El presente trabajo tiene como fin el desarrollo de un sistema de reconocimiento de gestos dinámicos aplicable a interfaces humano-computador. El reconocimiento es puramente visual, con imágenes obtenidas de una cámara web convencional. Un sistema de visión computacional previamente desarrollado permite extraer la posición de la cara y las manos. El trabajo se desglosa en dos objetivos. El primer objetivo es revisar y mejorar dicho sistema de visión computacional para alcanzar una mayor robustez en el tracking (seguimiento) de los movimientos corporales del usuario. El segundo objetivo consiste en proponer y estudiar un método de reconocimiento de gestos dinámicos caracterizados por la trayectoria de la mano. Para abordar el primer objetivo, se ponen a prueba varias modificaciones del sistema de tracking actual: restricción de la zona de tracking a la zona con piel y movimiento, extracción de nuevas características del objeto seguido, actualización en línea de dichas características, y búsqueda del objeto seguido a partir de múltiples puntos iniciales en la imagen. En cuanto al segundo objetivo, se observa que el reconocimiento de gestos dinámicos es un problema de reconocimiento de patrones espacio-temporales. Como tal, está sujeto a las variaciones de velocidad y geometría con que los usuarios realizan los gestos, lo cual hace necesario el uso de métodos estadísticos que den cuenta de tales variaciones. En este trabajo, se propone un método novedoso que evita el análisis temporal explícito, al reducir la secuencia de manos detectadas a estadísticas puramente geométricas. Estas estadísticas son suministradas continuamente a un conjunto de clasificadores Naïve Bayes, que entregan probabilidades de ejecución de cada gesto conocido por el sistema; al encontrarse un máximo local en dicha probabilidad, se declara la posible presencia de un gesto, el cual es validado mediante la comparación con plantillas. Se usan algunas reglas sencillas para abordar el problema de subgestos (reconocimiento errado de un gesto en vez de otro que lo contiene) y se aplican heurísticas como examinar la velocidad de la mano para determinar si el usuario desea dar por terminado el gesto o no. Los resultados de los experimentos muestran una mejoría pequeña del rendimiento del tracking gracias a los cambios introducidos. En tanto, el sistema obtiene una tasa de reconocimiento del 81,7% al reconocer dígitos dibujados con el puño en el aire, desempeño que podría ser mejorado desarrollando un mejor sistema de tracking de la mano y usando métodos geométricos más sofisticados que los propuestos en este trabajo. La velocidad de funcionamiento es de 6 a 7 cuadros por segundo, suficiente para su uso en tiempo real. El sistema también ha sido puesto a prueba con el robot de servicio Bender, con gestos diseñados especialmente para controlarlo, obteniendo una tasa de reconocimiento de 78,5%.

La estimación de la pose es un elemento de gran importancia para sistemas robóticos móviles que se desenvuelven en ambientes dinámicos. Existen diversas metodologías utilizadas para estimar esta pose, siendo esencial para el desempeño de todas ellas la calidad y abundancia de las observaciones obtenidas desde el ambiente. El objetivo del presente trabajo es aumentar la cantidad y mejorar la calidad de las observaciones de un robot humanoide antropomorfo. Para esto se implementó un sistema de visión activa, el cual permite discernir qué objeto o grupo de objetos resulta más conveniente observar para reducir la incerteza en la estimación de la pose del robot, desarrollando con tal propósito la capacidad para observar simultáneamente más de un objeto. Durante el período de trabajo se realizaron cuatro tareas principales para posibilitar el funcionamiento del sistema desarrollado. Estas consistieron en: (i) implementación de un detector de faros basado en el análisis de los puntos característicos de las regiones de color,(ii) habilitación en el simulador HL-Sim de la posibilidad de observar gráficamente las poses de los objetos presentes en el mapa local del robot, (iii) implementación de la funcionalidad de realizar seguimiento por posición, la que además contó con la capacidad de planificar trayectorias para la cabeza que consideren objetos extras durante el desplazamiento y de realizar seguimiento basado en la función de distribución de probabilidad de la ubicación del objeto, (iv) implementación de un algoritmo para discernir qué elementos observar, junto con la capacidad para observarlos. Los resultados obtenidos muestran en el perceptor de faros una alta tasa detecciones correctas (92,76%) y a la vez una baja tasa de falsos positivos (1,1%), lo cual corresponde a un resultado satisfactorio. En la rutina de seguimiento, se observó coherencia entre el seguimiento por posición y el seguimiento visual (diferencia angular del orden de 1 a 3 grados), además de evidenciar el correcto funcionamiento de las capacidades implementadas. Por último, en la rutina de visión activa los resultados y el comportamiento observado, revelan un correcto funcionamiento bajo un espacio de acciones en el que se consideran posibles la observación de objetos individualmente o en forma grupal. En conclusión, los resultados obtenidos revelan el buen funcionamiento de los métodos y algoritmos propuestos. Particularmente, el sistema implementado para la selección de los objetos a observar, a pesar de no mostrar una tendencia clara respecto a la reducción de la incerteza, permitió generar observaciones de diferentes objetos o grupos de estos, lo que resulta positivo para el sistema pues genera un mayor flujo de información que ingresa a éste.

