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1. Introducción a la robótica basada en
comportamientos
(parte 2)
Departamento de Computación
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad de Buenos Aires

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

3. Es aquello con lo que un agente (robot) interactua.
Ambiente
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.

4. 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.

5. Estático/Dinámico
Será estático todo ambiente que no cambie mientras el
agente está interactuando con él. No necesita tener
modelos de comportamiento 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.

6. 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.

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

8. 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)

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

10. 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

11. 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.

12. Ejemplo: Devantech SRF04

13. 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 periodicamente [Cox, 1991].
Encoder
Un haz de luz es períodicamente 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.

14. Hay dos tipos básicos de encoders:
incremental
absolute.
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.

15. 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).

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

17. 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.

18. 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)

19. 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.

21. 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.

22. 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

23. 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 tardo en volver (por cambio de fase, o por
una marca en la señal o enviando un paquete con un horario de
salida especifico). Las señales que se envían para ser reflejadas
pueden ser de radio o haces de luz laser.

24. 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

25. Ejemplo: Trak-Star Ultrasonic Speed Sensor

26. 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

27. Propiocepción refiere a la percepción asociada a un estímulo
proveniente del mismo organismo. Por ejemplo, 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.

28. 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

29. 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).

30. 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)

31. 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)

32. 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.

33. 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.

34. 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.