percepcion´ mapas eduardo morales, enrique sucar

Introduccion aRobotica

EduardoMorales,

Enrique Sucar

Introduccion

Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica

Planeacion deTrayectorias

SLAM

Introduccion a Robotica

Eduardo Morales, Enrique Sucar

INAOE

Eduardo Morales, Enrique Sucar (INAOE) Introduccion a Robotica 1 / 75


EduardoMorales,

Enrique Sucar

Introduccion

Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


SLAM

Contenido

1 Introduccion

2 Arquitecturas

3 Percepcion

4 Mapas

5 Localizacion

6 Cinematica

7 Planeacion de Trayectorias

8 SLAM



EduardoMorales,

Enrique Sucar

Introduccion

Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


SLAM

Introduccion

Que es un robot?

• “manipulador programable y multifuncional disenadopara mover materiales, partes, herramientas odispositivos especıficos mediante movimientosprogramados para realizar diferentes tareas”[Institutode Robotica de Amrica]

• “agente activo artificial cuyo ambiente es el mundofısico”[Russell y Norvig]

• “conexion inteligente de percepcion a accion”[Jones yFlynn]

• “una maquina programable capaz de percibir y actuaren el mundo con cierta autonomıa”[Sucar]



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Introduccion

Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


SLAM

Introduccion

Tipos de robots

• Manipuladores• Moviles / moviles manipuladores• Vehıculos autonomos• Aereos / drones• Submarinos / acuaticos• Humanoides• Cuadrupedos / hexapodos / ...



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Introduccion

Ejemplos de robots



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Introduccion

Partes de un robot

• Sensores• Actuadores• Potencia• Control• Sistema operativo• Comunicacion• Inteligencia



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Introduccion

Actuadores

• Dispositivos que permiten al robot modificar el medioambiente. Dos tipos principales:

• Locomocion: cambiar la posicion del robot respecto almedio ambiente (ruedas, patas, ..)

• Manipulacion: tomar y mover objetos en el medioambiente (brazos y manos roboticas)



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Introduccion

Sensores

• Dispositivos que permiten al robot percibir el medioambiente y su estado interno. Principales tipos:

• Odometrıa (moviles) y codificadores de uniones(manipuladores)

• Fuerza (bumpers) y tactiles• Ultrasonido (sonares)• Vision (camaras, camaras estereo)• Telemetros laser• Profunidad (Kinect)• Brujulas• Fotoreceptores (infrarrojos)• ...



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Introduccion

Ejemplos de sensores



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Introduccion

Potencia

• Sistema que proporcionan la energıa electrica para laoperacion de las diferentes partes: electronica,motores, sensores, etc.

• Los robots manipuladores se pueden alimentar de laslıneas electricas (fijos)

• Los robots moviles normalmente se alimentan debaterıas



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


SLAM

Introduccion

Control

• Provee la interfaz entre el sistema de procesamiento(software) del robot y sus sensores y actuadores

• Normalmente se realiza mediante una combinacion dehardware y software

• Provee una serie de comandos (subrutinas) para losprogramas de alto nivel del robot (inteligencia) que leproporcionan acceso al hardware y realizanoperaciones basicas sobre los sensores y actuadores



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Introduccion

Sistema Operativo

• La tendencia actual al ser cada vez los robots mascomplejos en su software, es incorporar un sistemaoperativo que administre los recursos y facilite lacomunicacion entre procesos

• El estandar de facto es ROS – Robot Operating System• ROS establece un esquema distribuido y la forma de

comunicarse entre los procesos



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Introduccion

Comunicacion

• En diversas aplicaciones es necesario que el robot secomunique con otros agentes. Tipos de comunicacion:

• Telecontrol – programacion y control a distancia• Cooperacion: comunicacion con otros robots y otras

maquinas para realizar tareas conjuntas• Interaccion humano-robot: comunicacion con personas

para recibir comandos o dar informacion



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Arquitecturas

Percepcion

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Localizacion

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Introduccion

Inteligencia

• Software que provee las capacidades al robot depercibir, analizar, planear e interactuar con su ambientey otros agentes. Algunas de las capacidades de unrobot (de servicio):

