Conclusions

planeada en el plano de coordenadas (ρ, θ) donde se proyectan los obst´aculos y se eval´ua el riesgo de colisi´on, mediante un conjunto de reglas en una M´aquina de Inferencia y por ´ultimo se dispar´a la ejecuci´on de las acciones por medio de alarmas en forma de anuncios de un determinado color caracter´ıstico para la identificaci´on inmediata del obst´aculo, m´ovil (color verde, amarillo y rojo) o fijos (color naranja) antes de realizar alg´un desplazamiento por el VA. Las reglas est´an jerarquizadas en capas y se basan en la informaci´on proporcionada por el Sensor L´aser.

La implementaci´on de la detecci´on de obst´aculos se realiz´o con un Sensor L´aser el cual cuenta con un escaneo lineal de rango en 1-D. Las pruebas se llevaron a cabo tanto en ambientes cerrados (laboratorio), como en exteriores, con suficiente espacio libre para evaluar el desempe˜no del VA. Para medir su precisi´on se puso un objeto reflejante de la se˜nal en una posici´on conocida, para comparar los valores obtenidos de un flex´ometro contra aquellos obtenidos por el sensor. Adem´as, como obst´aculos se utilizaron objetos del ambiente natural, para garantizar un buen funcionamiento del sistema. A´un as´ı, los obst´aculos deben ser compuestos por materiales que reflejen adecuadamente el haz de luz.

La implementaci´on del sistema de respuestas reflejas en una M´aquina de Inferencia se llev´o acabo en una estaci´on de trabajo port´atil est´andard. El algoritmo de detecci´on de obst´aculos fijos y m´oviles implementado, para la activaci´on de alarmas indicadoras, esta basado en la obtenci´on del modelo de percepci´on-acci´on como base a la navegaci´on refleja. Utilizar este tipo de modelo permite realizar pruebas sin necesidad de hacer ajustes de detecci´on para diferentes tama˜nos de objetos. Para realizar la estimaci´on de sensado en determinada altura utilizando el Sensor L´aser fue necesario realizar ajustes de sensado en 3-D con una persona y un veh´ıculo comercial. Se us´o un montacargas donde se mont´o y fijo el Sensor L´aser. Dentro de los ajustes para determinar la altura ideal del sensado es necesario fijar el sensor entre 70 y 80 cm. ya que en ese nivel de altura se percibe un mayor agrupamiento de puntos y menor reflejo sobre ciertas superficies reflejantes para estimar correctamente la detecci´on de obst´aculos. Adem´as, la plataforma sobre la cual se coloco el sensor fue fijada y verificada de posibles cambios de altura durante la detecci´on de objetos, esto se realiz´o con el fin de evitar que el sensor apuntar´a a mas altura generando p´erdidas de segmentos u obst´aculos a mayores distancias al momento de estar en funcionamiento el dispositivo. Para validar el sistema de respuestas en una M´aquina de Inferencia se realizaron varios experimentos de detecci´on de objetos en la trayectoria planeada, en diferentes espacios de trabajo, as´ı como varias pruebas con obst´aculos no previstos, para evaluar las respuestas reflejas. Los resultados obtenidos muestran que el sistema propuesto tiene un buen desempe˜no y presenta robustez en ambientes que cumplan con los l´ımites de alcance del Sensor L´aser, tal como lugares donde no existan materiales reflejantes y tomando en consideraci´on que el VA se encuentra est´atico.

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soluciona de forma r´apida la mayor parte de los casos presentados, salvo casos aislados en los cuales la detecci´on de obst´aculos no se realiza adecuadamente por problemas de ruido, reflexi´on en cristales, espejos, etc. El principal defecto radica en la segmentaci´on de la imagen de rango l´aser, puesto que la t´ecnica de sumas ponderadas desplaza el centroide del segmento de l´ınea detectado; lo cual representa un riesgo de colisi´on para el VA.

Las contribiciones de este trabajo incluyen que el sistema de detecci´on propuesto se integra a la arquitectura de control del VA. Respecto a la detecci´on de obst´aculos se pueden nombrar las siguientes contribuciones: se le da seguimiento a los trabajos de detecci´on desarrollados dentro del Laboratorio del CSI, y en exteriores donde se pueden presentar imprevistos de objetos que interrumpen la trayectoria planeada, el uso de un L´aser como sensor para un VA cuando se encuentra inm´ovil, desarrollo de algoritmos para la detecci´on de obst´aculos fijos y m´oviles usando un Sensor L´aser y mejoras al algoritmo de detecci´on mediante la implementaci´on de un fondo fijo, as´ı como activaci´on de alarmas mediante reglas en una M´aquina de Inferencia para obtener una mejor estimaci´on de la detecci´on de objetos cuando el VA se encuentra est´atico.

