INTRODUÇÃO À ROBÓTICA MÓVEL

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1 INTRODUÇÃO À ROBÓTICA MÓVEL Aua 25 Edson Prestes Departamento de Informática Teórica

2 Odometria and Métodos de Dead-Reckoning Odometria permite boa precisão em curtas distâncias e possui baixo custo. Porém, devido à integração incrementa do movimento do robô, ea eva ao acumuo de erros proporciona à distância navegada. Ea é ampamente usada por sistemas de navegação em : Agoritmos de ocaização, mapeamento, exporação, etc.;

3 Odometria and Métodos de Dead-Reckoning Erros sistemáticos e não sistemáticos Odometria é baseada na idéia de que as revouções da rodas do robô podem ser convertidas em desocamento inear reativo ao chão. Esta idéia é imitada, pois considere o caso onde o robô está navegando por um chão sujo de óeo. Aém disso, existem outras fontes de erros que podem gerar imprecisões na conversão das revoução em desocamento inear: erros sistemáticos e não sistemáticos.

4 Odometria and Métodos de Dead-Reckoning Fontes de Erros Sistemáticos Diâmetro desigua das rodas; Medida do diâmetro modeado difere da medida do diâmetro rea; Desainhamento das rodas; Resoução finita do encoder; Taxa de amostragem das eituras do encoder finita,etc.

5 Odometria and Métodos de Dead-Reckoning Fontes de Erros Não-Sistemáticos Navegação em pisos irreguares; Derrapagem das rodas devido à: Presença de óeo no chão; Aceerações bruscas; Manobras rápidas; Forças externas (interação com objetos), etc.

6 Odometria and Métodos de Dead-Reckoning Erros sistemáticos e não-sistemáticos Na maioria das superfícies de ambientes internos erros sistemáticos contribuem mais para erros de odometria que erros não sistemáticos. Em superfícies irreguares, erros-não sistemáticos são dominantes. Erros não-sistemáticos podem aparecer inesperadamente. Portanto são mais difíceis de serem modeados.

7 Odometria and Métodos de Dead-Reckoning Erros sistemáticos e não-sistemáticos Figura extraída de [4]

8 Locaização É um componente essencia para um robô ser competamente autônomo. Se o robô não sabe sua posição no ambiente ee não pode reaizar nenhuma tarefa de navegação A odometria por si só não é suficiente para ser usada como estimativa da posição do robô, pois, em gera, ea é contaminada por erros sistemáticos e não sistemáticos. Os principais agoritmos são baseados em processo de Fitragem Bayesiana.

9 Locaização Figuras extraídas de [3]

10 Locaização Estimação Probabiística Ao invés de manter uma simpes hipótese de onde o robô está no mundo, mantém uma distribuição de probabiidade sobre o espaço de todas as hipóteses. Este tipo de representação eva em consideração às incertezas presentes na movimentação e no sensoriamento do robô Esta distribuição pode ser mutimoda para indicar situações ambíguas ou unimoda quando a certeza sobre a postura do robô é ata.

11 Locaização Estimação Probabiística Considere que o robô conheça sua posição inicia. Logo,a PDF terá um pico estreito(sharp) no oca correspondente. Quanto mais estreito e ato maior a certeza sobre a estimativa da posição do robô. Quando o robô se desoca, o oca do pico se desoca e devido a incerteza na movimentação, ee se tornará menor e mais argo. Quanto maior a veocidade do robô e o ruído, mais rápido o pico ficará argo. Para evitar isto, é necessário integrar nesta PDF informação sensoria. Isto compensa a perda de informação, fazendo com que o pico se torne mais estreito.