1 Percepcion – Integrar e interpretar la informacion de sussensores

2 Navegacion – desplazarse en el ambiente, evitarobstaculos

3 Planeacion – decidir la serie de pasos para cumplir unao mas metas

4 Mapeo – construir un modelo de su ambiente (SLAM)5 Localizacion – ubicarse en su ambiente6 Manipulacion – tomar y mover objetos7 Reconocimiento – reconocer lugares y objetos8 Comunicacion – comunicarse con personas en forma

natural (voz, LN, ademanes)



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Arquitecturas

Arquitecturas de Software

• “organizacion de la generacion de acciones a partir delas percepciones del robot”

• “arreglo de modulos de software para un robot”• Principales tipos:

1 Arquitecturas deliberativas2 Arquitecturas reactivas3 Arquitecturas hıbridas



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Arquitecturas

Ejemplo: Ir a la meta (luz) evitando losobstaculos



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Arquitecturas

Arquitectura deliberativa

• Basada en el paradigma de sensa-planea-actua (SPA):1 Se tiene un modelo completo (mapa) del ambiente2 Se construye un plan de accion para realizar la tarea

basado en el modelo3 Se ejecuta el plan



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Arquitecturas

Arquitectura deliberativa



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Arquitecturas

Ejemplo: plan en un mapa de rejilla• Construir mapa del ambiente, incluyendo obstaculos y

meta• Generar un plan para ir de la posicion inicial a la meta

evitando los obstaculos• Ejecutar el plan



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

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Arquitecturas

Arq. deliberativa – analisis

• Ventajas: El tener un modelo del ambiente permiteoptimizar las acciones para obtener el mejor plan

• Limitaciones:• Necesidad de un modelo preciso del ambiente• Altos requerimientos de computo y memoria• Dificultad de operar en un mundo dinamico o

desconocido• Reaccion lenta a situaciones imprevistas



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Arquitecturas

Arquitectura Reactiva

• En el enfoque reactivo hay una conexion directa depercepcion a accion sin necesidad de un modelo delmundo

• Normalmente se considera una serie de niveles decomportamiento que realizan diferentescomportamientos en forma paralela (subsumptionarchitecture)



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

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Arquitecturas

Arquitectura reactiva basada enComportamiento



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

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Arquitecturas

Manejo de conflictis• Al existir varios modulos en paralelo pueden existir

conflictos, que se resuelven dando prioridades a losdiferentes comportamientos

• El comportamiento de mayor prioridad “suprime”losotros comportamientos



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

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Arquitecturas

Ejemplo: enfoque reactivo



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

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Arquitecturas

Arq. reactiva - analisis

• Ventajas:• Bajo requerimiento de computo, respuesta rapida• Facilidad de desarrollo modular• No requiere un modelo del mundo

• Limitaciones:• Difıcil de extender a tareas complejas• Limitaciones sensoriales pueden ocasionar problemas

al no contar con un modelo• No garantiza la mejor solucion



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Percepcion

Mapas

Localizacion

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Arquitecturas

Arquitecturas Hıbridas

• Combinacion de arquitecturas deliberativas y reactivasque intentan aprovechar ventajas de ambas:

• Arquitecturas jerarquicas (capas)• Arquitecturas de pizarron (blackboard)• Arquitecturas probabilısticas



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Arquitecturas

Arquitectura de Capas

• Tres componentes basicos:1 Capa de habilidades: Mecanismo de control reactivo

(controlador)2 Capa de secuenciacion: Mecanismo de ejecucion de

plan (secuenciador)3 Capa de planeacion: Mecanismo deliberativo

(planeador)

• El secuenciador selecciona los mecanismos basicos dela capa de habilidades en base al plan de la capa deplaneacion



