1 Prof. Tõnu Lehtla Loengud Tallinna Tehnikaülikoolis 2006 IV osa Roboti liikumise juhtimine Mobiilsete robotite asukoha tuvastamine Sissejuhatus robotitehnikasse Roboti asukoha määramine Inimese meeled ja ümbrusetaju 1) Nägemine – silmad (optika, valgus) 2) Kuulmine – kõrvad (akustika, heli) 3) Puudutamine – nahk (mehaanika, jõud, soojus) 4) Haistmine – nina (keemia, lõhnad) 5) Maitsmine – keel (keemia, maitse) 6) Tasakaalu tunnetus (mehaanika, dünaamilised jõud) Roboti ümbrusetaju 1) Tehisnägemine – kaamera, fotoandurid (valgus, elektromagnetiline kiirgusväli) Sagedusvahemik on suurem (infrapuna- ja ultraviolettkiirgus, raadiosageduspiirkond) 2) Kuulmine – mikrofon, helivastuvõtja (heli, infra- ja ultraheli) 3) Puudutamine – taktiil- ehk puuteandurid ja lähedusandurid (jõud, soojus) 4) Keemiline analüüs – on võimalikud mitmesugused keemilised analüüsid 5) Radioaktiivsustaju 6) Tasakaalu tunnetus (mehaanika, kiirendusandurid) Roboti asukoha määramine Asukoha määramine tasapinnal, ebatasasel pinnal ja ruumis X GPS X X optilised güroskoobid X X inertsiaalsed güroskoobid X X raadiomajakas X X kompass X X laserkaugusmõõtja X X ultraheliandur X X kiirendusandur Ümbruse kaardi ja mõõdetud koordinaatide järgi Ruumide skeemid, topograafilised ja 3D kaardid X kompass X X kiirendusandur X X kell ja kiirusandur X X optilised asendiandurid X X puute-ja lähedusandurid Asukoha- ja trajektoorimärkide tuvastamise või asimuudi järgi; Suur Keskmine Väike Roboti tegevusulatus Mõõtesüsteem või andurid Positsioonimise meetod
9
Embed
Roboti asukoha määramine - ene.ttu.ee · 3 Roboti asukoha määramine Roboti kinnismärgid (robot landmarks) Loomulikud Ruumi sein, nurk Jõgi, maapinna reljeef Teepinna tekstuur
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Prof. Tõnu Lehtla
Loengud Tallinna Tehnikaülikoolis 2006
IV osaRoboti liikumise juhtimine Mobiilsete robotite asukoha tuvastamine
Sissejuhatus robotitehnikasse
Roboti asukoha määramineInimese meeled ja ümbrusetaju1) Nägemine – silmad (optika, valgus)2) Kuulmine – kõrvad (akustika, heli)3) Puudutamine – nahk (mehaanika, jõud, soojus)4) Haistmine – nina (keemia, lõhnad)5) Maitsmine – keel (keemia, maitse)6) Tasakaalu tunnetus (mehaanika, dünaamilised jõud)
Sagedusvahemik on suurem (infrapuna- ja ultraviolettkiirgus, raadiosageduspiirkond)2) Kuulmine – mikrofon, helivastuvõtja (heli, infra- ja ultraheli)3) Puudutamine – taktiil- ehk puuteandurid ja lähedusandurid (jõud, soojus)4) Keemiline analüüs – on võimalikud mitmesugused keemilised analüüsid 5) Radioaktiivsustaju6) Tasakaalu tunnetus (mehaanika, kiirendusandurid)
Roboti asukoha määramineAsukoha määramine tasapinnal, ebatasasel pinnal ja ruumis
Roboti asukoha määramineMõõdetav objektLähedusandurid
Induktiivsed
Mahtuvuslikud
Mõõdetav objekt
H
Otsesuunaline lähenemine
Ennistumispunkt
Lähedusandur
RakendumispunktPick-up point
Drop-out point
tajukaugus
H – hüstereesiala
Generaator (ostsillaator)
Signaalimuundur
Väljundvõimendi (lüliti)
Roboti asukoha määramineKiirendusandurid (accelerometers)Inertsiaalsel mikro-elektromehaanilisedsüsteemil põhinevad andurid (inertial MEMS sensors) tuvastavad liikumist ühes, kahes või kolmes lineaarkoordinaadis. On andurid ka pöörliikumiskiirenduse mõõtmiseks. Güroskoobil põhinevad andurid võimaldavad mõõta Coriolise kiirendust.
Andurites mõõdetakse liikuva ja fikseeritud osa vahelise mahtuvuse muutumist.
