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A combined RRT*-optimal control approach for kinodynamic motion planning for mobile robots
(2016) Busch Hopfenblatt, Nicolás Axel; Torres Torriti, Miguel Attilio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Uno de los desafíos más importantes en la minería subterránea es la planificación de trayectorias para excavadoras y camiones, debido principalmente al escaso espacio disponible para maniobrar y al consumo de combustible. Múltiples métodos para planificación de trayectorias para robots móviles han sido propuestos en las últimas décadas. Gran parte de estos métodos calculan trayectorias que satisfacen un criterio de optimización, pero no consideran la factibilidad de la trayectoria en términos de la dinámica de movimiento del robot. En este trabajo se presentan dos métodos de planificación de trayectorias que combinan el algoritmo de planificación RRT* con la solución de un problema de control óptimo sobre un número finito de subintervalos de una trayectoria poligonal, la cual se deriva del camino encontrado con RRT*. Los algoritmos propuestos consideran el modelo de movimiento del robot en la etapa de planificación, por lo que las trayectorias generadas son dinámicamente compatibles con el robot.
A comparison of gradient versus color and texture analysis for lane detection and tracking
(IEEE, 2009) Tapia Espinoza, Rodolfo Antonio; Torres Torriti, Miguel Attilio
Accurate lane detection in real-time is a critical task in autonomous vehicle guidance and lane departure warning for driver assistance. Existing vision-based approaches rely mostly on some analysis of the spatial gradient of the image. However, if the road structure is not regular and well delimited, edges may not be easy to extract and other features must be employed. This paper evaluates the use of color and textural features as a way to improve the standard gradient-based lane detection. Textural features are generated using a bank of Gabor filters. A benefit of using color and texture is that the sky regions of the image, as well as side elements, can be detected. The results obtained from testing the approaches on city roads show that color and texture analysis yields a more accurate road segmentation.
A Comparison of Path Planning Algorithms for Omni-Directional Robots in Dynamic Environments
(IEEE, 2006) Haro, F.; Torres Torriti, Miguel Attilio
The scope of this paper is to analyze and compare three path planning methods for omni-directional robots, which are based on a) the bug algorithm, b) the potential fields algorithm, and c) the A* algorithm for minimum cost path with multiresolution grids. The approaches are compared in terms of computational costs and the resulting path lengths. Results obtained indicate that the bug algorithm is a suitable choice for this type of application as its computational cost is lower than that of the other methods. Furthermore, minor modifications of the standard bug algorithm, such as the tangent following modification, allow the path planner to handle well the situations encountered in typical multi-robot environments
A density-based approach for effective pedestrian counting at bus stops
(IEEE, 2009) García Bunster, Guillermo; Torres Torriti, Miguel Attilio
Accurately counting people waiting at bus stops is essential for automated bus fleet scheduling and dispatch. Estimating the passenger demand in regular open bus stops is a nontrivial problem because of the varying conditions, such as illumination, crowdedness, people poses, to name a few. This paper presents a simple, but very effective approach to estimate the passenger count using people density estimates. People density is obtained from foreground segmentation using a Gaussian mixture background model. A linear model, which is employed to correct the densities due to perspective scaling for people far from the camera position, yields the final people count estimates. The approach is compared to the well-know Viola-Jones detector and shown to yield better people count estimates despite its simplicity, because it is more robust to occlusions, pose changes, and due to the fact that it does not attempt to find body parts. The proposed method is general and can be employed to count people in other public spaces, such as buildings.
A geometric approach to feedback stabilization of nonlinear systems with drift
(2003) Michalska, H; Torres Torriti, Miguel Attilio
The paper presents an approach to the construction of stabilizing feedback for strongly nonlinear systems. The class of systems of interest includes systems with drift which are affine in control and which cannot be stabilized by continuous state feedback. The approach is independent of the selection of a Lyapunov type function, but requires the solution of a nonlinear programming satisficing problem stated in terms of the logarithmic coordinates of flows. As opposed to other approaches, point-to-point steering is not required to achieve asymptotic stability. Instead, the flow of the controlled system is required to intersect periodically a certain reachable set in the space of the logarithmic coordinates.