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

Cinematica


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Arquitecturas

Ejemplo en Arquitectura de Capas



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Percepcion

Mapas

Localizacion

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Arquitecturas

Arquitectura de Pizarron

• Conjunto de modulos o procesos que interactuanmediante un espacio de informacion comun llamadopizarron (blackboard)

• Cada modulo implemente una funcion especfıica y enconjunto todos realizan la tarea

• Todos los modulos pueden ver la informacion en elpizarron y actuan en forma oportunıstica de acuerdo alque mas pueda aportar en ese momento (coordinador)



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Arquitecturas

Percepcion

Mapas

Localizacion

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Arquitecturas

Ejemplo en Arquitectura de Pizarron



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Percepcion

Mapas

Localizacion

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Arquitecturas

Arquitectura Probabilıstica

• Consideran la incertidumbre inherente en el mundoreal, tanto en la informacion de los sensores como en laejecucion de los actuadores

• Representan en forma explıcita dicha incertidumbremediante distribuciones de probabilidad:

• Modelado e integracion probabilıstica de sensores• Mapas probabilısticos• Acciones basadas en teorıa de decisiones



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Percepcion

Mapas

Localizacion

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Arquitecturas

Ejemplo basado en ArquitecturaProbabilıstica



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Percepcion

Mapas

Localizacion

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Percepcion

Percepcion del Ambiente

• Los sensores permiten al robot percibir su medioambiente y su estado interno

• Dos tipos basicos: (i) Sensores de estado interno, (ii)Sensores de estado externo

• Desde otro punto de vista se pueden clasificar en: (i)Activos: emiten energıa o modifican el ambiente, (ii)Pasivos: reciben energıa pasivamente



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Mapas

Localizacion

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Percepcion

Modelo del Sensor

• El modelo de un sensor provee una relacionmatematica entre la propiedad de interes (e) y la lecturadel sensor (r ): r = f (e)

• El modelo debe incluir la relacion del dispositivo fısico yel ruido debido al sensor mismo (interno) y al medioambiente (externo)

• El modelo puede ser determinista o probabilista



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Localizacion

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Percepcion

Ejemplos de modelos de sensor



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Mapas

Localizacion

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Percepcion

Fusion sensorial

• Una forma de reducir la incertidumbre es combinandovarios sensores, ya sea del mismo tipo o de diferentetipo mediante fusion sensorial

• La forma mas sencilla de combinar varios sensores essimplemente tomar el promedio de las mediciones

• Existen tecnicas mas sofisticadas de fusion como losfiltros bayesianos y el filtro de Kalman

• 3 diferentes formas de fusion sensorial en robotica: (i)Diferentes sensores, (ii) Diferentes posiciones, (iii)Diferentes tiempos



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Percepcion

Filtro de Kalman

• Una forma de fusion sensorial a diferentes tiempos• Asume que las variables de estado (X ) y observaciones

(Z ) tienen una distribucion gaussiana• Las funciones de transicion y observacion son lineales:

xt+1 = Axt + Gwt ; zt = Cxt + vt

• Donde A, C, G son constantes, y wt , vt son losterminos que representan el ruido



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Localizacion

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Percepcion

Filtro de Kalman Inferencia• Es un algoritmo recursivo que estima el estado

siguiente en base al anterior (prediccion) y luego loactualiza incluyendo la observacion

• Prediccion: P(xt+1 | xt)• Observacion P(xt+1 | xt , zt+1)



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Percepcion

Filtro de Kalman: Localizacion



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Localizacion

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Mapas

Modelado del Ambiente

• Los robots moviles requieren de una representacion delambiente para moverse y localizarse.