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Ingeniero Civil Electrico / Este trabajo se enmarca dentro de un proyecto de automatización de vehículos terrestres del Centro Avanzado de Tecnología para la Minería perteneciente a la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Este proyecto tiene por propósito construir un vehículo autónomo, capaz de operar en un ambiente similar al encontrado en mineras. El objetivo general de la presente Memoria de Título es el desarrollo de una estrategia de control para el seguimiento de trayectorias en un vehículo autónomo terrestre, todo lo anterior en ambiente de simulación Matlab Simulink. También es parte de este trabajo sentar las bases para la implementación de estas estrategias de control en un vehículo a escala real. Se tomará en cuenta, como referencia para el ajuste de las leyes de control, la utilización de un automóvil marca Volkswagen modelo Tiguan. El trabajo realizado se divide en tres etapas: investigación bibliográfica, análisis de opciones y diseño de leyes de control; implementación de controladores en simulador; y finalmente, sintonización, validación de estrategia y análisis resultados. En la primera etapa se presentan antecedentes y métodos encontrados en la literatura que suelen utilizarse para solucionar el problema de seguimiento de trayectoria. Luego, se escogen dos posibles métodos: el primero es un controlador diseñado a partir de la estrategia de control por modo deslizante (SMC por su sigla en inglés) y el segundo corresponde al utilizado anteriormente en un Volkswagen Touareg Stanley, desarrollado en la Universidad de Stanford). Durante esta etapa también se derivan las ecuaciones de la ley de control, de ambos métodos, para ser aplicadas al modelo del automóvil. La segunda etapa del trabajo consiste en implementar los controladores escogidos previamente. Los códigos son escritos en Matlab y se utiliza la plataforma Matlab Simulink para implementar el seguimiento de trayectoria. Además de los controladores, el sistema requiere de un planificador de trayectoria, el modelo del vehículo y controladores específicos de más bajo nivel; los últimos dos fueron implementados en Matlab Simulink en etapas anteriores del proyecto y se reproduce la salida del planificador para este trabajo. Por último, luego de tener una plataforma de simulación para ambas estrategias de control, se ejecutan variadas pruebas. En una primera instancia se realiza, a base de prueba y error, la sintonización de todos los parámetros de los controladores con el objetivo de minimizar el error cuadrático medio para una trayectoria predefinida. Luego, se procede a pruebas en distintos escenarios y para distintas trayectorias, las que incluyen cambios de velocidad y trayectorias con discontinuidades. Además se intenta cuantificar el comportamiento de los sistemas controlados a partir de la medición de características del error, tales como los tiempos de respuesta y estabilización. Finalmente, se escoge como el mejor controlador al propuesto por el grupo de Stanford y se sugiere para ser implementado en el Volkswagen Tiguan. Así mismo, se presenta un método para sintonizar el controlador en el automóvil sin necesidad de realizar prueba exhaustivas para todos los casos. Además, queda planteado como trabajo futuro la implementación del controlador en lenguaje C++ para ser incluido en el automóvil del AMTC.

