LocalMapa LocalMapa LocalMapa LocalMapa LocalMapa Local

Construcción de un Mapa Global Construcción de un Mapa Global

Plano arquitectónico del entorno

Mapa GlobalMapa GlobalMapa GlobalMapa GlobalMapa GlobalMapa GlobalMapa GlobalMapa GlobalMapa Global16


IndiceIndice




Construcciónd

Localización del robotláser radial del robotde mapas del robot

Calibración



Localización mediante alineamiento y superposición de mapasLocalización mediante alineamiento y superposición de mapas

Localización mediante alineamiento Localización mediante alineamiento y superposición de mapasy superposición de mapas

Introducción al problema de localizaciónRequisitos y característicasRequisitos y característicasAlineamiento de mapasSuperposición de mapasSuperposición de mapasIncertidumbre asociada a la estimaciónLocalización en movimientoLocalización en movimiento


I d ió l bl dI d ió l bl d


Introducción al problema deIntroducción al problema delocalizaciónlocalización

Zβ

σY

Y

β

αPy

Py

PzY αPy

PxSistema deX

Sistema de XPxSistema de referencia 3D

Sistema de referencia 2D

XPx



I d ió l bl dI d ió l bl dIntroducción al problema deIntroducción al problema delocalizaciónlocalización

Gran número de enfoques diferentes

R lt d di t i ió b t

Gran número de enfoques diferentes

Resultados diversos en cuanto a precisión, robustezy versatilidad

NO EXISTE un método realmente eficaz y aplicable a todoslos casoslos casos



I d ió l bl dI d ió l bl dIntroducción al problema deIntroducción al problema delocalizaciónlocalización

Clasificación en función de su relación con el entornorelación con el entorno

Basados en medidas internas

Utilización de balizasUtilización de balizas

Mediante Captación y Representación del entorno


RequisitosRequisitos


RequisitosRequisitosMapa globalMapa localMapa localEstimación inicial de la localización Incertidumbre asociada a dicha estimación

CaracterísticasCaracterísticasCaracterísticasCaracterísticas

Desacopla el cálculo de orientación y posiciónRecupera grandes errores inicialesCálculo experimental de la incertidumbre Localización en movimientoLocalización en movimiento


Alineamiento de mapasAlineamiento de mapas


Alineamiento de mapasAlineamiento de mapasIDEA: Girar el mapa local un ánguloαι y comprobar el número deαι y comprobar el número desegmentos con igual orientaciónentre el mapa local girado y el mapaglobal.g

Versión ponderada de la Transformada

Generalizada de Hough


Alineamiento de mapasAlineamiento de mapas


Alineamiento de mapasAlineamiento de mapasTransformada Generalizada de HoughTransformada Generalizada de Hough

Construir tabla de

referencia

Definición del espacio de Hough

Modelo Posiblessoluciones

MapaGlobal

Orientacionesdel vehículoreferencia

(TABLA-R)de Hough

(matriz AC)solucionesGlobal del vehículo

PROCESO DEVOTACIÓN

Peso InformaciónSensorial

Mapa Local

Longitud de los segmentos

Buscar el máximo en AC

Sensorialg

Buscar el máximo en AC

SOLUCIÓN


SOLUCIÓN


Resultado de un alineamientoResultado de un alineamientoOrientación real = 44.55º

Orientación inicial = 34º

Rango AC = 90º

Orientación estimada = 44º

Mapa Local GiradoMapa Local GiradoMapa Local GiradoMapa Local GiradoMapa Local GiradoMapa Local GiradoMapa Local GiradoMapa Local GiradoMapa Local Girado Error de estimación = 0.55ºMapa Global


Superposición de mapasSuperposición de mapas


Superposición de mapasSuperposición de mapasIDEA: Desplazar el mapa local yaalineado y medir el grado dealineado y medir el grado desuperposición entre éste y el mapaglobal.