Ahora bien el algoritmo de segmentaci´on usando sumas ponderadas trabajo correctamente a pesar que se detectaron objetos reflejantes como los cristales, los cuales son poco confiables para mediciones precisas. Los obst´aculos son detectados correctamente en un 98.2 % de los casos intentados. Los resultados tambi´en muestran que el error del centroide es mayor conforme se detecte materiales reflejantes. Adem´as, la mayor´ıa de los casos probados, la variaci´on del promedio no es mayor al 8 % con respecto a desplazamiento del centroide. No obstante, el sistema debe mejorarse, sobre todo para reducir los problemas provocados por la reflexi´on de ciertos materiales y se recomienda probar en paralelo con otros sensores, as´ı como realizar una segunda derivada para mejorar el algoritmo de segmentaci´on.

Se evaluo el desempe˜no que afecta el desempe˜no del sistema dentro de los cuales quedaron sin resolver dentro del presente trabajo, los cuales se pueden dividir en dos: c´alculo de puntos de contraste por medio de un m´etodo de segmentaci´on derivativo aplicando usando sumas ponderadas para localizar esos m´aximos, activaci´on de alarmas que no corresponda a la divisi´on de zonas debido a imprecisiones durante el segmentado que se utiliz´o por medio de la primera derivada y la implementaci´on de detecci´on de obst´aculos sobre la arquitectura de control del VA, afecta mayormente a la activaci´on de los dispositivos f´ısicos al momento de montar el L´aser. Dentro del sistema de detecci´on sobresalen: la segmentaci´on de obst´aculos fijos y m´oviles, sin afectarle el tama˜no o n´umero de objetos que se localicen en el ambiente de trabajo, ´ademas la proyecci´on de la trayectoria con sus l´ımites en forma m´odular, ayuda a tener una may- or precisi´on de la activaci´on de las alarmas en cada m´odulo donde se localice un objeto. As´ı, en una etapa futura se puede extender este trabajo para hacer m´as robusto

62 Cap´ıtulo 6. Conclusiones

tanto el VA y el sistema de detecci´on. Se recomienda el dise˜no de una base que cumpla con las caracter´ısticas adecuadas de aislamiento del Sensor L´aser y el VA. Dentro del sistema de detecci´on se pueden realizar nuevos algoritmos de detecci´on y efectuar comparaciones contra el m´etodo de detecci´on actual, para mejorar la estimaci´on de los objetos; finalmente se puede extender el sensado cuando el veh´ıculo se encuentre en movimiento y surga el movimiento aparente (Flujo ´optico) y la recuperaci´on de la trayectoria en diferentes ambientes din´amicos hasta llegar a su objetivo final o meta dada.

Ap´endice A

Programa computacional del Sensor

L´aser

En este ´apendice se incluye los pasos a seguir para la activaci´on en la Interface del Programa de Control que se emplea para la detecci´on de obst´aculos usando el sensor L´aser.

Durante la etapa inicial, se empez´o a crear un software manejable con funciones personales. Primeramente se desarrollo la configuraci´on sencilla del LMS221 y poste- riormente se creo una interfaz gr´afica. Esta interfaz contiene diferentes men´us, uno de los cuales dise˜ne principalmente para conexi´on, reseteo y configuraci´on del rango de baudios. La otra parte importante contempla funcionalidades del modelo de salida, como configuraciones de m´aximos y m´ınimos para los gr´aficos del modelo visto; el proceso del software de comunicaci´on y operaci´on es dividido conforme a los pasos de entrada.

Se analiz´o el programa con los manuales [SICK c, SICK 02, SICK b, SICK a]. El proceso de comunicaci´on y operaci´on interna del Sensor L´aser y sus funciones respectivas en orden de jerarqu´ıa se divide en dos etapas: la primer etapa se debe fijar la velocidad en baudios y probar la conexi´on del puerto con el sensor. La segunda etapa establece la configuraci´on de resoluci´on para la interfaz, los rangos de (θ, ρ), as´ı como el nombre y fecha del archivo que guarda los datos recopilados, finalmente se inicia el sensado de objetos.

Al realizar las pruebas en campo, no s´e contaba con una base donde se tuviera fijado el Sensor L´aser a la parte delantera del veh´ıculo aut´onomo, el cual tiene un peso aproximado de 9 Kg. por lo que se dise˜no una base provisional que cumpla con las caracter´ısticas m´ınimas de seguridad para que el sensor no sufrier´a da˜no alguno como se ilustra en la Figura A.1. Para capturar y guardar los datos muestreados del sensor se asigna una salida de 24 V de corriente directa como se describe en el Ap´endice B.

