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Introducción a la robótica basada en comportamientos




Enviado por Pablo Turmero



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    Percepción y actuación Tipos de ambientes
    Dispositivos de sensado Esquemas de percepción

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    Es aquello con lo que un agente (robot) interactua. Ambiente
    (Gp:) Percepción, Actuación y toma de decisiones
    (Gp:) Sensores, actuadores, estructura física (Gp:)
    Entorno

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    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.

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    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

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    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.

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    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.

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    Cada sensor devuelve un valor entre 0 y 1023 dependiendo del
    entorno circundante Posibles estados : 210 x 210 x … =
    280

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    Markovianos/ no markoviano Si la decisión de realizar una
    acción depende exclusivamente del estado actual del
    sistema (i.e. la representación actual del entorno)

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    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)

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    Sensores de proximidad infrarrojos Emisor IR Sensor IR
    Rápidos Económicos Pueden sensar en ausencia de luz
    ambiente Livianos y pequeños Sujetos a ruido

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    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

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    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.

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    Ejemplo: Devantech SRF04

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    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.

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    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.

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    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).

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    Sensor para un encoder absoluto Arreglo de detectores Expansor de
    haz. Fuente de luz Lente de colimado Lente cilíndrica
    Encoder Binario Grey

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    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.

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    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)

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    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.

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    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.

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    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

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    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.

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    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

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    Ejemplo: Trak-Star Ultrasonic Speed Sensor

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    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

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    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.

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    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

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    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).

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    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)

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    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)

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    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.

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    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.

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    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.

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