Sbia 2010-tutorial-slides-part-i

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Sbia 2010-tutorial-slides-part-i

  1. 1. 24/10/2010 1 SBIA 2010 # 1 Desafios da Inteligência Artificial:Desafios da Inteligência Artificial: Pesquisa e Desenvolvimento de RobôsPesquisa e Desenvolvimento de Robôs Móveis e Veículos AutônomosMóveis e Veículos Autônomos Denis F. Wolf Fernando S. Osório Kalinka R. J. Castelo Branco Universidade de São Paulo – USP - ICMC Grupo de Sistemas Embarcados, Evolutivos e Robóticos - SEER Laboratório de Robótica Móvel – LRM – Http://www.lrm.icmc.usp.br/ INCT – Sistemas Embarcados Críticos – Http://www.inct-sec.org/ Denis F. Wolf Fernando S. Osório Kalinka R. J. Castelo Branco Universidade de São Paulo – USP - ICMC Grupo de Sistemas Embarcados, Evolutivos e Robóticos - SEER Laboratório de Robótica Móvel - LRM INCT – Sistemas Embarcados Críticos SBIA SBRN JRI-LARS SBIA 2010 # 2 Laboratório de Robótica Móvel – ICMC/USP Robôs Móveis e Veículos Autônomos:Robôs Móveis e Veículos Autônomos: Pesquisa, Desenvolvimento e DesafiosPesquisa, Desenvolvimento e Desafios na área da Inteligência Artificialna área da Inteligência Artificial
  2. 2. 24/10/2010 2 SBIA 2010 # 3 Robôs Móveis e Veículos Autônomos: Pesquisa, Desenvolvimento e Desafios na área da I.A. • Parte I: Domingo, 24 de Outubro de 2010 Introdução à Robótica Móvel Inteligente História, Evolução, Sensores e Atuadores, Arquit. de Controle Técnicas e Algoritmos aplicados em Robôs Inteligentes Localização, Mapeamento, Navegação e Controle • Parte II: Domingo, 24 de Outubro de 2010 Desenvolvimento de Projetos de Robótica Inteligente Mapeamento de Terrenos, Visão Computacional Veículos Móveis Autônomos: Terrestre e Aéreo Apresentação de Aplicações de Robótica Inteligente SBIA 2010 # 4 Introdução a Robótica • Robôs: O Início... RUR (Rossum's Universal Robots) Ficção Científica
  3. 3. 24/10/2010 3 SBIA 2010 # 5 Introdução a Robótica • Robôs Manipuladores de Base Fixa: Braços Manipuladores – Aplicações Industriais Robôs Soldadores Robôs de Pintura Exemplos: PUMA, KUKA, CanadaARM Robix SBIA 2010 # 6 Introdução a Robótica • Robôs Manipuladores de Base Fixa: Braços Manipuladores – Aplicações Industriais Tic-Tac-Toe Scripts de Controle do Braço Robótico
  4. 4. 24/10/2010 4 SBIA 2010 # 7 Introdução a Robótica • Robôs Manipuladores de Base Fixa: Braços Manipuladores – Tele-Operados Justin (Nasa) “copiando movimentos” Não é tão fácil como parece: -Visão 3D (profundidade) - Tato (feed-back / “haptic”) Robonaut / Justin Nasa SBIA 2010 # 8 Introdução a Robótica • Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente * Robôs Móveis Tele-Operados, Guiados por Marcações (AGV) * Robôs Móveis Semi-Autônomos 1912 - Electric Dog: http://davidbuckley.net/DB/HistoryMakers.htm Mars Rovers AGV – Automated Guided Vehicles Robôs Submarinos
  5. 5. 24/10/2010 5 SBIA 2010 # 9 Introdução a Robótica • Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente * Robôs Móveis Tele-Operados 1997 Mars Rover: Soujourner / PathFinder Ooops!!! SBIA 2010 # 10 Introdução a Robótica • Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente * Robôs Móveis Tele-Operados Data Glove – Redes Neural Artificial para Reconhecer Gestos Controle Remoto do Veículo (apenas comandos)
