Percepción y actuación Tipos de ambientes
Dispositivos de sensado Esquemas de percepción
Es aquello con lo que un agente (robot) interactua. Ambiente
(Gp:) Percepción, Actuación y toma de decisiones
(Gp:) Sensores, actuadores, estructura física (Gp:)
Entorno
Accesible/Inaccesible Si los sensores proporcionan todo lo que
hay que saber sobre el estado completo del ambiente – necesario
para elegir una acción – entonces el ambiente es accesible
al agente. Si el ambiente no es accesible, se puede recurrir a un
modelo del mundo para que el robot pueda interactuar con
él. Parcialmente observables Si la descripción del
entorno es incompleta respecto a la información necesaria
para tomar un acción adecuada. Perceptual aliasing El
robot percibe dos estados diferentes del sistema como el mismo
estado. Esto es, su descripción es parcial.
Determinístico/No-determinístico
(estocástico) Si el estado siguiente del ambiente
está determinado plenamente por el estado presente del
mismo, y por la acción del agente – se trata de un
ambiente determinístico.. Ejemplo de ambiente parcialmente
accesible pero determinístico que es percibido como
estocástico. (Gp:) Estado actual: 1,1 Acción: girar
izq 90 º Estado nuevo: 1,1 (Gp:) Estado actual: 1,1
Acción: girar izq 90 º Estado nuevo: 0,1
Estático/Dinámico Será estático todo
ambiente que no cambie mientras el agente está
interactuando con él. No necesita tener modelos de la
dinámica del sistema. Ejemplo de fútbol de robots
(video) Sin adversario/con adversarios En un ambiente con
adversarios, hay otros agentes que pueden impedir que el robot
cumpla un objetivo. La presencia de adversarios puede requerir
modelos de predicción del comportamiento de otros
agentes.
Discreto/Continuo Un ambiente es conitnuo si la
descripción completa del mismo puede adoptar infinitos
estados. Si bien un ambiente puede ser continuo, en general, su
representación producto del procesamiento de la
señal de los sensores, usualmente es discreta. Aún
una representación discreta el estado del sistema puede
constituir un conjunto lo suficientemente grande como para ser
tratado exahustivamente. Ejemplo del Khepera. Cluster
aliasing.
Cada sensor devuelve un valor entre 0 y 1023 dependiendo del
entorno circundante Posibles estados : 210 x 210 x … =
280
Markovianos/ no markoviano Si la decisión de realizar una
acción depende exclusivamente del estado actual del
sistema (i.e. la representación actual del entorno)
Dispositivos de sensado Posicionamiento relativo Odometría
(encoders, sensores Doppler) Sensado inercial (giróscopos,
acelerómetros y compases) Sensores de proximidad
Telémetro por ultra-sonido o IR Posicionamiento absoluto
(Por faros o marcas, GPS)
Sensores de proximidad infrarrojos Emisor IR Sensor IR
Rápidos Económicos Pueden sensar en ausencia de luz
ambiente Livianos y pequeños Sujetos a ruido
Detalle Microprocesador o microcontrolador Entrada/salida general
(1 o 0) Driver Emisor Sensor Conversor analógico/digital
… Sensa radiación IR ambiente Sensa radiación IR
reflejada BUS Algoritmo Hacer desde i=1 hasta n a ? Sensar
radiación ambiente activar emisor r?Sensar
radiación reflejada s(i) ? r-a desactivar emisor Retornar
suma( s(i) ) / n
Telémetro por ultra-sonido Se emite una señal de
ultrasonido (no audible) y se espera la señal que rebota.
El tipo de superficie y forma del objeto influyen en la
señal recibida de vuelta. Gracias al tiempo transcurrido
se puede estimar la distancia. La propagación del sonido
es 0,3 m/mseg. Por lo tanto un obstáculo a 3 metros
producirá una demora de 20 mseg y uno a 30 cm una demora
de 2 mseg.
Ejemplo: Devantech SRF04
Posicionamiento relativo Este método usa encoders para
sensar la rotación de la rueda y/o rotación de la
dirección. La odometría tiene la ventaja que no
requiere de exteroceptores y es capaz de proveer al robot una
estimación de su posición. La desventaja es que el
error de la posición crece en forma divergente al menos
que una referencia externa pueda ser usada periódicamente
[Cox, 1991]. Encoder Un haz de luz es periódicamente
interrumpido por un disco ranurado o reflejado por una superficie
con contrastes brillantes y opaca. Uno o mas discos
está/án asociado/s con cada actuador.
