Guia de Robòtica Mòbil i Visió Artificial Industrial

Introducció a la Robòtica Mòbil

Un robot mòbil és aquell en què el seu cos sencer es mou respecte a l'entorn. La seva aplicació principal és poder manipular material i eines dins d'una instal·lació industrial.

Avantatges i Reptes

• Avantatges: És útil per proporcionar accés especialitzat en ambients perillosos, redueix els costos operatius, augmenta la productivitat, millora la qualitat del producte i permet crear nous serveis per als humans.
• Reptes: Percepció de l'entorn (és estocàstic i impredictible), actuacions (limitacions dels actuadors) i sensors (informació inexacta, sorollosa, etc.).

Temes involucrats amb la robòtica mòbil: arquitectures de control, locomoció, sensòrica/percepció, planificació de trajectòries, navegació i localització.

Localització i Posicionament

Reptes de la localització

No n'hi ha prou de conèixer la posició absoluta (per exemple, mitjançant GPS); cal una localització en relació amb l'entorn. En l'etapa de planificació es requereixen més dades que la simple posició. En la percepció i el moviment, juguen un paper important el soroll, l'aliasing del sensor i l'estimació de la posició amb odometria.

• Posicionament global: Capacitat per obtenir la posició geogràfica d'un objecte a la Terra mitjançant sistemes de satèl·lits (GPS, balises de posicionament).
• Posicionament local: Procés de determinar la posició d'un objecte dins d'un espai reduït utilitzant tecnologies que depenen de sensors i dispositius situats a l'entorn, tenint en compte sempre la posició inicial (dead-reckoning).

Problemes en la percepció i sensors

El soroll es veu influenciat pel medi ambient (superfície, il·luminació, etc.) i per les interferències amb altres sensors (per exemple, ultrasons). Això redueix la bondat de la informació obtinguda. Es pot solucionar mitjançant múltiples lectures, la fusió de sensors o tenint en compte tendències temporals.

Odometria: Ús de la informació obtinguda mitjançant sensors de moviment per calcular la variació de la posició d'un element en relació amb el temps.

Criteri d'integració d'Euler

Utilitzem el criteri d'integració d'Euler, on el punt final depèn del punt inicial. Això permet mantenir la localització i l'orientació. A tk, amb velocitat lineal (vk) i angular (wk) constants, s'aplica la integració d'Euler.

• Avantatges: Matemàticament fàcil de calcular, expressions senzilles.
• Desavantatges: Errors acumulats, desviacions de trajectòries i orientacions.

Tipus d'errors

• Sistemàtics: Depenen del robot (muntatge, asimetria, rodes).
• No sistemàtics: Depenen de l'entorn (terreny lliscant, pendents).

Tipus de sensors

• Estats interns: Compàs, codificadors (encoders), acceleròmetres, IMU.
• Estats externs: Sistemes de visió, sensors de distància, sonar, sistemes de posicionament GPS.

Control del Moviment i Trajectòries

Donats dos punts en l'espai XY, els podem descriure en coordenades polars per al seguiment de la trajectòria.

La descripció del sistema amb les noves coordenades serà:

Per garantir l'estabilitat del robot i evitar canvis de quadrant en l'aproximació al punt, cal garantir:

La velocitat de cada roda serà:

Visió Artificial

La visió artificial o visió per computador és la ciència i tecnologia que permet a les màquines veure, extreure informació d'imatges digitals, resoldre tasques o entendre l'escena que visionen.

Aplicacions i Objectius

• Indústria: Comptar ampolles, comprovar defectes, interpretar TACs mèdics.
• Medicina: Comptatge de cèl·lules.
• Robòtica: Orientació en entorns desconeguts i realitat augmentada.

Objectius principals:

1. Analitzar eines i processos de visió per computador.
2. Entendre la metodologia per dissenyar interaccions pròpies.
3. Trobar la relació entre píxels i el seu significat.

Comparació: Visió Humana vs. Artificial

• Visió humana: Processament en paral·lel, 3 dimensions naturals, gran tonalitat de colors, alta capacitat d'interacció.
• Visió artificial: Processament seqüencial, 2 dimensions, imatges simplificades (B/N), valora només el que coneix.

Imitar l'ésser humà és complex a causa del mapeig d'un a molts, l'alt cost computacional i la dificultat en el reconeixement d'objectes des de diferents punts de vista.

Nivells del Procés Cognitiu

• Nivell baix: Tècniques de millora de la qualitat de la imatge.
• Nivell intermedi: Segmentació per extreure característiques morfològiques.
• Nivell alt: Interpretació mitjançant algorismes de reconeixement de patrons.

Elements d'un Sistema de Visió

• Sistema d'il·luminació: Crucial per a la presa d'imatges en línies de producció ràpides.
• Lent de la càmera: Transfereix la imatge neta al sensor.
• Càmera: Dispositiu sensible a la llum (CCD o CMOS).
• Processador d'imatge: Ordinador o càmera intel·ligent que analitza les dades.

Conceptes Tècnics Clau

• Frame rate: Nombre d'imatges per segon (fps).
• Resolució: Nombre de píxels en X i Y. Un píxel és la mínima porció d'àrea mesurable.
• Enfocament: Ajust de la nitidesa entre l'infinit i la distància mínima (MOD).
• Diafragma: Controla la quantitat de llum (apertura).
• Aberracions: Cromàtiques (longituds d'ona) o geomètriques (distorsió de la lent).

Tipus de Lents i Sensors

• Lents: Estàndards, alta resolució, UV, gran angular, telecèntriques i pericèntriques.
• Digitalització monocromàtica: Una dimensió (intensitat), més ràpida.
• Digitalització en color: Tres dimensions (RGB), requereix més esforç computacional.

Ajustaments Pràctics

• Velocitat d'obturació: Major velocitat implica menor temps d'exposició.
• Guany (Sensibilitat): Similar a l'ISO; un major guany augmenta la brillantor però redueix la nitidesa.
• HDR (High Dynamic Range): Barreja de diverses fotografies amb diferents exposicions.

Il·luminació i Geometria

L'objectiu és estabilitzar la imatge. Cal considerar la longitud d'ona, la intensitat i la temperatura.

• Coaxial: Elimina ombres.
• Camp tancat: Incrementa el contrast superficial (angle de 90º).
• Puntual: Crea un punt brillant.
• Posterior (Backlight): Ideal per a contorns i objectes transparents.

Visió Artificial a la Indústria

L'èxit industrial d'aquests sistemes es deu a:

• Millora de la qualitat i reducció de costos.
• Eliminació de l'error humà.
• Alta velocitat d'inspecció i criteris constants d'acceptació/refús.
• Inspecció del 100% de la producció.