  6. 6. 24/10/2010 6 SBIA 2010 # 11 Introdução a Robótica • Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente Em busca do desenvolvimento de Robôs Móveis Autônomos e Inteligentes History: http://davidbuckley.net/DB/HistoryMakers.htm Nova Geração: Pioneer, iRobot Roomba, Boston Dynamics Big Dog, Sony Aibo, Honda Asimo, Aldebaran NÃO Asimo - Blooper SBIA 2010 # 12 Introdução a Robótica • Robôs Móveis: Robôs com capacidade de deslocamento no ambiente Em busca do desenvolvimento de Robôs Móveis Autônomos e Inteligentes Darpa Grand Challenge Robot Nao from Aldebaran Darpa Urban Challenge Nao
  7. 7. 24/10/2010 7 SBIA 2010 # 13 Robôs Móveis Scientific American - January 2007 A Robot in Every Home The leader of the PC revolution predicts that the next hot field will be robotics By Bill Gates Imagine being present at the birth of a new industry. It is an industry based on groundbreaking new technologies, wherein a handful of well-established corporations sell highly specialized devices for business use and a fast-growing number of start-up companies produce innovative toys, gadgets for hobbyists and other interesting niche products. But it is also a highly fragmented industry with few common standards or platforms. Projects are complex, progress is slow, and practical applications are relatively rare. In fact, for all the excitement and promise, no one can say with any certainty when--or even if--this industry will achieve critical mass. If it does, though, it may well change the world. Of course, the paragraph above could be a description of the computer industry during the mid-1970s, around the time that Paul Allen and I launched Microsoft. SBIA 2010 # 14 Elementos dos Robôs Móveis • Robô Móvel: Agente capaz de PERCEBER o ambiente e AGIR sobre este ambiente Percepção: Sensores Ação: Atuadores Agente: Comportamento Decisão Controle
  8. 8. 24/10/2010 8 SBIA 2010 # 15 • Robô Móvel: Agente capaz de PERCEBER o ambiente e AGIR sobre este ambiente Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores SBIA 2010 # 16 Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores Tipos de Sensores: Sensores usados no LRM
  9. 9. 24/10/2010 9 SBIA 2010 # 17 Tipos de Sensores Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores Encoder Bumper Sonar SBIA 2010 # 18 Tipos de Sensores Sensores LASER (Lidar - Light Detection and Ranging) Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores Wikipedia: Lidar
  10. 10. 24/10/2010 10 SBIA 2010 # 19 Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores Tipos de Sensores: Veículos do LRM Instrumentados com Sensores Sensores: Laser Sick (x2), GPS, Bússola, Câmera Vídeo, Câmera Termal, Câmera Estéreo, Encoders (roda e barra da direção), Acelerômetro (Unidade Inercial - IMU) http://www.lrm.icmc.usp.br/ SBIA 2010 # 20 Sensores: Laser SICK, GPS, Câmera de Vídeo Adicional: Bússola, IMU (Inercial) Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores Tipos de Sensores Sensores LASER (Lidar) + GPS + Câmera Veículo equipado com Laser SICK LMS2xx Resolução: ~10 mm Distância Máxima: 80 mts - Varredura: 180º de 0.5 em 0.5 graus Sw-Demo Projeto Sena
  11. 11. 24/10/2010 11 SBIA 2010 # 21 Posição do veículo Trajetória planejada Obstáculos Dados do laser Dados da câmera Sistema de condução autônoma / assistida SBIA 2010 # 22 Sistema de condução autônoma / assistida
  12. 12. 24/10/2010 12 SBIA 2010 # 23 Sistema de condução autônoma / assistida A Driving Assistance System for Navigation in Urban Environments Leandro C. Fernandes, Maurício A. Dias, Fernando S. Osório, Denis F. Wolf IBERAMIA 2010 SBIA 2010 # 24 Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores Tipos de Sensores Sensores LASER (Lidar) – Hokyuo + Base Giratória