Ingeniero Civil en Computación / Para investigación en el área de robótica autónoma, el Laboratorio RyCh (Robótica y Computación en Chile) del Departamento de Ciencias de la Computación de la Universidad de Chile dispone del robot PR2, que provee de una plataforma completa para implementación y testeo de algoritmos orientados a solucionar problemas de este ámbito. Una de las materias altamente estudiadas globalmente es el de la capacidad de manipulación de los robots en ambientes cotidianos, con mínima o nula intervención humana sobre las acciones del robot en el proceso. El presente trabajo de memoria aborda el problema de placing (posicionamiento) autónomo de objetos, para entregar así al robot PR2 una funcionalidad hasta ahora ausente y de alta utilidad. Para lograr este cometido, se llevó a cabo en una primera etapa un proceso de investigación sobre el tema y las herramientas a utilizar, para luego pasar a las etapas de diseño, implementación y testeo de una solución computacional que resuelva este problema. Específicamente, en las primeras etapas del trabajo, se investigó acerca de la constitución lógica y física del robot, sobre sus alcances y limitaciones y estándares para el trabajo con esta plataforma. Paralelamente, se trabajó sobre el robot a modo de corroboración de los conceptos aprendidos y se destinó una gran parte del tiempo a realizar indagaciones acerca de trabajos similares realizados sobre este y otros sistemas robóticos autónomos. A continuación se analizó a fondo el problema a resolver, pudiendo así identificar sus posibles aristas y acotar el trabajo realizable con los recursos disponibles, llegando a la definición exacta de lo que se busca desarrollar: Un algoritmo de posicionamiento de objetos desconocidos en superficies planas para el robot PR2. Se prosiguió con el diseño, implementación y testeo de los cinco módulos principales de la solución: Modelamiento del objeto, Cálculo de Pose Estable, Búsqueda de Superficie, Desplazamiento hacia Superficie y Posicionamiento cuyas subcomponentes funcionales formaron la estructura total del software, dando origen a mecanismos de control motriz del robot y a algoritmos específicos para escaneo tridimensional de objetos en una tenaza del robot, detección de superficie de apoyo estable óptima para objetos de diversas geometrías, búsqueda autónoma de una superficie adecuadas para posicionamiento basada en segmentación y traducción de pose estable del objeto a posiciones de la tenaza que lo sostiene, entre otros. Se creó también un módulo preliminar: Preparación del Robot, para llevar al PR2 al estado inicial de posicionamiento de objeto. El desarrollo de estas componentes se realizó de forma independiente, testeando y ajustando parámetros de cada algoritmo. La unificación de todas estas partes dio origen finalmente al programa completo de placing , que resultó en el posicionamiento exitoso de objetos de diversa complejidad geométrica. Los casos fallidos se deben casi exclusivamente a la mala elección del espacio en la superficie utilizada. Se ofrece al final del documento detalles y análisis sobre su aplicación en diversos casos de estudio, mostrando sus fortalezas en la estimación de estabilidad, y debilidades en elección de superficies de posicionamiento. Mejoras al programa son propuestas luego en la sección Trabajo Futuro. El trabajo permitió entender mejor el modo de desarrollo actual para la robótica y en este proceso sentó las bases para la entrega de un sistema funcional.

Doctor en Ingeniería Eléctrica / En la actualidad los sistemas de navegación autónoma de vehículos terrestres ya son una realidad. Estos sistemas son capaces de navegar de manera autónoma por caminos tanto estructurados como no estructurados. Para la adecuada interacción de estos sistemas autónomos con su entorno, la información perceptual debe ser integrada en un mapa para su posterior utilización. Esta integración puede tener distintos enfoques y representaciones dependiendo del origen de la información y del uso dado. Los sistemas autónomos de navegación han tenido éxito desde el punto de vista técnico gracias, entre otras cosas, a los sensores empleados; los cuales frecuentemente incluyen sensores LIDAR tridimensionales. Sin embargo, el uso de estos mismos sensores impiden su masificación debido a su alto costo. Este costo elevado se debe a que la gran mayoría de ellos son dispositivos de uso industrial y no tienen aplicaciones automotrices o de consumo masivo. Dentro de este ámbito, el Centro Avanzado de Tecnología para la Minería (AMTC) está desarrollando un vehículo autónomo terrestre para ser utilizado como plataforma de desarrollo para tecnología en la industria minera. Se busca generar un sistema que se pueda portar a la industria. Con este fin, este proyecto plantea el uso de un número limitado de sensores y unidades de computo. Este trabajo de tesis se enmarca dentro del proyecto de vehículo autónomo del AMTC. Esta tesis propone que un conjunto reducido de sensores de rango bidimensionales es suficiente para la generación de mapas de entorno en tiempo real, que puedan ser utilizados para la navegación autónoma de un vehículo terrestre. Se postula que las variaciones en la pose de los sensores de rango utilizados para construir los mapas de entorno, causadas por las vibraciones del vehículo debido a su naturaleza no-rígida y a las irregularidades del terreno, pueden ser estimadas y compensadas utilizando una unidad inercial y un sistema de estimación del estado del vehículo basado en el uso de un Filtro de Kalman Extendido. Este estimador de estado puede enriquecer su estimación mediante el uso de sensores internos del vehículo y de estimaciones de la morfología del terreno realizadas en instantes anteriores. Se postula asimismo que la fusión temporal de las mediciones de los sensores de rango, compensadas por el sistema de estimación de pose, puede ser implementada usando Filtros de Kalman por celda. También es propuesta una metodología de evaluación que asume la carencia de un ground truth contra el cual comparar. Debido a lo ligado de la estimación del vehículo con el mapa de entorno, una observación LIDAR inmediata al vehículo es comparada con la morfología acumulada en el mapa permitiendo evaluar la estimación del trayecto recorrido y la integración de las observaciones simultáneamente. El sistema propuesto es evaluado en caminos no pavimentados a diferentes velocidades, mostrando un mejor desempeño tanto cuantitativo como cualitativo al ser comparado con el caso en que no se usa el estimador de estado propuesto. Además es analizado el desempeño del estimador de estado y sus variantes a nivel de trayectorias, comparándolo con las trayectorias de las observaciones GPS. Para todo lo anterior se implementa sobre una arquitectura de software versátil y adaptable a diferentes fuentes de información.

