Calibración de parámetros de odometría de robot de tracción diferencial

1. Objetivos

El objetivo principal del proyecto es aplicar técnicas de calibración de los parámetros de odometría para un robot móvil de tracción diferencial. Para esto se necesita desarrollar diferentes programas para generar las trayectorias necesarias del robot móvil, junto a programas para la utilización de los sensores necesarios en las técnicas empledas. Además, de evaluar los resultados obtenidos una vez corregidos los parámetros de odometría.

2. Introducción

La odometría se refiere a la estimación de posición durante la navegación (dead-reckoning). En la mayoría de los robots móviles, la odometría se implementa por medio de encoders ópticos que determinan las revoluciones de las ruedas o el ángulo de dirección. Los datos de los encoders se utilizan para calcular el desplazamiento del vehículo a partir de una posición conocida de inicio. La odometría es simple, de bajo costo, y fácil de implementar en tiempo real; la desventaja es que los errores de estimación se acumulan sin límite. Debido al error acumulado generalmente es necesario realizar una corrección de la posición absoluta basado en mediciones externas.

3. Errores sistemáticos y no sistemáticos

Los errores no sistemáticos son aquellos no causados directamente por las propiedades cinemáticas del vehículo, por ejemplo: deslizamiento de la rueda o imperfecciones del suelo. En una superficie no uniforme con irregularidades significantes, los errores no sistemáticos son dominantes en los errores de odometría. Por otro lado, los errores sistemáticos son particularmente graves puesto que se acumulan constantemente. En superficies de ambientes interiores los errores sitemáticos contribuyen mucho mas que los errores no sistemáticos.

Los errores sistemáticos dependen de los parámetros del diseño mecánico y requieren especial atención en la fabricación del robot. Estos se deben a:

• desigualdad en los diámetros de las ruedas,
• desalineación de las ruedas,
• incertidumbre sobre la distancia efectiva entre las ruedas,
• resolución limitada de los encoders,
• tasa de muestreo de los encoders limitada.

3.1. Definición de errores sistemáticos

En los robots de tracción diferencial hay dos fuentes de errores sistemáticos dominantes: desigualdad en los diámetros de las ruedas, e incertidumbre sobre la distancia efectica entre las ruedas (wheelbase, medida ideal entre los puntos de contacto de las ruedas y el piso).

4. Técnicas de calibración

Las técnicas de calibración de parámetros de odometría permite obtener valores de corrección de dichos parámetros, correspondientes al diámetro de las ruedas y la distancia entre ruedas del robot móvil. Esto corrige los llamados errores sistemáticos de odometría y permite obtener así resultados más precisos en la aplicación de la técnica de tracking de posición utilizada en la robótica móvil.

Entre los principales trabajos de calibración de parámetros de odometría se encuentran el método conocido como UMBmark[1] y el BCPT[2]. Ambos métodos determinan dos parámetros de corrección, uno que se aplica a la corrección al diámetro de las ruedas y el otro a la distancia entre ruedas. El experimento que plantea el métodos UMBmark corresponde a realizar trayectorias cuadradas en sentido horario y antihorario, y determinando la posición final mediante sensores a bordo del robot; esto se repite varias veces para minimizar los errores no sistematicos. En base a estas mediciones se determinan los parámetros de corrección. El método BCPT obtiene los mismos parámetros de corrección pero utilizando trayectorias circulares. La principal diferencia entre ambos métodos es que en UMBmark la trayectoria cuadrada se basa en la odometría del robot mientras que en BCPT las trayectorias circulares se fijan aplicando velocidades diferentes a cada rueda, no haciendo uso de la odometría (aún sin corrección) del robot.

5. Referencias

• [1].- "Correction of Systematic Odometry Errors in Mobile Robots", Johann Borenstein and Liqiang Feng, The University of Michigan, 1995. Descargar

• [2].- "Measurement and Correction of Systematic Odometry Errors Caused by Kinematics Imperfections in Mobile Robots", Tanveer Abbas, Muhammad Arif, and Waqas Ahmed. SICE-ICASE 2006. Descargar