Hay dos tipos básicos de encoders: incremental, absoluto.
El encoder incremental mide velocidad rotacional de la cual se
puede obtener el desplazamiento de la posición del robot.
El encoder absoluto mide exactamente la posición angular
de la cual se puede obtener velocidad. El tipo de
codificación necesaria para un encoder absoluto hace que
su uso sea restrictivo a aquellas situaciones donde
definitivamente el posicionamiento relativo es
insuficiente.
Encoder por cuadratura de fase Los sensores están
dispuestos de modo que sus señales están desfasadas
un ángulo determinado (fijado por el ángulo entre
marcas del encoder).
Sensor para un encoder absoluto Arreglo de detectores Expansor de
haz. Fuente de luz Lente de colimado Lente cilíndrica
Encoder Binario Grey
Ejemplo de odometría para un móvil de dos ruedas.
Supongamos que en un intervalo de tiempo t el encoder izquierdo
genera un cambio de Ni cuentas, y el derecho de Nd cuentas. El
factor de conversión f entre cuentas y desplazamiento es f
= ?D / R donde R es la resolución del encoder (en cuentas
por vuelta) y D el diámetro de la rueda. La distancia
recorrida por cada rueda fue Li/Ld = f * Ni / Nd y así el
centro del robot C se desplazó LC LC = (Li + Ld) / 2. C ?
Y el cambio de dirección realizado será ?? = (Ld –
Li) / B donde B es la distancia entre ruedas.
Si x (0), y (0), ?(0) eran las coordenas previas del robot, los
valores luego del movimiento son ?(t) = ?(0) + ?? x(t) = x(0) +
LC cos ?(t) y(t) = y(0) + LC cos ?(t)
Sensores de dirección En odometría, un
pequeño error en el desplazamiento del ángulo
produce un constante y creciente error en la posición.
Principio del giróscopo Se basa en mantener la ortogonal
del sentido de giro de un cuerpo con masa no despreciable.
Cualquier movimiento que se realice no perturbará la
dirección de la ortogonal y por lo tanto esa
dirección servirá de referencia. Compases Se basan
en algún principio de sensado magnético para
detectar los cambios producidos por un movil respecto al campo
magnético de la tierra.
La señal del PWM (pulse width modulated) prolonga su
duración (alta) en forma proporcional al ángulo
sensado. El ancho del pulso varía desde 1mseg. (0°)
hasta 36.99mseg. (359.9°). Esto es, 1 mseg de grado
representa 100 microseg. de extensión del pulso. La
señal baja durante 65 mseg. Entre dos pulsos dando una
cota sobre la frecuencia de muestreo. El valor del ángulo
sensado también es accesible por un canal serie I2C.
Métodos de posicionamiento por triangulación
Básicamente, siempre hay disponibles, al menos 2 faros.
Cada faro puede funcionar como un emisor, o como un reflector.
robot Faro 1 Faro 2
Si el faro funciona como un emisor, el mismo está
calibrado sincronicamente con el receptor (o sea, el robot) y lo
que el robot mide es cuanto tardó en llegar emitida por
cada faro. También se puede medir la degradación de
la potencia de la portadora en sistemas de RF (la
degradación de la potencia de la señal es
función de la distancia). Si el faro funciona como
reflector, el emisor envía una señal y mide el
tiempo que tardó en volver (por cambio de fase, o por una
marca en la señal o enviando un paquete con un horario de
salida específico). Las señales que se
envían para ser reflejadas pueden ser de radio o haces de
luz laser.