12 Locaização Estimação Probabiística Figuras extraídas de [4]

13 Locaização Fitragem de Kaman Fitragem de kaman fornece uma abordagem recursiva para a estimação de estados de um sistema dinâmico na presença de ruídos. Ee é caracterizado por manter uma estimativa do estado corrente do sistema x e uma matriz de covariância P do erro de estimativa. Podemos visuaizar o Fitro de Kaman como sendo aquee que fornece como saída uma função de densidade probabiística Gaussiana com média x e covariancia P

14 Locaização Fitragem de Kaman Linear Considere o vetor x(k) 2 R n como o estado do robô no instante k 2 N. A evoução do estado do robô e das medidas sensoriais é dada por x(k+1) = F(k)x(k) + G(k)u(k) + v(k) y(k) = H(k)x(k) + w(k) Onde u(k) 2 R m é a entrada para o sistema (veocidades, torque, etc); y(k)2 R p é a saída do sistema e contém os vaores dados peos sensores do robô F(k) 2 R n n codifica a dinâmica do sistema G(k) 2 R n m descreve como as entradas afetam a dinâmica. v(k) 2 R n é o ruído gaussiano com média 0 e matriz de covariância V(k). H(k)2 R p n descreve como o vetor de estado é mapeado para a saída w(k) 2 R p é o ruído gaussiano com média 0 e matriz de covariância W(k).

15 Locaização Fitragem de Kaman Linear Para determinar a mehor estimativa existem dois probemas : presença de ruídos desconhecidos v(k) e w(k), que devem ser eiminados peo Fitro. em gera o estado x(k) não é observáve diretamente a partir das saídas pois H(k) pode não ser invertíve O estado estimado deve ser reconstruído usando o histórico tempora dos sinais y(k) e u(k) com os parâmetros F(k), G(k), H(k), V(k) e W(k). Esta reconstrução é feita por um dispositivo chamado observador. O fitro de Kaman é tanto observador quanto fitro.

16 Locaização Fitragem de Kaman Linear Simpes Observador Considere um sistema discreto sem ruído x(k+1) = F(k)x(k) + G(k) u(k) y(k) = H(k)x(k) H é assumido ser uma matriz fu rank a cada instante k. Logo, o determinante de H não é 0. O observador executará um processo de dois passos. Dada uma estimativa do estado corrente Irá gerar uma predição de acordo com a dinâmica do sistema

17 Locaização Fitragem de Kaman Linear Simpes Observador O segundo passo é corrigir a predição baseada na saída y(k+1) para gerar a próxima estimativa É importante considerar que dada a saída y(k+1) o estado do sistema é restrito ao seguinte hiperpano = {x 2 R n H(k + 1)x = y(k + 1)} Portanto, a mehor estimativa no hiperpano mais próximo de será o ponto

18 Locaização Fitragem de Kaman Linear Simpes Observador x = - x é perpendicuar à Ω coumn(h(k+1)) é o espaço de counas de H(k+1), ou seja, o espaço que corresponde a todas as combinações ineares das counas de H. Logo, Figura extraída de [1] para 2 R p

19 Locaização Fitragem de Kaman Linear Simpes Observador Considere a inovação Como sendo a diferença entre o que os sensores reportam e o que reportariam se a predição estivesse certa. Sabemos que, Logo, pode ser escrito como uma função inear de v, i.e., = Kv, para K 2 R p p. Portanto temos, Lembrando que

20 Locaização Fitragem de Kaman Linear Simpes Observador K deve ser escohido de forma que Substituindo x, encontramos

21 Locaização Fitragem de Kaman Linear Simpes Observador Sistema: Predição: Correção : onde Atuaização:

22 Locaização Fitragem de Kaman Linear Simpes Observador Na atuaização, o ajuste no estado do robô é sempre perpendicuar ao hiperpano Erros na direção paraea à Ω nunca serão corrigidos. Como resutado, o estado estimado não convergirá para o estado rea do sistema na maioria dos casos[1]. A vantagem deste estimador é que as idéias usadas são as mesma do fitro de Kaman.

23 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF O observador anterior produz uma estimativa que é um vetor. A estimativa produzida por um Fitro de Kaman é uma distribuição gaussiana mutivariada. Ou seja, o fitro de kaman aém de fornecer um vetor de estado estimado fornece também uma matriz de covariância do erro da estimativa P(k k).