En los métodos actuales de SLAM visual, los mapas son representados mediante landmarks puntuales. Como la observación de un landmark puntual entrega sólo información angular sobre la cámara, se debe estimar una matriz de covarianza que considere todos los puntos para poder converger a una escala global. Sin embargo, como la complejidad computacional asociada al trabajo con matrices de covarianza crece de una forma cuadrática respecto al número de landmarks, la cantidad máxima de puntos con los cuales se puede trabajar n tiempo real está limitada a unos cientos. En este trabajo se propone un sistema de SLAM visual basado en el uso de los denominados landmarks cuerpo rígido. Un landmark cuerpo rígido representa la pose completa 6D (posición y orientación) de un cuerpo rígido en el espacio, y la observación de uno de estos landmarks proporciona información completa acerca de la pose de una cámara móvil. Cada landmarks cuerpo rígido es creado a partir de un conjunto de N landmarks puntuales mediante el colapso de 3N componentes del estado en 7 nuevas componentes del estado, además de un conjunto de parámetros que describe la forma del landmark. Los landmark cuerpo rígido son representados y estimados usando puntocuaterniones, los cuales son introducidos en este trabajo. Mediante el uso de los landmarks cuerpo rígido, el tiempo de ejecución del sistema de SLAM puede reducirse hasta un 5.5% a medida que la cantidad de landmarks aumenta. El sistema SLAM propuesto es validado y simulado en secuencias de video reales. El método propuesto puede ser extendido a cualquier sistema de SLAM que se base en el uso de landmarks puntuales, incluyendo aquellos generados mediante sensores láser.

Orientador: Pablo Siqueira Meirelles / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-31T18:38:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alvarez-Jacobo_JustoEmilio_M.pdf: 7357916 bytes, checksum: 36471c499450bbadf2fb1a62630efad2 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Este trabalho apresenta o projeto, implementação e construção do robô autônomo móvel RAM-I, o qual tem autonomia energética e de controle. A locomoção é feita através de motores de passo, controlados pelo módulo Controlador dos Motores, baseados no microcontrolador PIC 16F84. O módulo Principal recebe os sinais dos sensores externos e os processa conforme a estratégia de controle implementada. Esta é baseada na Arquitetura Subsumption, tomando as decisões que serão enviadas pela interface para o módulo Controlador dos Motores, sem necessidade de intervenção externa. A alimentação é feita por meio de baterias embarcadas. Será apresentado o projeto do Sistema, descrição das partes, implementação da estratégia de controle, modelagem do robô e por ultimo os resultados experimentais obtidos com o protótipo construído em laboratório / Abstract: This work presents the design, implementation and construction of a mobile autonomous robot RAM-I, which has autonomous energy supply and control. The locomotion is done through stepper motors, controlled by the module Controller of the Motors based on microcontroller PIC16F84. The Main module, also based in the PIC, receives the inputs signals from external sensors and processes according with the control strategy implemented, based on the Architecture of Subsumption, taking decisions that will be sent to the interface for the Motor Controller, without the necessity of external intervention. The power will be supplied by internal batteries. It will be presented the design of the system, description of the parts, implementation of the control strategy and modeling, as well as the experimental results obtained with the prototype constructed in the laboratory / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Autorizada por el autor, pero con restricción para ser publicada a texto completo hasta el año 2014 / El objetivo general de la presente Memoria de Título es el diseño e implementación de una interfaz segura que permita actuar eléctricamente sobre el acelerador, la caja de cambios y el freno de mano de un vehículo liviano de dos ejes. En forma adicional, se contempla también el comisionamiento de los controladores asociados a la actuación electromecánica sobre la dirección y el pedal de freno del mencionado vehículo. Este trabajo se contextualiza como una de las primeras etapas de un proyecto de automatización de vehículos terrestres, con aplicación directa en la operación tele-comandada o autónoma de los mismos dentro de faenas mineras a rajo abierto. El trabajo realizado puede dividirse principalmente