64 Ap´endice A. Programa computacional del Sensor L´aser

Figura A.1:Base provisional

La Figura A.2 ilustra el montaje de la altura a la cual se instala el Sensor L´aser sobre el VA, para una mejor detecci´on del entorno y una mejor detecci´on de objetos durante el seguimiento de la trayectoria planeada.

Figura A.2: Vistas: frontal, lateral y ´aerea del VA en cm.

Considerando las dimensiones del VA tanto frontales como de ancho, se deci- di´o tomar una altura de 72cm., ubic´andose como objetivo de sensado la cintura de un individuo de 1.70 m. de altura promedio. Esta altura garantiza un mayor agru- pamiento de puntos de la parte mas amplia de un ser humano, al momento del escaneo de la imagen lineal.

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Al compilar el programa, nos aparecer´a una ventana principal del programa, desde esta ventana podemos abrir los programas de VA con un menu para el manejo de varios dispositivos y la detecci´on de objetos que se han realizado en este y otros proyectos de investigaci´on dentro del laboratorio. En la parte superior de la ventana se ubica el men´u de opciones. Existen cuatro opciones principales las cuales se pueden ejecutar: Configuraci´on, Progs VA, Progs Camara y Sensores. Finalmente, la opci´on de Ayuda contiene una ventana donde se da una breve descripci´on del proyecto y los autores de ellos. La opci´on de Sensorescontiene programas verificar el funcionamiento de varios sensores que tiene el veh´ıculo. Las opciones dentro del men´u son las siguientes: Laser y Camara. A continuaci´on se describe el funcionamiento de cada una de las opciones a escoger:

Laser: En esta ventana se encuentra dibujado lo que percibe el Sensor L´aser y el resultado de algunos algoritmos aplicados sobre la imagen.

Camara: Esta opci´on abre la ventana para observar la imagen capturada desde

la c´amara y donde se realiza el seguimiento visual.

En este caso en particular solo usaremos la etiquetaL´aser. Se activa la interfaz del Sensor L´aser cuya ventana principal se muestra en la figura A.3, con el prop´osito de mostrar las herramientas que el sistema de la interfaz proporciona al usuario se expone en breve la descripci´on de la interfaz, as´ı como su modo de operaci´on.

Figura A.3:Ventana principal de la interfaz grafica del L´aser

La interfaz esta dividida en dos zonas principales: la primera parte consta de un menu de 12 botones de control para la configuraci´on, simulaci´on y detecci´on del ´area de trabajo. La segunda parte se encuentra el ´area de trabajo durante la detecci´on de

66 Ap´endice A. Programa computacional del Sensor L´aser

obst´aculos y donde se establece la proyecci´on de la trayectoria.

A continuaci´on se describe la funci´on de cada uno de los botones comenzando con los que activan y detienen la detecci´on del Sensor L´aser y posteriormente los dem´as botones caracter´ısticos.

Enciende la detecci´on del Sensor L´aser en tiempo real sobre la interfaz gr´afica y activa los indicadores de prevenci´on.

Apaga la activaci´on de detecci´on del Sensor L´aser en tiempo real, parando el pintado de las im´agenes.

Abre los datos de archivos guardados que se generaron en tiempo real y activa el modo de simulaci´on.

Aumenta el tama˜no de la ventana central hasta obtener tama˜no muy grande de algun punto en particular del ´area de trabajo.

Reduce el tama˜no de la ventana central hasta un tama˜no muy peque˜no de algun punto en particular del ´area de trabajo.

La flecha se presiona cada vez que se quiere leer una de las imagenes guardadas al momento de abrir un archivo.

Abre otra ventana donde se configura el alcance, resoluci´on y velocidad de transmisi´on del l´aser.

Inicia la grabaci´on de im´agenes, si esta encendida la detecci´on, genera un archivo *.txt con fecha, nombre y hora que inicio la grabaci´on.

Graba solo una imagen, si esta encendida la detecci´on, genera un archivo que puede ser abierto y graficado en Excel. Finaliza la grabaci´on de los archivos guardados en el archivo *.txt.

El Filtrado activa otra ventana de diferentes m´ascaras y tama˜nos a emplear, y otros elementos que se mencionan adelante.

Realiza el cambio de coordenadas polares a carte- sianas, ya sea en modo simulaci´on o en tiempo real del l´aser.

Menu completo de la interfaz del L´aser.

Adicionalmente los botones de Filtrado y Configuraci´on descritos anteriormente activan otras ventanas para el manejo del mapa de trabajo y cambios de filtrado en la detecci´on del l´aser. A continuaci´on se describen las opciones de cada uno de ellos.

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Figura A.4: Ventana principal de Configuraci´on

EnConfiguraci´on aparece una ventana en la cual se puede cambiar la resoluci´on del sensor de 0.25◦ _{grados por default, as´ı como 0.5}◦ _{y 1}◦ _grados.

Cambio de resoluci´on.