  13. 13. 24/10/2010 13 SBIA 2010 # 25 Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores Tipos de Sensores Sensores LASER (Lidar) – Hokyuo + Base Giratória Modelo VRML 3D criado usando Laser Hokuyo SBIA 2010 # 26 Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores Tipos de Sensores: Câmera Estéreo Videri STOC (Stereo-on-a-Chip) Video Camera : Fornece o mapa de disparidade (depth field)
  14. 14. 24/10/2010 14 SBIA 2010 # 27 Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores Tipos de Sensores: Camera Termal (PathFindIR Flir) SBIA 2010 # 28 Tipos de Atuadores Atuadores mais comuns... • Servo Motor • Motor DC • Motor de Passo (Step-Motor) Servomotor Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores
  15. 15. 24/10/2010 15 SBIA 2010 # 29 Tipos de Atuadores: Veículo Elétrico Autônomo (LRM-ICMC) Elementos dos Robôs Móveis Percepção: Sensores SBIA 2010 # 30 Tipos de Atuadores Atuadores: Robôs Móveis C0 C1 C2 C3 C4 C5 C7 C6 M1 M2 θ X Y φ Elementos dos Robôs Móveis Ação: Atuadores
  16. 16. 24/10/2010 16 SBIA 2010 # 31 Robótica Móvel Sistemas Robóticos Móveis Inteligentes • Localização: Onde estou e para onde vou? • Mapas: • Criação: Mapeamento • Manutenção: Adicionar, Remover elementos • Uso: Planejamento de Trajetórias • Localização e Mapeamento Simultâneo (SLAM) •Planejamento e Comportamentos • Navegação : Executa tarefa e evita obstáculos SBIA 2010 # 32 Comportamentos: Controle de Robôs Arquiteturas de Controle Robôs Móveis: Agentes Autônomos dotados de SENSORES e ATUADORES Integração Sensorial-Motora Como Agir? Como Interpretar as Percepções? Como Tomar Decisões?
  17. 17. 24/10/2010 17 SBIA 2010 # 33 ARQUITETURAARQUITETURA Arquiteturas de Controle Reativa PURA Deliberativa PURA MISTA Múltiplos Comportamentos Hierárquica Horizontal Hierárquica Vertical Híbrida SBIA 2010 # 34 Arquitetura REATIVA [Pura] Arquiteturas de Controle Reativo:Reativo: Percepção => Ação - Reage diretamente aos estímulos externos; - Esquema sensorio-motor; Comportamentos Típicos: Reactive Behaviour - Vagar pelo ambiente, evitando colisões e obstáculos; - Acompanhar uma parede ou corredor; - Comportamento direcionado pela luz; - Ir em direção a uma determinada orientação Composição de Comportamentos: Direção x Obstáculo
  18. 18. 24/10/2010 18 SBIA 2010 # 35 • Reativo: Integração Sensorial-Motora IF S1 < Limite and S2 < Limite and S3 < Limite and S4 < Limite THEN Action (Go_Forward) IF S1 < Limite and S2 < Limite and S3 > Limite and S4 > Limite THEN Action(Turn_Left) IF S2 > Limite and S3 > Limite and S2 > S3 and S1 > S4 THEN Action(Turn_Right) Controle Reativo Evitar colisões e obstáculos Sensorial-Motor: Sentir => Agir S0 S1 S2 S3 S4 S5 S7 S6 M1 M2 Arquitetura REATIVA [Pura] Arquiteturas de Controle SBIA 2010 # 36 Simulador do Khepera Robô Khepera > 2 DC brushed servo motors with incremental encoders > 8 infrared proximity and ambient light sensors (SFH900) Arquitetura de Controle: Reativo
  19. 19. 24/10/2010 19 SBIA 2010 # 37 Campos Potencias SBIA 2010 # 38 Arquitetura de Controle: Reativo Aplicações práticas comerciais: Reativo