A pattern recognition strategy for visual grape bunch detection in vineyards
(2017) Pérez Zavala, Rodrigo Andrés; Torres Torriti, Miguel Attilio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Además de reducir los conocidos problemas de escasez de mano de obra, el uso de robots para la viticultura de precisión en la industria vitivinícola podría ayudar a aumentar la eficiencia en el control de los cultivos, la fertilización, la gestión, el fenotipado y la cosecha. Sin embargo, uno de los principales retos es la detección automatizada de racimos de uva, lo que ha frenado la adopción de unidades robóticas. Por lo tanto, este trabajo presenta un método que emplea cámaras de espectro visible para el reconocimiento de uvas y la detección de racimos de uva en terreno en diferentes escenarios de iluminación. Se presenta un estudio comparativo de diferentes descriptores y clasificadores para el reconocimiento de bayas, junto con un método para la detección del racimo de uva utilizando imágenes obtenidas en terreno. Se probaron tres descriptores de información de gradiente (Histogram of Oriented Gradients, Dense Scale Invariant Feature Transform y Daisy) y un descriptor de textura (Local Binary Pattern), junto con la comparación de clasificación entre Support Vecto Machine (SVM) y Support Vector Data Descriptor (SVDD) para el reconocimiento de bayas. La mezcla de descriptores HOG + LBP, junto al clasificador SVM, supera a los otros descriptores con una accuracy de 96%, precision de 99% y recall de 93% en clasificación de imágenes en categoría uva o no-uva. Se propone un método para la detección de racimo de uva usando imágenes, aplicando el método Fast Radial Symmetry Transform como detector de puntos claves. Luego, la extracción y clasificación de características tiene lugar en cada punto de interés en múltiples escalas. Posteriormente, un método DBSCAN define el número de clúster y permite crear la envolvente no convexo para cada racimo, utilizando la técnica de Alpha Shapes, para consecutivamente analizar la distribución espacial y separa racimos vecinos. Los resultados se compararon con imágenes clasificadas manualmente, obteniéndose 83% de precisión y 82% de recall en la detección de racimos de uvas. A su vez se analizó el área clasificada obteniéndose accuracy del 96%, precision 81% y un recall de 71%. Los resultados muestran un buen desempeño sin la necesidad de iluminación externa, sin utilizar información de color y detectando racimos cercanos en ambientes variables.
A robotics simulator for python
(2014) Larraín Muñoz, Germán; Torres Torriti, Miguel Attilio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La modelación y simulación de sistemas robóticos es esencial para efectos del diseño y programación de robots, así como para el entrenamiento de operadores. De las herramientas desarrolladas a lo largo de los años, algunas han alcanzado niveles razonables de madurez pero son específicas a robots manipuladores y no incluyen herramientas apropiadas para modelar bases móviles, mientras que otras se centran en bases móviles en espacios planos en 2D pero que no consideran entornos 3D. Otras herramientas pueden integrar modelos ya construidos para simular manipuladores móviles complejos o incluso humanoides pero tienen empinadas curvas de aprendizaje y requieren tiempo y habilidades significativas de programación. La situación es aún más complicada debido a la falta de estándares de simulación y lenguajes ampliamente aceptados entre los desarrolladores de robots, quienes a menudo implementan simulaciones personalizadas específicas a una cierta aplicación u otros aspectos particulares como, por ejemplo, la planificación de movimiento y navegación de robots, diseño y evaluación mecánica, entrenamiento, etc. Sin embargo, la aplicación de robots a tareas cada vez más complejas requiere de herramientas de simulación precisas –pero simples de usar–, modulares y estandarizadas, capaces de describir cosas como la interacción del robot con el entorno (e.g. interacciones efector-objeto, robot-terreno y sensor-entorno). En este trabajo se describe el diseño de una herramienta de este tipo para la simulación físicamente precisa de robots y sistemas multicuerpo. El software, implementado en Python sobre librerías muy respetadas de física y visualización, es de código abierto, modular, fácil de aprender y usar, y puede ser una herramienta valiosa en el proceso de diseño de robots, en el desarrollo de algoritmos de control y razonamiento, así como en docencia y otras actividades educacionales.