24 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF Considere o seguinte sistema com ruído na dinâmica, mas sem ruído nas medidas x(k+1) = F(k)x(k) + G(k) u(k)+v(k) y(k) = H(k)x(k) Ruído Onde v(k) 2 R n é um ruído gaussiano de média zero e matriz de covariância V(k). Usando, temos pois o vaor esperado de v(k) é zero

25 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF A matriz de covariância é dada por Substituindo o vaor de e encontramos Após agumas manipuações temos

26 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF Usando a propriedade da soma do vaor esperado, temos Como v(k) é independente de x(k) e de Como E[v(k)]=0, Torna-se

27 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF Para encontrar a equação de atuaização, escohemos que seja o mais prováve ponto no hiperpano = {x 2 R n H(k + 1)x = y(k + 1)} ou seja, o que maximiza a distribuição gaussiana definida por e, i.e., A maximização de P(x), envove a minimização do expoente de e, i.e.,

28 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF A distância e o produto interno de Mahaanobis[1] entre duas variáveis aeatórias x e y e matriz de covariância S são dados por Logo, a minimização de x y 2 M =(x y) T S 1 (x y) Consiste em cacuar x 2 Ω, ou seja, minimizar de forma a = = - M

29 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF é ortogona a Ω com reação ao produto interno de mahaanobis, ou seja, infuenciada por P(k+1 k). Logo, x = P(k+1 k)h(k+1) T Considerando a inovação como Temos x = P(k+1 k)h(k+1) T Ki, para K 2 R p. De forma simiar ao apresentado no observador simpes, temos que ter

30 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF Substituindo x, Encontramos

31 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF Sistema: x(k+1) = F(k)x(k) + G(k) u(k)+v(k) y(k) = H(k)x(k) Predição: Correção: onde Atuaização:

32 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF Como o observador simpes, este novo observador possui aguns probemas[1]: Devido ao fato de não termos considerado ruído na eitura dos sensores, as equações de atuaização farão com que a matriz de covariança se torne singuar. Uma matriz singuar possui determinante igua a 0, o que é coerente com o fato de que as medidas sensoriais não possuem incertezas. Isto prejudica a distribuição gaussiana que usa a inversa da matriz de covariância.

33 Locaização Fitragem de Kaman O fitro de Kaman usa os conceitos e mecanismos apresentados anteriormente, com a diferença de que o sistema é descrito por x(k+1) = F(k)x(k) + G(k) u(k) + v(k) y(k) = H(k)x(k) + w(k) Onde u(k) 2 R m é a entrada para o sistema (veocidades, torque, etc); y(k)2 R p é a saída do sistema e contém os vaores dados peos sensores do robô F(k) 2 R n n codifica a dinâmica do sistema G(k) 2 R n m descreve como as entradas infuênciam a dinâmica. v(k) 2 R n é o ruído gaussiano com média 0 e matriz de covariância V(k). H(k)2 R p n descreve como o vetor de estado é mapeado para a saída w(k) 2 R p é o ruído gaussiano com média 0 e matriz de covariância W(k).

34 Locaização Fitragem de Kaman Observando com uma PDF Sistema: x(k+1) = F(k)x(k) + G(k) u(k)+v(k) y(k) = H(k)x(k) + w(k) Predição: Correção: onde Novo termo Atuaização:

35 Locaização Fitragem de Kaman Exempo Dead Reckoning Considere um robô que se move em inha reta com estado e u como sendo a força que se apica ao robô. Sabemos pea segunda ei de newton que ou Logo, o próximo estado do robô é dado por Ruído gaussiano com média zero O robô possui um sensor que mede veocidade.

36 Locaização Fitragem de Kaman Exempo Dead Reckoning Em [1], são assumidos os seguintes parâmetros m=1, T=0.5, W=0.5 (variância na medida) e matriz de covariância V No instante k

37 Locaização Fitragem de Kaman Exempo Dead Reckoning Figuras extraídas de [1]

38 Locaização Fitragem de Kaman Exempo Dead Reckoning A incerteza diminuiu na direção vertica devido à informação obtida peo sensor de veocidade, porém existe perda de informação na direção da posição. Este probema não ocorre devido ao Fitro de Kaman, mas devido ao fato do sistema não ser observáve, ou seja, o estado do sistema não pode ser recuperado a partir das saídas disponíveis. Logo, o erro esperado irá crescer iimitadamente. Se o sistema é observáve, a estimativa fornecida peo Fitro de Kaman converge, ou seja, o erro esperado entre o estado atua e o estado estimado é imitado. Figura extraída de [1]