  20. 20. 24/10/2010 20 SBIA 2010 # 39 Arquitetura DELIBERATIVA [Pura] Arquiteturas de Controle Deliberativo:Deliberativo: Planejamento => Seqüência de Ações - Possui conhecimento sobre a situação do robô e do ambiente; - Usualmente baseado no uso de mapas e planejamento de trajetórias. Comportamentos Típicos: Deliberative Behaviour - Execução de scripts de ações planejadas previamente; - Executar uma seqüência de ações previamente determinada; - Seguir trajetórias especificadas com uso de mapas; - Execução de Tarefas de Alto Nível; SBIA 2010 # 40 Arquitetura DELIBERATIVA [Pura] Arquiteturas de Controle SIMROB2D - Referência: Farlei Heinen (Orientador: Fernando Osório ) Robótica Autônoma: A integração entre planificação e comportamento reativo. 2000. Robô tipo Khepera: Sensores: 5 IR / Atuadores: 2 motores (diferencial) SIMROB2D Deliberativo
  21. 21. 24/10/2010 21 SBIA 2010 # 41 Arquiteturas de Controle DELIBERATIVO: SIMROB2D - Referência: Farlei Heinen (Orientador: Fernando Osório ) MAPA DO AMBIENTE - Geometrico Espaço de Configuração Grafo de Visibilidade SBIA 2010 # 42 Arquitetura DELIBERATIVA [Pura] Arquiteturas de Controle A*: mapas métricos (grid)
  22. 22. 24/10/2010 22 SBIA 2010 # 43 Arquiteturas de Controle A* Search: [Tutorial SBGames07SBGames07] Busca Heurística de Caminhos [Lester 2004, 2007] Março 2010 SBIA 2010 # 44 Arquiteturas de Controle # 44 CSBC 2009 - JAI Arquiteturas CONTROLECONTROLE:: ArquiteturasArquiteturas ReativasReativas Solução? Buscar aproveitar o que de melhor tem cada uma das duas abordagens... ARQUITETURA HIERÁRQUICA ARQUITETURA HÍBRIDA CONTROLECONTROLE:: ArquiteturasArquiteturas DeliberativasDeliberativas Ambas possuemAmbas possuem problemas e limitações!problemas e limitações!Abordagens “puras”
  23. 23. 24/10/2010 23 SEVA3D – Simulador de Estacionamento de Veículos Autônomos 3D Veículos Autônomos: Simulação de Estacionamento Sensores: Sonar (configurável pelo usuário) e Odômetro Atuadores: Cinemática Ackerman Usual: 6 sonares com posições específicas, odômetro, controle de velocidade e de giro da direção SBIA 2010 # 45 Arquitetura de Controle Híbrida SEVA3D – Simulador de Estacionamento de Veículos Autônomos 3D Aprendizado de um autômato (FSA) usando uma Rede Neural Artificial Sensores: Sonar (configurável pelo usuário) e Odômetro Atuadores: Cinemática Ackerman (velocidade e giro da direção) Searching Parking Space Positioning Outside Entering Positioning Inside Aligning SBIA 2010 # 46 Arquitetura de Controle Híbrida
  24. 24. 24/10/2010 24 Atributos de entrada da rede: seis sensores e uma indicação do estado atual (FSA) Valores de saída da rede neural: estado dos atuadores (velocidade e direcionamento), indicação do próximo estado do processo de estacionamento Aprendizado: Exemplos de uma pessoa controlando o estacionamento do veículo Sensores de Proximidade [0..5] EstadoInicial RNA Giro da Direção Velocidade Próximo Estado SBIA 2010 # 47 IJCNN 2006 Infocomp Journal 2007 M.Heinen F.Osório Arquitetura de Controle Híbrida Desvio de obstáculos Vector Field Histogram - VFH
  25. 25. 24/10/2010 25 SBIA 2010 # 49 Robótica Móvel Sistemas Robóticos Móveis Inteligentes • Localização: Onde estou e para onde vou? • Mapas: • Criação: Mapeamento • Manutenção: Adicionar, Remover elementos • Uso: Planejamento de Trajetórias • SLAM •Planejamento e Comportamentos • Navegação : Executa tarefa e evita obstáculos SBIA 2010 # 50 Localização Destino ? ?? Estimar a posição do robô em um ambiente previamente conhecido, utilizando informações obtidas por sensores.