A robust lane geometry estimation and tracking approach for driver alert using color and texture segmentation.
(2012) Tapia Espinoza, Rodolfo Antonio; Torres Torriti, Miguel Attilio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Una detección precisa de la pista en tiempo real y bajo un amplio rango de condiciones es una tarea crítica en el control de vehículos autónomos y en sistemas de alerta al conductor. La mayoría de los métodos basados en visión dependen principalmente de algún tipo de análisis del gradiente espacial de la imagen. Sin embargo, una de las desventajas del método basado en gradiente es que si la estructura del camino no es regular y bien delimitada, los bordes pueden no ser fáciles de extraer y otro tipo de características deben ser empleadas. Este trabajo evalúa el uso de características de color y textura como una manera de mejorar la detección de la pista basada en el método estándar de gradiente. Las características de textura son generadas usando un banco de filtros de Gabor y Campos Gaussianos Aleatorios de Markov, mientras que la detección basada en color usa el algoritmo mean-shift para agrupar áreas uniformes. Los resultados obtenidos al probar los métodos propuestos en rutas urbanas muestran que el análisis usando texturas y color puede mejorar la segmentación del camino y la detección de salidas del carril.
A survey of ranging and imaging techniques for precision agriculture phenotyping
(2017) Narváez, F.; Reina, G.; Torres Torriti, Miguel Attilio; Kantor, G.; Cheein, F.
A two-stage deep learning strategy for weed identification in grassfields
(2024) Calderara Cea, Felipe Antonio; Torres Torriti, Miguel Attilio; Auat Cheein, Fernando; Delpiano, José
Machine vision strategies for weed identification, whether in industrial crops or grassfields, are fundamental to the development of automated removal systems necessary to increase agricultural yield and field maintenance efficiency. Identifying plant species considered invasive on grassfields is particularly challenging due to reduced color and morphological contrast, as well as phenotypic variability. This work presents a two-stage weed identification strategy using visible spectrum images. The first stage employs a convolutional siamese neural network to identify candidate regions that may contain weeds of irregular or regular morphology. The second stage employs a convolutional neural network to confirm the presence of irregular morphology weeds. The results of each stage are combined to produce an output containing a per-pixel probability of irregular weed and bounding boxes for the morphologically regular weed. The two-stage strategy has an accuracy score of 97.16% and a balanced accuracy score of 89.94% and macro F1 score of 81.14%. In addition to the good performance scores obtained with the proposed approach, it is to be noted that the convolutional Siamese network allows achieving a good performance with a relatively small dataset compared to other strategies that employ data-intensive training phases for optimizing the convolutional neural networks. The results were obtained with a dataset of weeds that has been made publicly available, as well as the neural network models and associated computer code. The dataset contains samples Trifolium repens and Lectuca virosa on grass obtained with two different cameras under varying illumination conditions and different geographic locations. The lightweight nature of the proposed strategy provides a solution amenable to implementation using currently existing embedded computer technology for real-time weed detection.
