Índice de Contenidos. Ultrasonidos (I)

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Sensores para Posicionamiento de Robots Móviles

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Índice de Contenidos

1. INTRODUCCIÓN A LOS SENSORES PARA POSICIONAMIENTO DE ROBOTS MÓVILES

1.1. Conceptos previos

1.2. Clasificación de sensores y algoritmos de posicionamiento asociados

2. SENSORES PARA POSICIONAMIENTO RELATIVO 2.1. Navegación Inercial con Acelerómetros y Giróscopos 2.2. Odometría

3. SENSORES PARA POSICIONAMIENTO ABSOLUTO 3.1. Ultrasonidos

3.2. Infrarrojo

3.3. Balizas y GPS (“Global Positioning System”) 3.4. Visión

Ultrasonidos (I)

¿Ultrasonidos?:

!Ondas sonorasde frecuencia superior a la audible por el humano (20KHz)

!Se generan por fenómenos mecánicos o piezoeléctricos de vibración

!Resultado:vibraciones periódicas en el tiempo y en el espacio

!Velocidad de transmisión de la onda: 340m/s (en el aire) !Sensor:Superficie plana oscilando a frecuencia constante

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Ultrasonidos (II)

¿Sensado con Ultrasonidos?:

!Basado en el reflejo de la onda en los elementos del entorno del robot, pero....

Reflexiones, Atenuaciones, Doppler, Interferencias!

!Los fenómenos físicos que sufre la onda se usan a favor del sensado:

Posibilidades de enfoque !Se basa en transformación de la energía

(sensor = transductor)

"Emisor: energía eléctrica => sonora (ultrasonido) "Receptor: energía sonora (ultrasonido) => eléctrica

Ultrasonidos (III)

Tipos de transductores:

!Piezoeléctricos: Se deforman ante campo eléctrico

"Naturales: cuarzo

"Artificiales: cerámicas

!Magnetoestrictivos: Se deforman ante campo magnético

!Mecánicos y Electromecánicos: Se deforman al aplicar fuerza

!Electroestáticos: Se deforman por efecto electroestático

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Ultrasonidos (IV)

Tipos de transductores:

Ultrasonidos (V)

Aplicaciones de los ultrasonidos según potencia de emisión:

#Alta potencia (mW a KW):Sonar, limpieza catalización, soldadura, erosión, cirugía

#Baja potencia(uW a mW):Ecografía, localización de defectos en objetos, superconductividad, robótica

Medida de distancias captación y mapeado de entornos

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Ultrasonidos (VI)

Consideraciones sobre el uso de ultrasonidos según aplicación:

#Alcance:Sistema de enfoque acústico (4 a 6m), receptor y emisor enfrentados

#Resolución: Altas frecuencias de TX, alta frecuencia para el contador de tiempos de vuelo

#Exactitud: Control de Tª, humedad, limpieza del aire

330 m/s a 0º y 340 m/s a 25º #Anchura del haz: Con lentes acústicas

y con arrays de sensores

Ultrasonidos (VII)

Medidas de Distancias con Ultrasonidos:

# Tiempo de vuelopermite obtener distancia al objeto más próximo alrededor del robot

# A partir de esa medida: mapas del entorno, caracterización de

obstáculos

Disposición del sensor:

# Anillo de sensores:Sensado en paralelo

# Sonar (sensor giratorio):No existen zonas muertas

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Sensores para Posicionamiento de Robots Móviles Página 9

Ultrasonidos (VIII)

Anillo de sensores →→→→ ↓↓↓↓

Ultrasonidos (IX)

La electrónica de interfaz para un sensado ultrasónico:

1. Sistema digital: genera forma de onda ultrasónica (frecuencia) y patrón

2. Etapa de potencia; driver de excitación del transductor ultrasónico

(±150V)

Vibra a la frecuencia ultrasónica y así emite el patrón de ultrasonidos configurado

3. Transductor:

Recibe eco reflejado en el entorno (patrón y frecuencia conocida)

4. Etapa acondicionamiento recepción: PGA para recoger el eco + umbralización para eliminar dobles rebotes (detección flanco comienzo de secuencia válida)

5. Sistema digital: cálculo del tiempo de vuelo (pocos ms) y generación de mapas de distancias (

t

_of

=d/c

)

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Ultrasonidos (X)

Cuestiones interesantes del hardware:

#Uso del PGA:la forma e intensidad de la onda no contiene información, el patrón de emisión sí

#Complicado driver del transductor bidireccional(TX ↑Pot y RX ↓Pot), pero más sencillo que acoplamiento de TX y RX

#Envío de patrones conocidospara asegurar el origen de la recepción (secuencias Golay, códigos Barker, etc. Alta autocorrelación)

#Efecto de las dobles reflexiones....

) ( 0

)

,

(

t

x

=

ξ

⋅

e

−

α

⋅x

⋅

e

j

ω

t−kx

ξ

Ultrasonidos (XI)

Efectos del reflejo de los ultrasonidos:

Se puede resolver con acumulación de sensados ....

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Ultrasonidos (XII)

¿cuándo interesa la forma de onda? Reconocimiento de materiales

Ultrasonidos (XIII)

¿Cómo se utilizan las medidas de distancia con ultrasonidos en robótica?

!Las medidas individuales no son de fiar

!Se realiza acumulación probabilística de medidas !Mapas de celdas de ocupación “ocupancy grid maps”

!De este modo el ultrasonido se puede usar para...

#Obtener posición absoluta con mayor fiabilidad

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Ultrasonidos (XIV)

Objetivo de un “ocupancy grid map”

#Obtención de mapa local del entornoa partir de sensores

#Correspondencia con mapa globalalmacenado (y actualización)

#Ubicación (x y θ)del móvil en el entorno

Directamente con el mapa de celdas

Ultrasonidos (XV)

Asignación de incertidumbre y creación de “ocupancy grid maps”

a) Mapa de rejillas básico(HAM, HPF)

El valor “libre”(CV)de cada celda depende del cono de emisión

La actualización de CVse realiza con distintos algoritmos

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Ultrasonidos (XVI)

b) Histograma de ocupación(HIMM)

Representación polarde ocupación de celdas (a partir de HPF)

Problema:Elección del umbral de “ángulo ocupado”

Resultado: planificación por campos de fuerzas

Ultrasonidos (XVII)

Comparación de métodos:

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Ultrasonidos (XVIII)

HAM (Heuristic Asymmetric Mapping)

HIMM (Heuristic In-Motion Mapping)

Ultrasonidos (XIX)

Generación de mapa con ultrasonidos (Integración sensorial)

Ojo al tiempo de cómputo...

El mapa puede ser de características o topológico

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Ultrasonidos (XX)

“Matching” de mapa global con ultrasonidos (Posicionamiento y Reconocimiento de formas)

Ojo a obstáculos temporales...

Ultrasonidos (XXI)

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Ultrasonidos (XXII)

Vector sensor para reconocimiento de formas

#Un único TX y RX imposible diferenciar

esquinas, rinconesy paredes

#2 RX(1 TX) se combinan formando un

vector sensor

Se puede medir exactamente el ángulo de la recepción (el tipo de

obstáculo) del eco mediante la diferencia de tof’s

Ultrasonidos (XXIII)

Requerimientos mínimos para diferenciar planos, rincones y esquinas #Primeros estudios (Peremans y Sabatini): 3 RX + 1 TX

#J. Ureña y Kleeman&Kuc:2 RX + 2 TX

Un 3º RX permite comprobar (redundante)

#Ejemplo:93m de recorrido con medidas cada 1m " Planos

" Bordes " Esquinas