• Generalemnte se representa el espacio libre y elespacio ocupado (obstaculos) mediante unarepresentacion geometrica: un mapa

• Tipos de mapas:• Mapas metricos• Mapas topologicos• Mapas semanticos



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Mapas

Mapas Metricos

• Se representa el espacio libre y/o obstaculos mediantemedidas espaciales: (i) descomposicion espacial(rejillas), (ii) primitivas geometricas

• Descomposicion espacial: Se representa el espaciolibre / obstaculos mediante una discretizacion en uncon junto de celdas, por medio de una rejilla deocupacion espacial (occupancy grids)

• Tipos de rejillas: binarias (bitmap) o probabilsticas /uniformes o jerarquicas



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Mapas

Mapa de rejilla binario



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Mapas

Mapa de rejilla probabilıstico



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Mapas Topologicos

• Se considera el ambiente como una serie de lugares yconexiones entre dichos lugares

• Esto se puede considerar como un grafo – Nodos:lugares; Arcos: conexiones

• Se le puede incorporar informacion metrica al grafo:longitud y orientacion de los arcos



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Mapa topologico



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Mapas

Mapas semanticos

• Se tiene asociado a un mapa una cierta semantica paralos diferentes espacios/objetos en el mapa

• Esto permite una comunicacion mas natural con elrobot en forma analoga a la comunicacion entrepersonas (ve al a la cocina, trame las llaves del cuartode Marıa, ...)

• Dicha semantica se la puede dar el usuario (porejemplo guiando al robot en la casa) o aprenderla elrobot (por ejemplo al reconocer cierto tipo de objetos)



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Mapa semantico



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Localizacion

Localizacion

• El que un robot pueda ubicarse en su ambiente esesencial para otras tareas, como navegar, planear adonde ir, construir mapas, etc.

• Hay dos tipos principales de localizacion:1 Local (seguimiento): dada una posicion conocida del

robot, mantener su localizacion en el mapa2 Global: encontrar la posicion sin conocimiento previo (o

con conocimiento erroneo – “kidnapped robot”)



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Localizacion

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Localizacion

Local

• Normalmente se estima la posicion integrando losmovimientos (traslacion y rotacion) desde una posicionconocida – odometrıa

• La odometrıa genera errores (patinan las llantas,irregularidades en el piso, ...) que son acumulativos – alpoco tiempo el robot se pierde!

• Por ello se necesita informacion externa del ambientepara ir corrigiendo la posicion (reduciendo el error) –“marcas”naturales obtenidas con diferentes sensorescomo laser o vision, objetos en el ambiente, etc.



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Localizacion

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Localizacion

Marcas naturales

• Una alternativa para la localizacion local es detectarelementos distintivos en el ambiente obtenido con unsensor de profundidad como un laser: esquinas,puertas, paredes

• Se obtiene la posicion en el mapa en una posicion delrobot (x, y) y despues de un desplazamiento mınimo

• Por un proceso de triangulacion se puede estimarcuanto se movio el robot y actualizar su posicion

• Esto se repite cada vez que el robot se desplaza ciertointervalo de distancia o tiempo.



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Localizacion

Localizacion Global

• Consiste en determinar la posicion del robot sin teneruna referencia de su posicion anterior

• Dada las lecturas de los sensores, normalmente hayvarias posibles localizaciones para el robot, por lo quetiene que en ocasiones tiene que desplazarse paraencontrar su posicion real

• En forma analoga a la localizacion local se puedenutilizar marcas naturales en el ambiente



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Localizacion

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Localizacion

Ejemplo de Localizacion Local



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Localizacion

Ejemplo de Localizacion Global



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Localizacion

Localizacion de Markov

• Bajo el enfoque probabilıstico, el problema delocalizacion global se puede resolver mediante el Filtrode Bayes (localizacion de Markov)

• El robot va alternando sensado/movimiento hasta poderdeterminar su ubicacion

• Se puede implementar de diferentes formas:• Filtro de Kalman• Filtros de partıculas• Filtro discreto



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Localizacion

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Localizacion

Localizacion de Markov



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Localizacion

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Localizacion

Ejemplo de Localizacion de Markov –Local (Fox 98)



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Ejemplo de Localizacion de Markov –Global (Fox 98)



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Localizacion

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Cinematica

• La cinematica se refiere a los efectos de las accionesde control en la configuracion del robot

• La configuracion es la posicion y orientacion de uncuerpo, en este caso un robot en el espacio