Active rejection of terrain disturbances for hydraulically actuated mobile manipulators
(2018) Rigotti Thompson, Mattia Ignazio; Torres Torriti, Miguel Attilio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El desacople entre el movimiento del extremo efector y la base móvil es especialmente importante para manipuladores móviles en minería que atraviesan terrenos disparejos, donde el derrame de material desde excavadoras y cargadores frontales reduce la productividad y enlentece las operaciones debido a un incremento en los tiempos de limpieza y mantención. Por ello, este trabajo propone un método activo de control para la reducción de perturbaciones propagadas a través de las ruedas y brazo manipulador de la máquina sobre el extremo efector de manipuladores móviles robóticos con actuadores hidráulicos. El controlador propuesto se basa en la combinación de una prealimentación calculada en tiempo real con una estrategia de control H1, que considera tanto la dinámica de los actuadores hidráulicos, como las fuerzas de reacción sobre los puntos de contacto de la base móvil. Los resultados experimentales obtenidos de simulaciones y pruebas utilizando un cargador compacto industrial semi-autónomo muestran la efectividad de la estrategia propuesta al ser comparada con estrategias de control alternativas, tales como control proporcional-derivativo (PD) clásico y Active Disturbance Rejection Control (ADRC), con y sin prealimentación. Los resultados demuestran que la estrategia propuesta es capaz de reducir perturbaciones cercano a un 74% conduciendo sobre una rampa a un 25% de la velocidad máxima del vehículo, y por más de un 23% conduciendo sobre resaltos ubicados en el camino para replicar el efecto de piedras. Por ello, en el contexto de la industria minera, la estrategia propuesta para la atenuación de perturbaciones debiese ayudar a mejorar la maquinaría autónoma existente, que es capaz de conducirse por galerías mineras con poca supervisión de un operador, pero no es capaz de evadir material en el terreno que genera perturbaciones o la irregularidad característica del terreno en minería.
Adaptive Nonlinear MPC for Efficient Trajectory Tracking Applied to Autonomous Mining Skid-Steer Mobile Robots
(IEEE, 2020) Prado, Alvaro Javier; Chávez, Danilo; Camacho, Oscar; Torres Torriti, Miguel Attilio; Auat Cheein, Fernando
The heterogeneous nature of the navigation surface suggests adaptation capabilities in vehicle motion control to overcome the effects of the wheel-terrain interaction. In such scenario, this paper presents an integral adaptive control framework built upon a Nonlinear Moving Horizon Estimator and a Nonlinear Model Predictive Control scheme, under which the objective is to on-line estimate states and model parameters of a robot motion model while autonomously navigating in off-road terrain conditions. With an adjustable model, the controller is made adaptive against terrain changes while tracking prescribed trajectories. The system is composed by two coupled subsystems to represent the vehicle motion and tire slip dynamics. The combined control-estimation strategy works under the Real-Time Iteration scheme to attain reliable computational activity for high-speed tire dynamics (e.g., slip). Trials in a simulation and real test environment with a compact mini-loader CatÂ® 262C, as those found in the mining industry, showed that the approach is able to efficiently estimate states and model parameters without exceeding constraints. The analysis of computational efficiency in various hardware configurations is also provided, exhibiting that the rapid optimization involved in the proposed controller is possible for high-speed dynamics.
Agricultural service unit motion planning under harvesting scheduling and terrain constraints
(2017) Cheein, F.; Torres Torriti, Miguel Attilio; Busch, N.; Prado, A.; Calabi Guzmán, Daniel Alberto
Algebraic path tracking to aid the manual harvesting of olives using an automated service unit
(2016) Rosell Polo, J.; Auat Cheein, F.; Scaglia, G.; Torres Torriti, Miguel Attilio; Guivant, J.; Prado, A.; Arnò, J.; Escolà, A.
An algorithm for block diagram processing and the DiaBloS tool for systems simulation
(2024) Rojas Sepúlveda, Matías Nicolás Alejandro; Torres Torriti, Miguel Attilio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Visual diagrammatic programming and block diagrams have been a valuable tool for systems modeling and simulation for several decades in research, development, and educational purposes. Despite the existing mature commercial and free software tools, there is no such kind of tool for the Python programming environment. Little information concerning algorithms to process block diagrams that represent dynamical systems and simulate the corresponding models can be found in the public domain. This is likely because simulation systems based on block diagram descriptions that have become de facto industry standards use proprietary solutions, even if their origins can be traced back to work done in research centers and universities more than seven decades ago. Therefore, the main contributions of this work can be summarized in: i) the development of an algorithm and its detailed description for processing block diagrams (multigraphs), ii) the development of DiaBloS, an open source software tool for Python that implements a diagrammatic visual programming interface and the associated block diagram processing algorithms. The latter contribution aims at code design simplicity, modularity, portability, extensibility of its functionality, and providing an open source tool for Python that could satisfy educational purposes while contributing to the understanding of algorithms for processing block diagrams. Other goals like performance, interface responsiveness aesthetics and code optimization were intentionally treated as secondary goals. We expect this contribution will not only serve as a basis for new developments in visual programming systems, but also provide a free open tool accessible to educators in many areas involving systems modeling and simulation. The numerical accuracy of DiaBloS has been validated to be the same as that achieved by commercial and open code-based existing integration routines implementing the fixed-step RK45 method. Application examples are also provided to demonstrate its capabilities and simplicity. This work also provides an overview of the evolution of existing graph-based modeling paradigms. This overview could also have a reference value, as it brings together many ideas that are connected, but spread in such a way that it becomes difficult to have a general articulated picture of the developments in the field of graphical programming tools and algorithms for processing multigraphs.