  26. 26. 24/10/2010 26 SBIA 2010 # 51 Propagação do Erro de Localização SBIA 2010 # 52 Localização – Tipos de problemas Tracking • Posição inicial é conhecida • Busca local (correção de odometria) Localização global • Posição inicial não é conhecida • Busca global
  27. 27. 24/10/2010 27 SBIA 2010 # 53 Localização - Soluções Representação da posição do robô • Distribuição Normal (Filtro de Kalman) • Malha de células (Grid / Markov) • Partículas/Amostras (Monte Carlo) Framework básico: Filtro de Bayes SBIA 2010 # 54 Localização – Filtro de Kalman (EKF) Atuação (movimento do robô): aumento de incerteza Percepção (sensores): diminuição da incerteza Sebastian Thrun
  28. 28. 24/10/2010 28 SBIA 2010 # 55 Filtro de Partículas SBIA 2010 # 56 Filtro de Partículas - Exemplo Sebastian Thrun
  29. 29. 24/10/2010 29 SBIA 2010 # 57 Controle Híbrido RobustoControle Híbrido Robusto –– COHBRA / SimRob3DCOHBRA / SimRob3D Arquitetura de Controle Híbrida Controle Híbrido Arquitetura COHBRA F. Osório F. Heinen HIS 2002 SBC JAI 2005 SBIA 2010 # 58 Controle Híbrido RobustoControle Híbrido Robusto –– COHBRA / SimRob3DCOHBRA / SimRob3D Arquitetura de Controle Híbrida Arquitetura COHBRA MAPAS DO AMBIENTE: Métrico / Topológico - Mapa Métrico do tipo GRADE (Grid, Mapa de Ocupação) - Mapa Métrico do tipo GEOMÉTRICO (Geometria do Ambiente)
  30. 30. 24/10/2010 30 SBIA 2010 # 59 Controle Híbrido RobustoControle Híbrido Robusto COHBRA / SimRob3DCOHBRA / SimRob3D Arquitetura de Controle Híbrida Arquitetura COHBRA COntrole HíBrido de Robôs Autônomos SBIA 2010 # 60 Controle Híbrido RobustoControle Híbrido Robusto –– COHBRA / SimRob3DCOHBRA / SimRob3D Arquiteturas de Controle Controle Híbrido – TAREFAS: - Localização: MCL (Monte-Carlo Localization) - Planejamento de Trajetórias: A* (A Star) - Controle e Navegação: Campos Potenciais - Uso de Mapas do Ambiente: Mapa de Ocupação (Grid) Mapa Geométrico (Poligonal) Mapa de Conectividade (Topológico) - Alteração dos Mapas: Inclusão de Obstáculos (Construçaõ de Mapas) Exclusão de Obstáculos (Adaptação de Mapas)
  31. 31. 24/10/2010 31 SBIA 2010 # 61 Navegação e Localização Simultâneas FastSLAM FastSLAM Odometria Sebastian Thrun SBIA 2010 # 62 Localização e Mapeamento – Robô Guia de Museu
  32. 32. 24/10/2010 32 SBIA 2010 # 63 Robótica Móvel Inteligente Desenvolvimento de Projetos e Aplicações • Robôs Móveis: Monitoramento e Segurança Robôs Móveis Tele-Operados Robôs Móveis Autônomos APLICAÇÕESAPLICAÇÕES SBIA 2010 # 64 INCTINCT--SEC / LRMSEC / LRM GT 1GT 1 -- RobôsRobôs TáticosTáticos parapara AmbientesAmbientes InternosInternos OBJETIVOS: Patrulhamento Indoor: Monitoramento de Ambientes Navegação em Ambientes Internos: * Tele-Operado com Supervisão * Controle Autônomo Detecção de Intrusos e de Situações Anômalas Sistemas de Visão para Navegação e Patrulhamento Estratégias em Sistemas Multirrobóticos
