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Fundamentos de Navegación Autónoma de Robots

DOCENTES

Nelson Acosta. Doctor Ingeniero en Informática Universidad Autónoma de Madrid. Profesor Titular Facultad de Ciencias Exactas, Tandil. Docente de Posgrado. Investigador. Autor de publicaciones.

Dr. Juan Toloza. Doctor en Ciencias Informáticas, Facultad de Informática,  UNLP. Docente de Grado. Autor de publicaciones.

DESTINATARIOS

Profesionales informáticos

REQUISITOS

Título de grado de carreras afines, con conocimientos de programación y rudimentos matemáticos

FUNDAMENTACIÓN

Una de las habilidades necesarias para que un robot funcione, es la navegación autónoma. Se entiende por navegación autónoma a la capacidad de ir de un punto del espacio a otro evitando obstáculos.
Este proceso que parece tan simple ha requerido de años de investigación antes de que se haya podido implementar en un robot móvil. Los retos de la navegación autónoma son: a) Localización: el robot debe saber en todo momento dónde se encuentra. b) Mapeo: el robot debe saber construir una representación de su entorno o mapa. c) Planificador de rutas: el robot debe saber calcular el mejor camino para llegar a su destino. d) Seguimiento de rutas: el robot debe ser capaz de seguir la ruta calculada evitando obstáculos.
Los usos de la navegación autónoma responden a la necesidad de facilitar ciertas tareas como por ejemplo, el transporte de mercancías que se puede desarrollar en ámbitos peligrosos (minas, canteras, campos en zonas inhóspitas, etc.) o para el desplazamiento de humanos, permitiendo el  desplazamiento entre puntos sin dificultad y con máxima seguridad.
Por otra parte, esta tecnología no sólo es requerida en ámbitos como la NASA y la exploración espacial o submarina o ambientes tóxicos altamente contaminados. En los últimos años, los avances tecnológicos han permitido la adopción de técnicas innovadoras en el campo de la agricultura, aumentando la rentabilidad económica y reduciendo el impacto medioambiental. Así surge la denominada Agricultura de Precisión (AP), que engloba tecnologías y prácticas encaminadas a minimizar el uso de productos agroquímicos, mientras se asegura un control efectivo de plagas, malas hierbas y enfermedades, a la vez que se suministra una cantidad de nutrientes adecuada a los cultivos.
A pesar de los beneficios potenciales suministrados por la AP una de las grandes barreras para su adopción como práctica habitual es el coste asociado tanto en complejidad como en tiempo. Por ejemplo, sin una automatización mínima en el tractor, aplicar herbicida en dosis variables es una tarea que un agricultor no aborda por la dificultad de atender simultáneamente al guiado manual del vehículo y a la apertura selectiva de las secciones de la barra de fumigación en función de la cantidad de mala hierba percibida. Por ello, una buena práctica agrícola orientada a la AP requiere una gran automatización de las tareas agrícolas. Con esta finalidad, se han desarrollado manipuladores automáticos que permiten al agricultor adoptar el papel de supervisor en tarea de cosechado, poda, o recolección de frutos. Las prestaciones de estos manipuladores son buenas pero deben ser transportados por un vehículo al igual que los operarios.
En esta dirección, existe una tendencia actual en el mercado hacia el desarrollo de sistemas de guiado automático, donde no se prescinde del conductor pero se le proporciona un dispositivo de guiado que le ayuda en la conducción y le permite seguir con mayor precisión trayectorias.
Todas estas aplicaciones requieren los fundamentos de tecnología que se presentan en este curso. Si bien no se pretende formar expertos en el tema,  se realizará en el mismo una aproximación a la problemática asociada a la navegación autónoma.

OBJETIVOS

  • Entender la problemática asociada al uso de robots físicos autónomos en ambientes no estructurados y complejos.
  • Proveer los conocimientos necesarios para comprender el funcionamiento de dispositivos para la medición de variables (sensores) y la transformación de señales eléctricas en mecánicas (actuadores).
  • Conocer y utilizar herramientas de programación de sistemas robóticos.
  • Utilizar con fluidez herramientas conceptúales de navegación de robots.
  • Adquirir y emplear un buen lenguaje formal, tanto oral como escrito, siendo riguroso en las explicaciones de cualquier proceso.
  • Resolver situaciones reales en la navegación autónoma de un robot, relacionadas con los sistemas de sensores, actuadores, modelos cinemáticos, modelos dinámicos, restricciones ergonométricas, arquitecturas de control, navegación, rastreo y búsqueda.
  • Desarrollar la madurez necesaria en el proceso de abstracción para abordar problemas reales, plantear modelos y soluciones de forma razonada y correcta.
  • Reforzar  el  hábito  de  desarrollar  diferentes  alternativas, cuestionando  las características, riegos y viabilidad de cada una, para cada problema planteado

