Departamento de Sistemas y Computación

“ Aprendizaje de Reglas de control en Robots Móviles ” IEEE – III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación “ Aprendizaje de Reglas de control en Robots Móviles ” AUTORES: ITESM Rogelio Ferreira Escutia Eduardo Morales Manzanares Campus Morelos Noviembre 2001

Antecedentes IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 4 El avance de la Ciencia y la Tecnología durante los últimos años ha llevado consigo un gran impacto sobre nuestra forma de vida. El tratar de generar herramientas que ayuden al hombre a las diversas tareas que enfrenta diariamente, lleva a la creación de máquinas de suponen de un grado de “Inteligencia” para poder llevar a cabo ciertas tareas. Una de estas máquinas son los robots, los cuales han empezado a salir de los laboratorios de experimentación, para llegar cada día a un mayor número de lugares.

Objetivo IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 5 El objetivo de esta investigación es desarrollar una herramienta de aprendizaje de reglas de control, la cual permita la navegación robótica en ambientes desconocidos, desde un punto inicial a uno final. El algoritmo propuesto utiliza reglas . La creación de reglas es por demostración, donde primero se entrena al robot en un entorno conocido, donde es posible asignar las acciones que el robot tiene que realizar. Posteriormente se coloca el robot en entornos parecidos, y usando las reglas aprendidas, tratar de llegar a la meta.

Requerimientos IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 6 El algoritmo esta pensado para implantarse en un robot móvil, que sea capaz de avanzar, girar sobre su propio eje por lo menos 90º, tanto en sentido horario como antihorario. Se requiere utilizar al menos 5 sensores de sonar para detectar los objetos que se encuentran al frente y a los lados del robot.

Implementación IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 7 Para implantar el algoritmo se utilizó el robot Nomad 200, propiedad del ITESM Campus Morelos, construido por la compañía Nomadic Technologies. Los principales sistemas con que cuenta el robot son los siguientes: Sistema de Comunicación: Para transmitir los datos a una terminal. Sistema de Visión: Cámara de video para navegación por visión computacional. Sistema de Sonar: Detector de Obstáculos. Sensor Táctil: Detector de Choques. Para la presente investigación se utilizaron los sonares para la navegación y no la cámara de video.

Vista frontal – cámara, antena, sensores 8 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Vista superior 9 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Vista lateral – sensores (sonares) 10 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Vista lateral – panel de control 11 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Vista lateral – sensores y panel de control 12 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Vista inferior – sensores, ruedas y baterías 13 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Carga de Baterías 14 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Alineación y Datos Iniciales IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 15 Antes de iniciar con el algoritmo, el robot se debe de alinear, tanto sus mecanismos internos, como su alineación con el mundo real. Para alinearlo con el mundo real se utilizó una marca que tiene el robot en uno de sus costados con una marca sobre el piso. Inicialmente se considera que el usuario conoce la posición actual del robot y su ángulo, así como la posición de la meta.

Vista inferior – Sensores táctiles y orientación 16 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Representación del Entorno IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 17 Por medio de los sonares se detecta la distancia aproximada de los objetos que se encuentran en el entorno del robot. Posteriormente esta distancia se compara con un valor de umbral (20 pulgadas). Si el valor que entrega el sonar es menor o igual al umbral, se le asigna un valor de 0 (cerca) en caso contrario se le asigna 1(lejos).

Análisis de Casos IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 18

Posición de la Meta IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 19 El algoritmo requiere saber en todo momento la dirección de la meta, para ello utiliza una sintaxis para referenciar dicha posición.

Acciones de Control IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 20 La acción que realizará el robot para un cierto estado, la decidirá el usuario que se encarga de entrenar al robot. Se definieron 5 acciones básicas de control, las cuales se identifican con un número, para la creación de las reglas.

Creación de una Regla IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 21

Creación de Reglas IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 22

Algoritmos de Entrenamiento y de Navegación IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 23

Software IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 24

Alcanzar la Meta IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 25

Algoritmo para Detectar y Salir de Trampas IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 26 1) Asignar punto inicial y punto final 2) Detectar que se cayó en una trampa, comparando la última regla ejecutada con alguna regla utilizada anteriormente y aproximadamente en el mismo lugar. 3) Regresar al punto anterior donde se puede aplicar mas de una regla.

Algoritmo para Detectar y Salir de Trampas (Cont.) IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 27 4) Asignar meta Flotante en forma aleatoria, a la izquierda o derecha de la meta original. 5) Si después de ejecutar una cantidad de reglas, llega o no llega a la meta flotante, se vuelve a asignar la meta original.

Algoritmo para Detectar y Salir de Trampas IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 28

Resultados de la Navegación (simulador) IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 29

Creación de Mapas Aproximados IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 30 Al algoritmo se le agregó un módulo, el cual con la ayuda del simulador, y mientras el robot avanza, se encarga de dibujar puntos sobre la pantalla, los cuales, indican la posición aproximada de los objetos que se encuentran a su alrededor. De ésta forma, se plantea la posibilidad de construcción de mapas.

Navegación con el Robot Real IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 31

Navegación con el Robot Real (cont.) IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 32

Salir al pasillo (pasar por una puerta) 33 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Resultados de la Navegación (real) IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 34

Salir al pasillo (pasar por una puerta) 35 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Avanzar por un pasillo 36 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001

Valores de Umbral y Velocidad Valor de Umbral Alto (no puede pasar por la puerta) IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 37 Alta Velocidad de Desplazamiento (colisión) Valor de Umbral Bajo (puede pasar por la puerta)

Conclusiones IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 38 * El esquema de Representación resultó ser relativamente simple pero bastante eficiente. * El valor del umbral es un parámetro que puede ajustarse independiente de las reglas aprendidas. * Se implantó un esquema de combinación de información de 3 sonares logrando evitar algunos problemas de detección de esquinas y bordes, sin alterar la representación propuesta. * Se propuso e implantó un algoritmo de detección de trampas, basado en la creación de metas flotantes, dando buenos resultados en las pruebas realizadas. * Se redujeron las reglas originales mediante un proceso de generalización hasta un 40%, sin afectar el desempeño del algoritmo.

Conclusiones (cont.) IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 39 * Las reglas aprendidas en un ambiente de entrenamiento, sirvieron para navegar en ambientes simulados parecidos, con distintas ubicaciones de metas y "trampas". * El sistema se probó con el robot real, logrando salir y entrar por puertas estrechas y navegar en pasillos. * Se observó que las reglas aprendidas sirven para evitar obstáculos, navegar en ambientes dinámicos no predecibles y metas en movimiento * Se desarrolló un algoritmo para dibujar el entorno del robot, con el fin de detectar lo que el robot real estaba percibiendo y se vió la viabilidad de este algoritmo para la construcción de mapas.

Trabajo Futuro Como trabajo Futuro se puede mencionar lo siguiente: IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 40 Como trabajo Futuro se puede mencionar lo siguiente: * Agregar otro tipo de sensores para mejorar la adquisición de información del entorno, por ejemplo, láser, infrarrojo, cámara de video, etc. * Mejorar el algoritmo para lograr una mejor ubicación del robot. * Construcción de mapas. * Mejorar el sistema de Aprendizaje. * Ajuste dinámico de velocidad de desplazamiento.

Trabajo en equipo IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001 41

FIN Gracias... 42 IEEE - III Reunión de Otoño de Potencia, Electrónica y Computación – Noviembre 2001