E d fi i t iEsquema de refinamiento sucesivo

k2η

α

2

kαα Δ

−

27 Posibles localizaciones por cada iteración

η

k2α

k2

K-ésima Iteración





Cálculo de solapamiento entre segmentos

PASO 1δ

p2

−δPASO 2

p g

RL φKGk

Lj

p2

p1

PASO 3 PASO 4

RG

Sensor Sensor

2 ηδ ⋅=

p2

CLj

CG

CLj

k22δ ⋅=

p1

CGk

SensorSensor

Sensor





Cálculo de solapamiento de mapasp p

n

( ) ( )( )∑=

+=n

iLG iCLiCGMMtoSolapamien

1

),(


Resultado superposiciónResultado superposición


Resultado superposiciónResultado superposición

Error inicial = (0.8, -1.5, 0.55)

Error estimación = (0.033, -0.06, -0.01)


Cálculo Experimental Cálculo Experimental


ppde la Incertidumbrede la Incertidumbre

Datos experimentalessobre el escenario realsobre el escenario real

Matriz de covarianzaMatriz de covarianza

¿Cómo de precisa es?

Localización geométrica + Incertidumbre

¿ p



Cálculo Experimental Cálculo Experimental ppde la Incertidumbrede la Incertidumbre

α r

yrx

ry

⌧


Extrapolación de laExtrapolación de la


Extrapolación de laExtrapolación de laIncertidumbreIncertidumbre

1) D fi i jill d i tid b1) Definir una rejilla de incertidumbres

2) Establecer una única matriz de HALLHall = 9 cm. )

incertidumbre asociada al entorno

3) Completar un estudio experimental en

Pasillo1 = 10 cm.

Pasillo2 = 16 cm.3) Completar un estudio experimental en cada nueva localización

asill

o 2

Pa Pasillo 1

Pasillo 1


L li ió i i tL li ió i i t


Localización en movimientoLocalización en movimiento

Presenta dos problemas:

Deformación del conjunto de medidassuministradas por los sensores

Desplazar cada medida en función de movimiento

Retardo en la estimaciónActualizar la localización empleando el sistemaActualizar la localización empleando el sistemaodométrico




Localización en movimientoLocalización en movimiento

Corrección de las deformaciones

Barrido Deformado Barrido Corregido

Punto inicial

Velocidad = 0.18 m/sRadio de Curvatura = -7.7 m-1

Barrido Deformado Barrido Corregido

Punto inicialVelocidad = 0.85 m/sRadio de Curvatura = 0.5 m-1




Localización en movimientoLocalización en movimientoActualización odométrica de lalocalización estimadalocalización estimada

Movimientorealizado por elvehículo durantevehículo durante

la estimación

oP0oC0eP0eC0

oC1eC1

oP01 eP1


IndiceIndice

ARQUITECTURA DE CONTROL DE ROBOTS MÓVILESARQUITECTURA DE CONTROL DE ROBOTS MÓVILES



Construccióndláser radial del robotde mapas

Calibración



Arquitectura de control del Robot Móvil RAMArquitectura de control del Robot Móvil RAM--22

Arquitectura de control del Arquitectura de control del robot móvil RAMrobot móvil RAM--22

S.O de Tiempo RealReal

LYNX NEXUS

Conjunto de especificaciones que facilita el diseño y laintegración de aplicaciones software distribuidas

Conjunto de servicios para la gestión y comunicaciónde tareas


Arquitectura de control del Robot Autónomo Móvil RAMArquitectura de control del Robot Autónomo Móvil RAM--22

Arquitectura de control del Arquitectura de control del robot móvil RAMrobot móvil RAM--22