  33. 33. 24/10/2010 33 SBIA 2010 # 65 Equipe de Robôs para Missões Táticas Robôs de serviço/segurança – Principais objetivos: Patrulhar ambientes internos para detectar,identificar e reagir em situações de risco (invasão, fogo e ocorrências suspeitas) Modos de controle: - Tele-Operação: Controlado remotamente por um usuário (desviando de obstáculos) - Semi-Autônomo: A rota é definida por um usuário (desviando de obstáculos) - Autônomo: Patrulhamento autônomo - Multi-Robô: Patrulhamento autônomo cooperativo Funções principais: - Detectar: obstaculos, movimentos, fogo, situações anormais; - Inspecionar e Informar: link de áudio e vídeo bidirecional; - Reagir: evitar a exposição de pessoas a situações de risco; - Recarga autônoma: retorno à base de recarga de maneira autônoma SBIA 2010 # 66 Robôs Móveis Robôs Móveis e Sensores • Pioneer DX and AT • Erratic Robot • SRV1 Blackfin • ASR Labs Robot (em desenvolvimento em São Carlos) • Laser SICK LMS • Laser Hokuyo • On-board Cameras com pan-tilt • Stereo Vision (STOC – Stereo on a Chip) • Wireless Camera Erratic – Era Mobi Pioneer DX SRV1
  34. 34. 24/10/2010 34 SBIA 2010 # 67 Teleoperação <=> Autonomia Teleoperação: • Controle remoto de Robôs Pioneer Robôs localizados em São Carlos, SP (ICMC/USP) Controle localizado em Porto Alegre, RS (PUC/RS) • Envio de dados de sensores (Video, Sonar, Laser) • Recepção de comandos de controle (Move, Turn, Stop) Experimento: Setembro de 2009 Curso a distância: Programação de robôs móveis usando as ferrametas Player/Stage ICMC/USP e PUC/RS SBIA 2010 # 68 Teleoperação: Resultados - Teleoperação: Controle humano - Controle remoto autônomo: seguir paredes sensor laser Teleoperação <=> Autonomia
  35. 35. 24/10/2010 35 SBIA 2010 # 69 Teleoperação: Problemas - Teleoperação: Controle humano - Controle remoto autônomo: seguir paredes >> Internet - Lag: Atraso no envio e recepção de dados e comandos >> Internet - Connection Lost: Perda de conexão com o ponto de acesso >> Internet – Falta de segurança na transmissão de dados Atraso: Evitar colisões (supervisão local) Conexão: IP Móvel / Handover Teleoperação <=> Autonomia Navegação Topológica: Algoritmo Proposto e Simulação RNA FSM D. Sales, F. Osório, D. Wolf Navegação Autônoma Topológica SBIA 2010 # 70
  36. 36. 24/10/2010 36 Navegação Topológica: Experimento Real Navegação Autônoma Topológica SBIA 2010 # 71 Detecção de Intrusos: Experimento Real Câmera Térmica FLIR PathFindIR Navegação Autônoma Topológica SBIA 2010 # 72
  37. 37. 24/10/2010 37 Navegação por Imagens: Experimento Real SRV1 Artigo Publicado IEEE LARS 2010 Navegação Autônoma por Visão SBIA 2010 # 73 D. Sales, P. Shinzato, F. Osório, D. Wolf SBIA 2010 # 74 OBRIGADO! Laboratório de Robótica Móvel www.lrm.icmc.usp.br www.inct-sec.org Denis Fernando Wolf – denis@icmc.usp.br Fernando Santos Osório - fosorio@icmc.usp.br Kalinka R. J. C. Branko - kalinka@icmc.usp.br
  38. 38. 24/10/2010 38 SBIA 2010 # 75 OBRIGADO! Laboratório de Robótica Móvel www.lrm.icmc.usp.br www.inct-sec.org Denis Fernando Wolf – denis@icmc.usp.br Fernando Santos Osório - fosorio@icmc.usp.br Kalinka R. J. C. Branko - kalinka@icmc.usp.br http://www.slideshare.net/ Search: CLEI 2010 Tutorial Search: SBIA 2010 Tutorial SBIA 2010 # 76 Continua... SBIA 2010 Tutorial

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