Tambi´en se puede realizar un cambio de la velocidad de transmisi´on del puerto serial, tomando valores de 38400, 19200 y 9600; todos los valores estan en Baudios. Adem´as de cambiar los rangos m´aximos de lectura del sensor por medio de ventanas din´amicas

Cambio de rangos de alcance m´aximos del l´aser.

ElFiltradoes un bot´on que activa y abre otra ventana de similar importancia que los botones descritos anteriormente.

68 Ap´endice A. Programa computacional del Sensor L´aser

Figura A.5:Ventana principal de Filtrado

Cambio de filtro.

En este menu se puede escoger las diferentes filtros a utilizar durante las im´agenes lineales de profundidad, o dejar el derivador que se tiene por default para la localizaci´on de puntos de contraste descrito en esta tesis. Adem´as se puede cambiar el offset del filtrado, el divisor y umbral manualmente.

Cambia el tama˜no de la m´ascara que se este utilizando.

Se escoge el tama˜no de la m´ascara desde 1 hasta 15, estos cambios se muestran en la parte donde indica M´ascara Filtro.

Finalmente seleccionando el recuadro de Ver Gr´afica Filtrada se puede ver sobre el mapa de trabajo el comportamiento del filtro empleado. En las dos ventanas de Filtrado y Configuraci´on se realizan estos cambios al momento de presionar el boton Aceptar.

Ap´endice B

Descripci´on T´ecnica del L´aser

A continuaci´on se muestra la descripci´on t´ecnica del sensor l´aser, correspondiente a los manuales [SICK c] [SICK 02] [SICK b] [SICK a].

El sensor l´aser modelo LMS 221 es usado para ´areas de monitoreo, medida de objetos y detecci´on de posiciones determinadas. Cada monitoreo en campo se asigna 24 VCD de salida ±15 %.

En la tabla B.1 siguiente se muestra los datos t´ecnicos, tanto de error sistematico como el tiempo de respuesta y resoluci´on de alcance que puede abarcar el sensor l´aser.

LMS 221 Datos T´ecnicos

Rango m´aximo 81.9 metros

Alcance de reflectividad 30 metros

Resoluci´on 1 cent´ımetro

Error sistem´atico t´ıpico 4 cm, max 6 cm. ´

Angulo de escaneo del LMS 221 180◦

Resoluci´on Angular 1◦_{, 0.5}◦_{, 0.25}◦ Tiempo de Respuesta 13 ms / 26 ms / 53m s Fuente de poder 24 V DC Temperatura Ambiente LMS 221 −30◦_...+50◦ Dimensiones 352 x 2.65 x 202 mm3 L x A x P

Tabla B.1:Especificaciones del l´aser

A continuaci´on se mencionan los requerimientos minimos para que se active el sensor LMS221 con una conexi´on de datos a la PC o laptop.

70 Ap´endice B. Descripci´on T´ecnica del L´aser

B.1

Conexiones de alambrado

El sensor LMS se conecto una laptop por una interface de puerto serial, pero el dispositivo tambi´en soporta conexiones de interfaces RS232 y RS422.

En casos de transmisi´on de datos a altas velocidades, el fabricante ofrece una tarjeta de interface especial para rangos de transmisi´on de 500 kBaud [SICK 02]. La siguiente figura B.1 se ilustra la conexi´on f´ısica que se debe de realizar para la operaci´on y funcionamiento adecuado del l´aser.

Figura B.1: Pines f´ısicos de conexion del sensor LMS221

Nota: Proveer una limitante de corriente (fusible) para fuentes de energ´ıa externa. La tabla B.2 de pines muestra las multiples conexiones que se deben alambrar en paralelo hacia la fuente alimentaci´on y la conexi´on serial B.2

B.1. Conexiones de alambrado 71

No. Designaci´on de Se˜nal Entrada /

Pin Salida

1 RxD-

2 RxD+

3 RS232 / RS422 Conector 1

4 GND EXT para calefactor Fuente

5 Control de agitacion Entrada

6 No conectada -

7 Salida C (para deteccion de campo) / Salida demanda max. de se˜nal

8 GND EXT para electronica Fuente

9 TxD- Interface

10 TxD+ Interface

11 RS232 / RS422 Conector 2

12 VCC EXT para calefactor Fuente

13 Salida A (para deteccion de campo) Salida 14 Salida B (para deteccion de campo) Salida 15 Reiniciar

16 VCC EXT para electronica Fuente

Tabla B.2:Especificaciones de cada pin de conexi´on del sensor LMS221

Figura B.2:Pines f´ısicos de conexion del sensor LMS221

Nota: Usar cables separados para conectar la electr´onica del escaner y el calefactor. Conexiones m´ınimas marcadas en negritas.

72 Ap´endice B. Descripci´on T´ecnica del L´aser

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