PROGRAMA

1.-Introducción a la Robótica. Estructura de un Robot. Cinemática y Dinámica de un Robot. Control de Robots. Programación. Introducción a la robótica autónoma. Conceptos básicos. Consideraciones de diseño. Ergonometria. Partes de un robot. Control de robots. Convertidores A/D y D/A.
2.-Sensores de Posición: Medición de Angulo. Codificadores angulares ópticos (incrementales y absolutos).  Acelerómetros. Sensores de Orientación: Brújulas, giroscopios (mecánicos, ópticos, por medición de flujo magnético). Sensores para Medición de Distancias: Basados en “tiempo de vuelo” (láser y ultrasónicos), medición de corrimiento de fase, modulación de frecuencia, ranger (láser y cámaras).
3.-Actuadores: Servomotores (motores Stepper, DC Brush/Brushless, AC, Synchros/Resolvers). Drives Electrónicos: rectificadores (conversores ac-dc), choppers (conversores dc-dc, puentes H / cuatro cuadrantes), inversores (conversores dc-ac), modulación de ancho de pulso (PWM), y controladores para motores. Actuadores neumáticos e hidráulicos. Configuraciones de Robots Móviles (tracción diferencial, triciclo, synchro, omnidireccional, dirección de Ackerman).
4.-Sistemas de Localización y Telemetría RF: Sistemas RF terrestres para telemetría y mallas de navegación. Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y WiFi. Otros sensores: Contacto y proximidad. Cámaras (arrays CCD, CMOS, CID).
5.-Técnicas para Posicionamiento y Navegación: Odometría y Dead Reckoning. Navegación Inercial (con  giroscopios y acelerómetros). Odometría óptica. Posicionamiento basado en Faros Activos (métodos de triangulación). Navegación basado en marcas del terreno (naturales, artificiales, sistemas de visión). Representación de mapas (continua, celdas exactas, celdas variables, rejillas de ocupación, topología).
6.-Navegación autónoma. Arquitecturas para navegación. Técnicas de Navegación Local: radios de curvatura, carriles, campos de potencial. Técnicas de Navegación Global: grafo de visibilidad, diagramas de Voronoi, celdas exactas, celdas fijas, celdas adaptativas, celdas trapezoidales, celdas enrejado.
7.-Técnicas para Planificación. Planteamiento del problema. Planificación Local para la evasión de obstáculos (bug1, bug2, vector field histogram, burbujas, curvatura máxima, ventana dinámica). Planificación Global. Técnicas, Topológica, NF1 o expansión de frente de ondas, campos de potencial, campo de potencial extendido, campos de potencial armónico.

 BIBLIOGRAFÍA

– Angulo J.M., “Robótica Práctica. Tecnología y Aplicaciones”. Editorial Paraninfo. 2008
– Angulo U. J. María Angulo M, Ignacio, Romero Y. Susana, “Introducción a la Robótica” Editorial Paraninfo. 2005
– Barrientos A., Peñin L.F., Balaguer C., Aracil R., “Fundamentos de Robótica”. Editorial McGraw Hill. 1997
– Borenstein, J, Everett, H. R, and Feng, L. “Where am I? Systems and Methods for Mobile Robot Positioning”. Editorial Mc Graw-Hill. 2006
– Buil Armengol Pedro, “Navegación básica”, Editorial OMEGA. 2010
– Cook, Gerald, “Mobile Robots: Navigation, Control and Remote Sensing”. Editorial IEEE – Wiley. 2010
– Cuesta, F; Ollero, A, “Intelligent Mobile Robot Navigation”. Editorial Springer (Advanced Robotics) 2005
– Cuesta, A. Ollero, “Intelligent Mobile Robot Navigation” Vol. 16. F: 2005, XIV, 204 p. Editorial Springer Tracts in Advanced Robotics. 2005
– Gómez de Gabriel, J,  Ollero, A y García Cerezo, A.  “Teleoperación y Telerrobótica” Editorial Pearson-Prentice Hall. 2006
– Martin, F. G. “Robotic explorations: a hands-on introduction to engineering”. Editorial Prentice-Hall. 2001
– Mc Comb, G.; Predko, M, “Robot builder’s bonanza”. Editorial McGraw-Hill. 2006
– Ma, Y, Soatto, S, Kosecka, J, Sastry, S. “An Invitation to 3-D Vision From Images to Models”. Editorial Springer Verlag. 2003
– Meijer, G. “Smart Sensor Systems”, Editorial Wiley-Interscience. 2008
– Pons, J. L.  “Emerging Actuator Technologies: A Micromechatronic”, Editorial John Wiley & Sons. 2005
– Siegwart, R, Nourbakhsh, I. R, Scaramuzza, D “Introduction to Autonomous Mobile Robots”. Ed. Ronald C. Arking. 2009
– SPIE vol. PM136. “Actuators as Artificial Muscles: Reality, Potential, and Challenges”. Editado por SPIE. 2004

CARGA HORARIA

60 horas

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Fecha de inicio: 1 de Septiembre de 2014
Diez clases presenciales durante el mes de septiembre. Los lunes 1, 8, 15, 22 y 29 de 14 a 20 horas y martes 2, 9, 16, 23 y 30 de 9 a 13 horas.
Sede: Junín

MODALIDAD DEL CURSO

Presencial. Se requiere 80 % (ochenta) de asistencia

MODALIDAD DE EVALUACIÓN

– Desarrollo de trabajo especial, a desarrollar mayormente durante las 20 horas de prácticas especiales.
– Desarrollo de una monografía, a desarrollar mayormente durante las 20 horas de prácticas especiales.
– Examen oral

INFORMES

Por mail a: cursosposgrado@unnoba.edu.ar
Teléfonos: 236-4407750 (interno 12500) – Junín | 2477-409500 (interno 21201) – Pergamino