Sensores Doppler El principio de funcionamiento se basa en el
cambio de frecuencia observado cuando una señal (de una
frecuencia conocida) se refleja sobre una superficie que se
está moviendo respecto del observador (robot). donde VA es
es la velocidad del robot VD es la velocidad medida por Doppler ?
es el ángulo de inclinación c es la velocidad de la
luz FD es el corrimiento de la frecuencia de la señal FO
es la frecuencia transmitida
Ejemplo: Trak-Star Ultrasonic Speed Sensor
Evidencia neurobiológica: la información es tratada
simultáneamente por varias estructuras. Hay evidencias que
una parte del cerebro es dedicada a reconocimiento de una forma
(object vision stream) y otra parte es dedicada al entorno, por
ejemplo, útil para locomoción (spatial vision
stream). Evidencia desde la psicología del comportamiento:
affordance es la actividad que un organismo de una cierta clase
puede realizar cuando encuentra una entidad en el espacio
sensorial de una cierta clase. Esto es, las acciones son
dirigidas por la percepción. Y viceversa. La
percepción es dirigida por la acción a realizar.
Acción y percepción
Propiocepción refiere a la percepción asociada a un
estímulo proveniente del mismo organismo. Por ejemplo,
esto puede ser útil para la integración de un
recorrido (path integration), en donde las distancias recorridas
por insectos o arañas son almacenadas de alguna manera y
usadas por los mismos para volver a su cueva (Arkin).
Exterocepción refiere a la percepción de
estímulos ajenos a un organismo.
El mundo es percibido en base a (las necesidades de) la
acción a realizar. Por ejemplo, si el robot necesita ir de
A a B y en el medio hay una silla, los requerimientos de
percepción sobre la silla se limitan a identificarla como
obstáculo. Si el robot necesita encontrar una silla, en un
entorno con múltiples objetos, los requerimientos sobre un
obstáculo incluyen su identificación. La tarea a
ser realizada determina la estrategia perceptual y el
procesamiento requerido. Percepción orientada por la
acción
Percepción selectiva (Simmons 1992) Visión con un
propósito (Aloimonos y Rosenfeld 1991) Visión
Localizada (Horswill y Brooks 1988) Percepción orientada a
la tarea (Rimey 1992) Todas estas definiciones están
estrechamente relacionadas con percepción orientada por la
acción. Todas contrastan con el clásico enfoque de
visión donde la percepción es usada para
reconstruir el mundo (geométricamente u obtener una
abstracción del mismo, como por ejemplo, tal cosa
está a la izquierda o encima de otra).
Los sistemas basados en comportamiento pueden organizar su
percepción (percepción orientada por la
acción) de acuerdo a : Sensado dividido (Sensor fission)
Sensado fusionado dirigido por la acción (action-oriented
sensor fusion) Sensado en secuencia (sensor fashion)
Comportamiento 1 Percepción A Respuesta i Comportamiento 2
Percepción B Respuesta ii Comportamiento 3
Percepción C Respuesta iii Cada percepción
(percept) está asociada a un comportamiento
específico. La percepción puede estar asociada a un
sensor (o grupo de sensores) específico o a una
combinación de los mismos. Por ejemplo, si el sensor de
choque es activado se activará el comportamiento de
huída. En cambio, si el sensor de luz es estimulado,
será activado el comportamiento de ir hacia la luz.
Sensado dividido (Sensor fission)
Comportamiento 1 Percepción A Respuesta i Sensado
fusionado dirigido por la acción (action-oriented sensor
fusion) Percepción B Percepción C fusión Los
distintos métodos de sensado en un robot son
complementarios o contradictorios. Por ejemplo, un sensor de
proximidad -IR o sonar – promueve o no considerar la señal
de un telémetro y este, a su vez, promueve o no usar la
imagen captada por una cámara en un comportamiento de
alcanzar un objetivo específico. Otro ejemplo, para seguir
un camino un compás puede fusionar con detección de
bordes en forma complementaria.
Comportamiento 1 Percepción A Respuesta i Sensado en
secuencia (sensor fashion) Percepción B Percepción
C Un comportamiento se desencadena cuando una secuencia temporal
de percepciones es detectada. La percepción (percept) es
la secuencia.
Los requerimientos de percepción determinan la
acción del robot. Percepción activa Basadas en
expectativas Suelen requerir un modelo o memoria. Por ejemplo,
donde esperar percibir un objeto que recién fue percibido.
¿Cómo esperar percibir un objeto determinado cuando
hay pistas, en base a sensado, que puede estar frente a
él? Con foco de atención Tienden a disminuir la
carga de procesamiento de la señal o focalizan la
percepción sobre algún conjunto de sensores.