39 Locaização Fitragem de Kaman Fitro de Kaman Estendido Em gera, os sistemas dinâmicos são não-ineares. Portanto, temos que estender o Fitro de Kaman para tratar a não-inearidade do sistema. Considere o seguinte sistema A fase de predição é dada peas equações onde

40 Locaização Fitragem de Kaman Fitro de Kaman Estendido Correção: onde e

41 Locaização Fitragem de Kaman Exempo - Fitro de Kaman Estendido Considere um robô capaz de detectar andmarks previamente mapeados no ambiente. O estado do robô no instante k é dado por E a entrada de controe é dada por as veocidades inear e anguar. onde u 1 (k) e u 2 (k) representam O sistema dinâmico é dado por O ambiente possui n andmarks com posição porém o robô consegue apenas ver apenas uma quantidade p(k) a cada instante k. A função abaixo associa cada andmark visto com os conhecidos previamente.

42 Locaização Fitragem de Kaman Exempo - Fitro de Kaman Estendido A saída do sistema é dada por com Como a dinâmica do sistema é dada por A Jacobiana de f é Lembrando que

43 Locaização Fitragem de Kaman Exempo - Fitro de Kaman Estendido A matriz H que é usada para produzir a saída do Fitro é definida por com Lembrando que

44 Locaização Fitragem de Kaman Exempo - Fitro de Kaman Estendido A abordagem apresentada assume que a associação entre cada medida com o andmark já conhecido é feita corretamente, sem erros. Na prática, esta associação pode não ser tão fáci!! já que os andmarks podem ser muito parecidos. Este probema é chamado Associação de Dados, ou Data Association. A idéia básica para a associação de dados é considerar para cada medida i ( y i (k+1)) e andmark j um vaor de inovação v ij A medida y i (k+1) é associada ao andmark j que produza a menor inovação de acordo com a norma de Mahaanobis. Esta norma incorpora as incertezas associadas à predição e às medidas.

45 Locaização Fitragem de Kaman Exempo - Fitro de Kaman Estendido Figura extraída de [1]

46 Simpe SLAM - Fitragem de Kaman Estado do sistema Posição do robô Veocidade no eixo x e no eixo y Posições dos andmarks Erros associados ao desocamento A cada instante de tempo o robô consegue ver todos os andmarks, e pode distingui-os. Não temos o probema de associação de dados.

47 Simpe SLAM - Fitragem de Kaman Estimativa da posição para o andmark i Saída produzida peo Fitro Através deste conjunto de equações para o Fitro de Kaman Estendido, estamos estimando tanto a posição do robô quando dos andmarks Matriz de covariância associada ao ruído w(k)

48 Simpe SLAM - Fitragem de Kaman Como transformar este exempo em um SLAM efetivo, capaz de fornecer uma estimativa sobre a posição do robô e dos andmarks desconhecidos presentes no ambiente? A chave é verificar se um andmark é novo ou é agum já armazenado no mapa. Isto é feito através norma de Mahaanobis apicada ao termo de inovação Se o vaor mínimo encontrado é maior que um dado imiar, então o andmark é novo devendo ser iniciaizado e adicionado ao mapa.

49 BIBLIOGRAFIA [1] H. Choset, K. Lynch, S. Hutchinson, G. Kantor, W. Burgard, L.Kavraki, S. Thrun. Principes of Robot Motion : Theory, Agorithms, and Impementations. MIT Press [2] D. Fox, W. Burgard and S. Thrun. Markov Locaization for mobie robots in dynamic environments. Journa of Artificia Inteigence Research (JAIR), 11: , [3] S.Thrun. Learning Metric-Topoogica Maps for Indoor Mobie Robot Navigation. Artificia Inteigence, v.99, n. 1, 21-71,1998. [4]. S. Thrun, W. Burgard, and D. Fox. Probabiistic Robotics. MIT Press, Cambridge, MA, 2005.