Estudio y desarrollo de métodos de calibración para robots móviles

Abstract

[ES] Este Trabajo Final de Máster procede de un proyecto entre la Universidad Politécnica de Valencia y la empresa "Robotnik" cuyo fin era el desarrollo de métodos para la autocalibración de parámetros cinemáticos de robots móviles. Estos son, básicamente, el radio y la disposición de las ruedas, necesarios para la estimación de posición por odometría. La odometría es el proceso de estimar la posición de un robot basándose en el camino recorrido por cada una de las ruedas. Se utiliza tanto para el control como para la estimación de la posición de los robots móviles. Para una buena estimación odométrica es importante el conocimiento exacto de algunos parámetros cinemáticos del vehículo como el radio de las ruedas, o la posición de estas. Estos parámetros, aunque normalmente conocidos, pueden cambiar con el paso del tiempo, debido, por ejemplo, al desgaste de las ruedas. Por ello puede ser necesario volver a calibrar el robot. La calibración se puede realizar por un operario o por el robot en solitario (autocalibración). En el primer caso, el robot ejecuta una serie de movimientos preprogramados. El usuario mide la desviación entre la trayectoria programada y la realizada, y a partir del error estima el error de los parámetros cinemáticos. Este método presenta la desventaja de que necesita la intervención de un operario. La alternativa es la autocalibración del robot, en cuyo caso se compara la trayectoria estimada por la odometría con la medida mediante un sistema de autolocalización (visión artificial, láser, u otro). Cabe resaltar que existen dos tipos de errores de odometría: los sistemáticos y los no sistemáticos. Los primeros son aquellos que vienen dados por la existencia de diferencias entre el robot teórico y el robot real. Estos son los que se deben deducir y corregir en este proyecto. Los errores no sistemáticos, por otro lado, son aquellos que no se pueden predecir y que se deben a irregularidades del terreno o fuerzas externas. Algunos errores no sistemáticos son derrapes (debidos a terreno arenoso o a una gran velocidad del robot) o los movimientos de subida y bajada del robot al moverse por un terreno que no es llano o donde hay objetos que suponen obstáculos. El objetivo de este proyecto es el estudio, desarrollo e implementación de técnicas de autocalibración de robots móviles de la compañía ¿Robotnik¿. Concretamente, se aplicará a robots con cinemática diferencial y robots omnidireccionales de cuatro ruedas mecanum. Se pretende así corregir los parámetros cinemáticos del robot (radio y disposición de las ruedas) comparando la posición del robot estimada por la odometría (recorrido de las ruedas) con otra fuente (sistema de visión, inercia, medidas manuales). Concretamente, para la toma de medidas se ha utilizado la cámara Intel T-265, que contiene un acelerómetro y un giróscopo además del sistema de visión artificial. También se han realizado medidas manuales para comparar los resultados. Para evitar los errores no-sistemáticos, se deben generar trayectorias suaves, además de asegurar un suelo llano y no resbaladizo. Mientras que para una buena identificación de parámetros es conveniente que la trayectoria sea lo más cambiante posible. En este proyecto se deberán buscar soluciones de compromiso entre los dos requerimientos contradictorios. Este proyecto incluye desde el estudio teórico de métodos de calibración y autocalibración, al desarrollo de nuevas propuestas de experimentos para la calibración de los dos tipos de robots mencionados.

[EN] This Master’s Thesis comes from a project between the Universidad Politécnica de Valencia and the company “Robotnik” with the objective/intend of developing autocalibration methods for the kinematics parameters of mobile robots. These parameters are the wheels radii and their location on the robot, needed for the odometry implemented in the robot’s navigation. Odometry can be defined as a method that uses sensor measurements at the wheels to estimate the movement and position of the robot. It is used both for the control of the mobile robot as well as for its navigation. The initial parameters of any robot are known, but with time there may be variations due to wear or impacts, apart from the fact that there is a tolerance when manufacturing, which can result in an error in said parameters. It is here where the importance of being able to correctly estimate the kinematic parameters lays. The robots’ calibration can be carried out manually or automatically by the robot itself (autocalibration). For this the robot will perform a series of predefined movements and the error between the desired and the real trajectories will be measured either by a worker or by the robot through a series of sensors. Said error is then used to obtain the kinematics parameters of the robot. The manual calibration has the disadvantage of requiring someone else to take the measurements and perform the calculations. It is worth noting that there when studying the odometry of a mobile robot it is essential to consider the different types of errors that may cause an error in its movement. Systematic and non-systematic errors can be differentiated. Systematic errors are the ones caused by differences between the designed robot and the real one, this means lengths or radius that are not exactly what they should be. These are the errors that need to be gathered and reduced in this project. On the other hand, nonsystematic errors are caused by factors outside of the robot such as external forces or irregularities in the ground and cannot be predicted beforehand. The objective of this project is theoretical study and experimental endorsement of autocalibration methods in mobile robots from the company “Robotnik”. In particular, we will be working with the differential drive robot and the omnidirectional robot with four mecanum wheels. The aim is to correct the kinematic parameters of the robot (radius and wheel arrangement) by comparing the position of the robot estimated by odometry (wheel travel) with another source (vision system, inertia, manual measurements). Specifically, for taking measurements, the Intel T-265 camera has been used, which contains an accelerometer and a gyroscope in addition to the artificial vision system. Manual measurements have also been made to compare the results. To avoid non-systematic errors, smooth trajectories must be generated, in addition to ensuring a flat and non-slippery floor. But for a good identification of the required parameters, it is convenient that the trajectory be as exciting as possible. In this project, compromise solutions should be sought between the two contradictory requirements. This project covers from the theoretical study of calibration and self-calibration methods to the development of new experimental proposals for the calibration of the two types of robots mentioned.