Sensor

Visión artificial y Robótica
Sensores en robótica. Funcionamiento
de cámaras.
Depto. de Ciencia de la Computación e
Inteligencia Artificial
Contenidos
●
Introducción
●
Sensores de toque
●
Sensores de posición internos
●
Sensores de posición externos
●
Sensores de rango
●
Sensores de visión
Introducción
●
●
●
●
Sistema robótico: percepción-acción
Necesitamos obtener información (percibir) el
mundo que nos rodea (y datos propios)
Este conocimiento se obtiene mediante
sensores
Sensor: aparato que transforma variables
físicas en señales eléctricas
¿Para qué se usan?
●
Medir variables internas del robot (sensores
internos)
– Velocidad,
●
posición, orientación
Percibir el mundo exterior (sensores
externos)
– Distancia
a obstáculos, posición absoluta en
un entorno, temperatura, humedad, visión,
etc.
Problemas de los sensores
●
●
●
●
Los sensores reales son ruidosos
Proporcionan una descripción incompleta del
entorno
No pueden ser modelados completamente:
problema simulación-realidad
Necesitan un algoritmo para realizar inferencia
sobre la información proporcionada (problema de
reconstruir el entorno)
Tipos de sensores
●
Sensores de toque
●
Sensores para cálculo de posición
●
– Sensores
internos: odometría
– Sensores
externos: GPS, beacons
Sensores de rango
– Sonar
– Laser
●
Visión: cámaras CCD
Sensores de toque
●
Uno de los sensores más sencillos
●
Proporciona 1 (pulsado) 0 (no pulsado)
●
Utilidad: control de choque, control de
presencia de objeto
Sensores internos de posición
Referencia relativa
Sensores internos de posición (II)
Referencia absoluta
Sensores de inercia (IMU)
• Inertial Measurement
Unit: dispositivos que
miden la inclinación
(giroscopio) y
aceleración
(acelerómetro) en los
tres ejes
Odometría
●
●
Dead reckoning: cálculo de la posición
basándose en los sensores internos
Integrar las distancias recorridas (∆s) y
ángulos girados (∆θ) en cortos periodos (en
algunos robots, cada 100 ms)
Sensores externos de posición
●
●
Permiten obtener las coordenadas del robot
con respecto a un sistema de referencia
externo
GPS: Global Positioning Systems
– Obtiene
●
x,y,z
Active Beacons
– Obtiene
x,y,θ
GPS: Global Positioning System
●
Permite, mediante un receptor, conocer nuestras
coordenadas 3D (latitud, longitud y altitud)
–
●
Conocido el tiempo que tarda en llegar la señal se calcula
la distancia al satélite: Superficie de una esfera. Uniendo 3
satélites tenemos un único punto (versión simplificada)
Precisión del GPS
–
Hace años: error aleatorio introducido. Se desactivó en el
2000
–
Actualmente la precisión está en 2-3 metros
–
Para mejorar la precisión se usa GPS diferencial (DGPS).
Se tiene un GPS cercano y fijo en una posición conocida
con mucha precisión. Los errores de GPS cercanos están
fuertemente correlacionados, esto nos puede servir para
corregir el error del GPS móvil
–
No se puede usar en interiores, entre edificios altos o
árboles ni bajo el mar
Sistema GPS
Sensores externos Active beacons
Sensores de rango
●
●
Rango: distancia del sensor al objetivo
(profundidad)
–
Se suelen utilizar para obtener la distancia a los
objetos
–
Se pueden utilizar como complemento de otros
métodos: visión
Habituales en robótica móvil
–
Infrarrojos (barato, distancias cortas)
–
Sonar (coste medio, alcance habitual 5-6 metros)
–
Laser (muy caro, mucha resolución. Alcances de
varios kilómetros (!))
Sensores de rango: principio básico
●
Sensores Time-of-flight:
–
distancia= velocidad*tiempo / 2
–
Vel. Medio=340m/s en el aire
Infrarrojos
Sonar: SOund NAvigation and
Ranging
●
El mismo sensor actúa de emisor y receptor
●
Funcionamiento:
–
Emite un tren de ultrasonidos de 50kHz
–
Emite formando un haz en forma de cono con
una extensión de ±15º
–
Duración del haz 1ms
aprox.
–
Pasa a modo receptor
Sensores de rango Sónar
Problemas con el sonar
•
Ángulo de
incidencia
•
Amplitud del cono
•
Dobles rebotes
Laser Range Finder
Láser SICK
Trabaja con el principio de tiempo de vuelo
Devuelve un grupo de lecturas de 180º, con
una lectura por cada medio grado
Ejemplo: lo que devuelve ROS
Sensores de Visión
●
●
●
Sistemas CCD o CMOS (y otros)
Sistema de pin-hole: se pierde
la “perspectiva”
Se produce una discretización
Símil biológico
Sensores CCD
●
CCD: Charge Coupled Device
●
Desarrollado por los laboratorios Bell
●
●
●
Consiste de un chip de silicio foto sensible de
alta densidad. Alta sensibilidad.
Al impactar fotones en cada pixel se genera y
almacena una pequeña corriente que debe ser
amplificada y transmitida
No es posible incluir circuitería extra en el chip
fotosensible por lo que se requiere de chips
extra. Alto consumo.
Tipos de CCD
●
Arrays lineales. Simples o trilineares. Utilizados en escáneres.
●
Array de superficie para cámaras digitales:
●
Mosaico de CCD
●
Triple CCD
●
CCD Único con
exposición triple
Sensor CMOS
●
●
●
●
●
●
Active Pixel Sensor (APS) basado en tecnologí
CMOS
Cada píxel incluye un fotosito sensible a la intensidad
de la luz
El sensor incluye diversas funciones en el mismo
chip: amplificación, control de luminosidad y contraste
y conversor analógico-digital
No sufre de blooming. Lectura en paralelo.
Los píxeles están más dispersos (solución: mayor
integración y microlentes)
Cada pixel incluye su propio amplificador: ruido FPN
CCD vs CMOS