Automatic ship positioning and radar biases correction using the hausdorff distance
(IEEE, 2007) Torres Torriti, Miguel Attilio; Guesalaga Meissner, Andrés
This paper describes a novel technique to obtain radar biases estimates that can effectively reduce mismatches in track association algorithms. This is accomplished by matching ship-borne radar images to geo-referenced satellite images. The matching is performed through the minimization of the averaged partial Hausdorff distance between data points in each image. The minimization rapidly yields robust latitude and longitude position estimates, as well as ship heading and radar biases. The accuracy of the measurements is improved by feeding them into a Kahnan filter, which also yields estimates for the ship's velocity. The method can be employed for automatic radar calibration of bearing and range biases, while it also serves as an alternative effective position sensor for GPS-denied environments.
Comparison of panoramic stereoscopic sensors based on hyperboloidal mirrors
(IEEE, 2009) Bravo-Valenzuela, Felipe Andres; Torres Torriti, Miguel Attilio
Panoramic distance maps can provide valuable information for mobile robot navigation. An approach to obtain such distance maps is to implement a stereoscopic system using two hyperboloidal catadioptric sensors. This paper analyzes the effects over distance estimation of two typical arrangements of the mirrors. In one of the arrangements the mirrors are placed along a vertical axis, while in the other configuration the sensors are located on plane. Both configurations may yield similar distance estimation errors for an adequately chosen baseline and given measurement range of interest. However, depending on the application, some aspects can make one arrangement preferable over the other. In the vertical configuration, the epipolar lines correspond to radial lines in the omnidirectional image, and hence, the stereoscopic correspondence problem can be solved in a standard and simple way, but a drawback of this arrangement is the space required, which in the case of mobile robot and vehicular application translates into a reduced vertical clearance and poorer aerodynamics. The horizontal arrangement, on the other hand, requires less space if mounted on a mobile robot, a vehicle's roof or its lateral mirrors, but involves complex parabolic, elliptic or hyperbolic epipolar curves that make the solution of the stereo correspondence problem computationally more expensive. Despite the evident implementation advantages and drawback of each approach, no rigorous quantitative information exits in the literature about which of the two configurations provides in general the most accurate 3D reconstruction of the environment.
Comparison of panoramic stereoscopic sensors based on hyperboloidal mirrors.
(2010) Bravo Valenzuela, Felipe Andrés; Torres Torriti, Miguel Attilio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los mapas de distancia panorámicos proveen información valiosa para navegación de robots móviles. Una opción para obtener tal mapa de distancia es implementar un sistema estereoscópico usando dos espejos hiperbólicos. El presente trabajo analiza el efecto sobre la estimación de distancia para dos configuraciones típicas de los espejos. En una de las configuraciones los espejos están ubicados a lo largo del eje vertical, mientras que en la otra, los sensores están dispuestos de forma horizontal. Ambas configuraciones deberían proporcionar errores similares de estimación en la distancia para una adecuada separación de los sensores y una apropiada medida del rango de interés. Aunque, dependiendo de la aplicación, algunos aspectos pueden hacer una configuración más adecuada que la otra. En la configuración vertical, las líneas epipolares corresponden a líneas radiales en la imagen omnidireccional, por lo tanto, el problema de la correspondencia estereoscópica puede ser resuelto de manera simple y tradicional, pero una desventaja de esta configuración es el espacio que requiere, en el caso de robots móviles y aplicaciones en vehículos se traduce en una menor resolución vertical y una aerodinámica más pobre. El arreglo horizontal, por otra parte, requiere menos espacio si se monta en un robot móvil, en el techo de un vehículo o sus espejos laterales, pero implica complejas curvas epipolares parabólicas, elípticas o hiperbólicas que hacen que la solución del problema de la búsqueda de correspondencias en el sistema estéreo tenga un mayor costo computacional. A pesar de las evidentes ventajas y desventajas en la implementación de cada configuración, no suficiente información cuantitativa en la literatura sobre cual de estas dos configuraciones provee, en general, la más precisa reconstrucción 3D.