Ram2Actuación

MódulosUnidad conceptualRam2

Actuación

MódulosUnidad conceptual

APLICACIÓN Explorador PlsPercepción

PilotoActuación

ExploradorPlsPercepción

PilotoActuación

ServicioA1

ServicioA2

ServicioA3

ServicioAn

MÓDULOMapaLocalModelado del

Pls Sónares

Percepción

MapaLocalModelado del

Pls Sónares

Percepción

Localización

MapaGlobalGrafos-AH

Modelado del mundo

Localización

MapaGlobalGrafos-AH

Modelado del mundo Estimación

ContinuaLocalizaciónPlanificaciónControl de obstáculos

NavegaciónLocalizaciónPlanificaciónControl de obstáculos

Navegación Bajo seguridad


Arquitectura de control del Robot Móvil RAMArquitectura de control del Robot Móvil RAM--22

Aplicación de seguimiento de Aplicación de seguimiento de caminos desarrollada en caminos desarrollada en

NEXUSNEXUSNEXUSNEXUS

0.5

0.6

to (m

/s)

1

Hal

l

0.5

0.6

to (m

/s)

1

Hal

l

0.5

0.6

to (m

/s)

1

Hal

l

0.5

0.6

to (m

/s)

1

Hal

l

0.5

0.6

to (m

/s)

1

Hal

l

0.5

0.6

to (m

/s)

1

Hal

l

0.1

0.2

0.3

0.4

Vel

ocid

ad d

e se

guim

ien

Sal

ida P

asill

o

Pas

illo

1

Pasi

llo 2

0.1

0.2

0.3

0.4

Vel

ocid

ad d

e se

guim

ien

Sal

ida P

asill

o

Pas

illo

1

Pasi

llo 2

0.1

0.2

0.3

0.4

Vel

ocid

ad d

e se

guim

ien

Sal

ida P

asill

o

Pas

illo

1

Pasi

llo 2

0.1

0.2

0.3

0.4

Vel

ocid

ad d

e se

guim

ien

Sal

ida P

asill

o

Pas

illo

1

Pasi

llo 2

0.1

0.2

0.3

0.4

Vel

ocid

ad d

e se

guim

ien

Sal

ida P

asill

o

Pas

illo

1

Pasi

llo 2

0.1

0.2

0.3

0.4

Vel

ocid

ad d

e se

guim

ien

Sal

ida P

asill

o

Pas

illo

1

Pasi

llo 2

0 10 20 30 40 50 60 700

Longitud del camino en metros0 10 20 30 40 50 60 70

0


0


0


0


0

Longitud del camino en metros


ConclusionesConclusiones

ConclusionesConclusiones

S h j d l i ó i d lSe han mejorado las prestaciones teóricas del sensor y seha obtenido un preciso modelo del mismo

Método dinámico para la construcción de mapas

Preciso algoritmo para la localización de un robot enmovimiento que incluye un novedoso método para el cálculode la incertidumbre asociada

Integración en una arquitectura de control de robots móvilesh bié d bt id lt d li i lhabiéndose obtenido resultados en aplicaciones realessobre varios vehículos


Desarrollos futurosDesarrollos futuros

Desarrollos futurosDesarrollos futuros

Resolver el problema de primera localización

Exploración automática de entorno

Fusión multisensorial

Construcción de mapas 3DConstrucción de mapas 3D

Nueva versión del algoritmo de localización empleando g psónares giratorios


Navegación de Robots Navegación de Robots ggMóviles mediante Escáner Móviles mediante Escáner

Lá R di lLá R di lLáser RadialLáser Radial

TESIS DOCTORALTESIS DOCTORAL

R li dR li dRealizada porRealizada porD. Antonio J. Reina Terol D. Antonio J. Reina Terol

Dirigida por el Dirigida por el Dr. D. Javier González JiménezDr. D. Javier González Jiménez

Captura de datosCaptura de datos

MESA

Panel

Soportegraduado

IntervaloIntervaloObjetivo

Explorador


M di ió d lM di ió d lMedición de la Medición de la localización reallocalización real

Cuadricula

D1

D2

D3

Puntode referencia


Distribución del errorDistribución del error


(a) (b) (c)

navegación de robots móviles mediante escáner lá r di ... · versión ponderada de la...

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