• Un esquema que simplifica la representacion es elespacio de configuraciones



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Espacio de Configuraciones

• Grados de libertad: se refiere a los posiblesmovimientos de un robot (X,Y,Z y rotaciones)

• Para manipuladores, cada articulacion provee un gradode libertad (se requieren 6 para ubicar un objeto rıgidoen cualquier posicion y orientacion)

• Para robots moviles movimiento en el plano X ,Y yrotacion

• La configuracion de un robot se refiere a la posicion desus todas articulaciones que definen su estado en elespacio

• El espacio de configuraciones es el espacion-dimensional donde se ubica cada grado de libertaddel robot – el robot (organo terminal) se puede vercomo un punto en este espacio



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Espacio de configuraciones - manipuladorde dos grados de libertad



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Espacio de configuraciones - robot movil



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Espacio de configuraciones: obstaculos yespacio libre



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Planeacion de Trayectorias


• Determinar una trayectoria en el espacio deconfiguraciones, entre una configuracion inicial (inicio) yuna configuracion final (meta), de forma que el robot nocolisione con los obstaculos y cumpla con lasrestricciones cinematicas del robot

• La solucion a este problema es un plan• Existen diversas estrategias: busqueda, programacion

dinamica, PRMs, RRTs, ...



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Plan

• Un plan es un conjunto de acciones (operadores) quepermiten a un agente (robot) ir de un estado inicial a unestado final o meta

• Los elementos basicos para hacer un plan son:• Estados (posicion del robot), incluyendo el estado inicial

y el estado meta• Operadores: acciones que llevan de un estado a otro



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Ejemplo de plan

• Mapa de rejilla• Estados:

• posicion X ,Y en el mapa• Estado inicial: 0,0• Estado meta (luz): Xm,Ym

• Acciones:• Movimiento a alguna de las celdas vecinas• X + 1,Y + 1,X − 1,Y − 1



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SLAM


Programacion Dinamica

• Procedimiento iterativo (recursivo) para evaluar el costode la trayectoria mınima de cualquier punto a la meta

• Se considera un ambiente discreto y un costo demoverse de un sitio (celda) a otro

• Se pueden incorporar otros costos (por ejemplo costode rotaciones para minimizar errores)

• La solucion se obtiene propagando los valores a partirde la meta hacia atras



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Mapas

Localizacion

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Ejemplo de programacion dinamica



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SLAM


PRMs - mapas de rutas probabilısticos

• Se muestrea el espacio de configuraciones• Se conectan puntos vecinos y se construye un grafo de

conectividad del ambiente• La trayectoria del inicio a la meta se obtiene medicante

busqueda en el grafo



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Ejemplo de PRM



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SLAM (Simultaneous Localization AndMapping)

• El problema de construccion de mapas por el mismorobot es uno de los problemas fundamentales enrobotica

• Este involucra el resolver concurrentemente(simultaneamente) dos problemas:

• Construir un mapa (espacio libre/ocupado) del ambiente• Localizarse en el mapa que se va construyendo

• Existen dos tipos de metodos: (i) basado en el filtro deBayes (Kalman, EKF, ...), (ii) basados en optimizacion



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SLAM

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Esquema General de SLAM / Exploracion



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Ejemplos de Mapas



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SLAM

SLAM

SLAM Visual

• La tendencia actual es el uso de camaras para SLAM ylocalizacion

• Existen algoritmos que incluso usan una sola camara(MonoSLAM)

• Se basan en la deteccion de caracterısticas visuales enel ambiente y el uso de tecnicas basadas en filtrosbayesianos u optimizacion



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Localizacion

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SLAM

SLAM

Ejemplo SLAM Visual



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SLAM

Referencias

• Russel and Norvig, Cap. 25• Dudek, Jenkin, Computational Principles of Mobile

Robots, Cambridge Univ. Press• Kortenkamp et al. (Eds.), Artificial Intelligence and

Mobile Robots, MIT Press• Thrun, Burgard, Fox, Probabilistic Robotics, MIT Press


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