Fundamentación de Robótica: Percepción y Sensores en Robots Móviles

Tecnológico de Monterrey

Estructura

• Clasificación de sensores
• Propiedades de los sensores
• Sensores populares en robots móviles

Ismael Lin Escuela de Ingeniería y Ciencias

Diagrama general del sistema

Tarea Tecnológico de Monterrey

Localización y Mapeo

Posición/mapa global

Planeación de ruta

Ruta

L Mapa local

Extracción e interpretación

Ejecución de la ruta

Percepción

Datos crudos

Comandos del actuador

Obtención de datos

Acto

Control de movimiento

Ambiente

Siegwart, R., Nourbakhsh, I. R., & Scaramuzza, D. (2011). Introduction to autonomous mobile robots. MIT press. Ismael Lin Escuela de Ingeniería y Ciencias

Sensores

¿Por qué usar sensores?

• Sirven para extraer información del entorno y estimar tanto el entorno como el estado del robot.
• Facilitan el modelado del robot cuando no se cuenta con todos los modelos o se tiene dinámica desconocida.
• La ejecución de comandos es incierta debido a los márgenes de error.

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Clasificación de Sensores

• Los sensores se dividen en dos grandes ramas:
• Según lo que se está midiendo:
• Propioceptivos y exteroceptivos.
• Según el principio de medición:
• Pasivos y activos.

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Sensores - Propioceptivos y exteroceptivos

Propioceptivos

• Miden valores internos del robot.
• Ejemplos: velocidad del motor, el voltaje de la batería y los encoders.

Exteroceptivos

• Proporcionan información del ambiente.
• Ejemplos: distancia a objetos y la intensidad de color.

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Sensores - Pasivos y Activos

Pasivos

• La energía proviene del ambiente.
• Ejemplos: micrófonos, cámaras.

Activos

• Emiten energía y miden la respuesta.
• Ejemplos: láseres y ultrasónicos.

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Propiedades de los sensores

Rango dinámico

• Mide la diferencia entre el límite inferior y superior de los valores de entrada durante el rango normal de operación del sensor.
• Usualmente se mide en decibeles.
• Rango
• Cubre el rango total del sensor, incluidos los valores fuera de su rango de operación normal.

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Propiedades de los sensores

Resolución

• Es la diferencia mínima entre dos mediciones.

Frecuencia

• Velocidad a la que el sensor puede obtener sus mediciones.

Linealidad

• Describe el comportamiento de salida del sensor en relación con una curva ideal a medida que varía la señal de entrada.

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Propiedades de los sensores

Sensibilidad

• Es la entrada mínima que genera un cambio en la salida del sistema.

Exactitud (Accuracy)

• Diferencia máxima entre la medida del sensor y el valor verdadero.

Precisión (Precision)

• Reproductibilidad de los resultados del sensor.

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Propiedades de los sensores

Error

• Diferencia entre la salida del sensor y el valor verdadero de la medición.

Errores sistemáticos

• Causados por factores modelables.
• Afectan la exactitud.

Errores aleatorios

• Describen la variabilidad en procesos estocásticos.
• Afectan la precisión.

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Sensores populares en robots móviles

• Sensores de ruedas.
• Sensores de rumbo.
• Sensores táctiles.
• Sensores de rango.
• Sensores GPS.

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Sensores de rumbo

Brújula

• Determina la orientación en coordenadas absolutas.
• ¿ Desventajas?
• Sensibilidad a materiales ferromagnéticos.
• Desempeño limitado en entornos cerrados.

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Sensores de rumbo

Giroscopio

• Mide la velocidad rotacional.
• Sensible a la temperatura.
• Sensibles a ruido en tiempo prolongado.

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Sensores de rumbo

Acelerómetros

• Miden la aceleración lineal.
• Extremadamente sensibles al ruido.

. No pueden diferenciar entre gravedad y aceleración directamente.

• ¿ Se puede obtener la posición?
• Integrando dos veces.

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Sensores de rumbo

Inclinómetro

• Miden ángulo de inclinación.
• ¿ Cómo se mide?
• Acelerómetros.
• Burbujas de gas en líquido.

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Sensores de rumbo

¡ Juntar todo en uno!

IMU (Inertial measurement unit)

• Combina acelerómetro, giroscopio y generalmente brújula.
• Sensor básico en robótica

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Sensores táctiles

Bumpers

• Sirven para respuestas de emergencia.
• Un robot no debería de usarlos frecuentemente.

Switches

• Activación de elementos.

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Sensores táctiles

Sensores de par y fuerza

• Detectan fuerza rotacional y lineal.
• Típicamente, los sensores multiaxiales usan galgas extensiométricas.
• Miden Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz

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Sensores táctiles

Potenciómetros

• Miden la variación de la resistencia en función de la posición de un elemento móvil.
• Son "simples" de implementar.
• Tienen un gran desgaste mecánico.

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Sensores táctiles

Encoders

• Detectan la posición o el movimiento de un eje rotatorio.
• Cuenta la cantidad de pulsos generados.
• Forma "sencilla" de saber cuanto se movió el robot.

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Sensores de rango

Utilizan diferentes principios:

Tiempo de vuelo

• Mide el tiempo que la señal tarda en viajar.

Diferencia de fase

. Mide la diferencia de fase entre la señal trasmitida y la señal reflejada.

Triangulación

• Usa relaciones geométricas para determinar la profundidad del objeto.

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