Control de trayectoria de robots manipuladores móviles utilizando retroalimentación linealizante.
(2015) Galarce Acevedo, Patricio; Torres Torriti, Miguel Attilio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Esta tesis presenta el desarrollo de un controlador de posición para manipuladores móviles que considera la dinámica de la base y el brazo en forma conjunta y no de manera desacoplada como se realiza habitualmente. El controlador desarrollado corresponde a un control linealizante mediante retroalimentación no lineal de estado usando el modelo dinámico del manipulador móvil para anular los términos no lineales de las fuerzas y torques. Esta forma particular de linealización mediante retroalimentación no lineal del estado también es conocida como control por torque precalculado (CTP), y si bien es muy conocida en el ámbito de los robots manipuladores industriales, este trabajo extiende de manera novedosa la aplicación del método al caso de los robots manipuladores móviles. El CTP es validado en simulación como en experimentación, comparando su desempeño con respecto a un controlador por ejes basado en control proporcional-derivativo (PD) optimizado. Ambos controladores son aplicados a un manipulador móvil (MM) cuya base tiene tracción diferencial de giro deslizante y un brazo de tres grados de libertad (gdl.). El modelo considera el movimiento de la base móvil en el plano horizontal con tres gdl., dos de los cuales corresponden a la posición en el plano 2D y el tercero a la orientación (rumbo) de la base móvil, el brazo en cambio se mueve en el espacio 3D. Además otro aporte yace en el desarrollo del modelo dinámico del MM empleando el método recursivo de Newton-Euler para el cálculo de la dinámica inversa y una adaptación de la convención de Denavit-Hartenberg para incorporar la influencia de la base sobre el brazo y viceversa. Los resultados obtenidos muestran que a pesar de la incertidumbre en los parámetros del modelo, el CTP desarrollado tiene un mejor desempeño en términos del índice ITAE que el control PD optimizado. Esto se debe a que este último, si bien es más sencillo, no toma en cuenta la influencia de las perturbaciones que causan los movimientos de la base sobre el brazo, y viceversa.
Design of a flutist robot for acoustical experimentation and analysis of flute-like instrument
(2024) Hurtado García-Huidobro, Fernando; Torres Torriti, Miguel Attilio; Cuadra, Patricio de la; Pontificia Universidad Católica de Chile. School of Engenieering
In the last decades, research in flute acoustics has been torn into understanding the relationship between the musician and their instrument and explaining how they interact with each other. Various experiments with flutes have been undertaken to explore this relationship, leading to partial descriptions of their interaction. However, the acquisition of data has been constrained by the unavailability of a comprehensive system capable of exerting control over all relevant variables independently for their analysis. The limitations become evident when observing human players, who, when measured, tend to approach musical tasks differently each time and lack the ability to independently manipulate each parameter. Given this situation, a robotic system that replaces the human instrumentalists in their roles as providers of the conditions to experiment with flute acoustics is proposed. The whole system model is described in detail. A system of airflow with an artificial mouth that channels the air into the labium is proposed, along with a displacement system that allows moving the artificial mouth around the embouchure of the instrument, and a mechanismthat emulates the musician’s fingers acting on the keys of the instrument. The system was implemented, and then three experiments were conducted to characterize its performance. The results show the usefulness of the proposed approach, which can effectively reproduce the conditions required to produce sound with a flute with precision and consistency.

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