en tres etapas: investigación bibliográfica y análisis de los distintos mecanismos del vehículo a intervenir, diseño y dimensionamiento del sistema y, finalmente, su implementación. La etapa de diseño y dimensionamiento incluye el desarrollo de la filosofía de control que genera las pautas para el funcionamiento del sistema. Esto, a su vez, permite definir los requerimientos iniciales y perfilar esquemáticos para los distintos actuadores que manipulan electromecánicamente el acelerador, la transmisión y el freno de mano del vehículo. Todos los diseños consideran sistemas de seguridad, dado que éste es un tema clave en cualquier tipo de proceso industrial, y en especial en aquellos asociados a la minería. Dichos sistemas son implementados a través de mecanismos de detección de fallas durante la operación del vehículo, así como de sistemas y protocolos de respuesta si éstas se presentasen. La etapa de implementación considera el diseño propuesto y lo convierte en un dispositivo físico instalable en el vehículo. Lo anterior implica la programación de la lógica de control, el cableado del vehículo, el diseño del soporte físico del panel electrónico y el diseño de la tarjeta impresa que aloja los distintos componentes electrónicos a utilizar. Para determinar si se cumplen los requerimientos iniciales de diseño, se implementa una interfaz de pruebas para el sistema desarrollado, a través de la cual se determina que la latencia del sistema es de 20 [ms]. Además se verifica que las referencias de los actuadores se pueden entregar a una frecuencia de 110 [Hz] y que el sistema es capaz de entregar retroalimentación a 60 [Hz]. Dichos resultados demuestran que el sistema de actuación electromecánica supera los requisitos impuestos para ser utilizado en el vehículo en cuestión. El sistema además minimiza en la medida de lo posible las intervenciones mecánicas ya que para poder actuar sobre el acelerador, la transmisión automática y el freno de mano electromecánico se intervienen las señales eléctricas de control del vehículo. Para actuar sobre el freno y la dirección, recogiendo la experiencia de otros proyectos similares, se prefiere actuación electro-mecánica. La implementación en el vehículo de dichos sistemas queda fuera del alcance de esta Memoria de Título. Finalmente, se presentan mejoras al sistema implementado (inspiradas en los resultados de las pruebas de desempeño), así como trabajos futuros en la misma línea de desarrollo. La mayoría de dichas mejoras tiene que ver con la seguridad del sistema y la comodidad de su operación.

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo de título entrega el diseño completo e implementación de un sistema de potencia instalado en un vehículo con mecanismo de Theo Jansen, construido por estudiantes del curso ME 5601 Diseño de Sistemas Mecánicos el primer semestre del año 2015. La motivación de este trabajo es aplicar los conocimientos teóricos de la ingeniería mecánica, pasando por la concepción de una idea, su diseño, implementación y finalmente su operación. El trabajo comenzó con el análisis del vehículo disponible, en donde se estudia el diseño y sus principales errores y se diseñan soluciones posibles a las fallas encontradas. Posteriormente, se realiza el diseño del sistema de potencia, para esto se comienza estudiando los requerimientos de potencia para el vehículo y se termina con 2 sistemas de potencia: una transmisión derecha y una izquierda, para esto se utiliza un software CAD. Luego, se construyen las mejoras diseñadas y los 2 sistemas de potencia y se instalan sobre el vehículo disponible. Como resultado se tienen los cálculos de respaldo, el modelo CAD de todo el sistema, planos de construcción y el modelo real. Los cálculos de respaldo muestran que todos los elementos comerciales y manufacturados satisfacen las condiciones de operación. El modelo CAD contiene la información de todos los elementos comerciales y manufacturados. Los planos de construcción ofrecen la información de todo lo construido, en su conjunto, despiece y detalle, para su replicación y estudio. La implementación del diseño realizado tardó 4 meses y tuvo un costo aproximado de $450.000, el modelo completo fue operado sin problemas relevantes. Se concluye que es totalmente factible realizar un diseño e implementación de sistemas relativamente novedosos. Por otro lado, la tecnología en sí, como ha sido construida, posee varias limitantes y la superación de ellas puede llevar a aplicaciones concretas, desde la agricultura a transporte en zonas devastadas con superficies complejas.