Kiirendusandureid kasutatakse autode ja robotite navigatsioonisüsteemis (ka tulede reguleerimiseks, vibratsiooni või kaldenurga mõõtmiseks), fotoaparaatide ja kaamerate pildi stabiliseerimiseks
Roboti asukoha määramineKiirendusandurite mõõtesüsteemidPiesoelektrilineMikromehaaniline mahtuvuslik (MEMS)ResonantsMagnetiline induktsioonandurOptiline TermilineAkustilistel pinnalainetel (deformatsioonil) põhinev (keskkonna tiheduse muutumine)
Inimese tasakaaluorgan vestibulum sisekõrvas koosneb kolmest ristuval tasandis asuvast poolringikujulisest torust ja töötab koos silmadegaKülgmine horizontal (lateral) Eesmine (ülemine) anterior (superior) Tagumine (alumine) posterior (inferior)
QFlex® MatrixNavigation Accelerometers
3
Roboti asukoha määramineRoboti kinnismärgid (robot landmarks)LoomulikudRuumi sein, nurkJõgi, maapinna reljeefTeepinna tekstuurPäike, põhjanaelMaamagnetväliKeskkonna rõhk (gradient)KunstlikudMaamärgid, joonedPeeglid, metallribadKeemilised märgidValgusmajakadRaadiomajakadGPSjm.
Roboti asukoha määramineRoboti kinnismärgid (robot landmarks)Elektrijuhid Sobib tööstusrobotitele. Süvistatud kaablite suletud kontuurid. Igas kaablikontuuris on eri sagedusega vaheldussool. Kontuuri järskudes pöördekohtades on maapinnale kinnitatud on väikesed magnetilisest materjalist plaadid, mis võimaldavad tuvastada potentsiaalselt raskesti järgitavaid kohti ning vähendada eelnevalt roboti liikumiskiirust. Süsteemis on liikumisteel ka sidepidamispunktid, kus saab tuvastada roboti olekut ja edastada seda juhtarvutile tööde edasiseks plaanimiseks või kokkupõrgete vältimiseks. Eelis: Süsteem on väga töökindel ja lihtsa ehitusega. Puudus: Liikumisteed on raske muuta, sest kaabel asetseb vähemalt 1 cm sügavusel. Värvitud rajad Sobib kasutamiseks bürooruumides. Süsteem sarnaned elektrijuhtidega süsteemile. Raja märkimiseks kasutatakse eredat nähtavat värvi või inimsilmale nähtamatut, UV valguses helenduvat värvi.Eelis: Rada on hõlpsasti muudetav. Puudused: Raja kuju peab olema lihtne, sest keerukaid värvitud liikumissõlmi on raske läbida. Värvitud rada võib aja jooksul tuhmuda või kustuda ning seda tuleb sageli uuendada.
Roboti asukoha määramine
Roboti positsiooniminepuuteanduriga
Puuteandurid
Robotil on tundlad nagu putukatel
Joonisel on mitmeastmeline tundel
Roboti asukoha määramineKompassMagnetiline kompassiandurtuvastab maa magnetvälja suuna anduri sisemiste x-y telgede suhtes
The sensor reports both x and y +X = NORTH -X = SOUTH +Y = WEST -Y = EAST
Anduri tundlikkus on kuni 1 mikrotesla
4
Roboti asukoha määramineUltraheliandur ja Doppleri efektAndur mõõdab liikumiskiirust
Doppleri sonar
Ultraheli saatja edastab laia kiirega (±12 kraadi) 120 dB tugevusega signaali sagedusel 40 kHz at.
Roboti asukoha määramineGüroskoobid ja altimeetrid
Traditsiooniline güroskoop
The altimeter measures pressure and displays this as height above sea level.
Vibratsioongüroskoop
5
Roboti asukoha määramineOptilised güroskoobid
PÕHIMÕTE: Kui kaks vastassuunas kulgevat kiirt läbivas optilisest kiust mähise, siis tekib nende levikus ajaline nihe, mille suurus on võrdeline mähise pöördenurgale. Ajalist nihet mõõdetakse interferentsi põhimõtet kasutades kahe valguslaine faasinurga erinevuste kaudu.
GPS suurlinnas ei tööta hästiFiber-optic gyroscope täiendab navigatsioonisüsteemi.
Roboti asukoha määramineÜmbruse kaardistamine ja tuvastamineARCS võimalused (laserskaneerimine)
Hoonete kaardistamine (mapping) skeemile kandmineAsukoha määramine kaardistatud hoonetes, täpsus kuni +/-2cm, +/-10 degrees; (täpsust saab suurendada lisaanduritega)Navigeerimine kaardistatud hoonetes; punktist punkti liikumine,tõkete vältimineTõkete vältimiseks saab integreerida lisaandureid (sonarid, lisalaserid) Sihtkoha koordinaatide kandmine kaardile (x,y, theta)Liikumiseks mittesobivate alade kandmine kaardile ("keep off" areas)Sihtkoha dünaamiline muutmine (spetsiaalne tarkvara)Olekusignaalide edastamine (nt., "goal reached")Toiteallika seisundi automaatne jälgimine (millal tuleb akut laadida?)
Advanced Robotics Control System
Roboti asukoha määramine
)(2)()(
12
21
22
22
21
xxxxrrxr −
−+−=
21
211 )( rr xxryy −−±=
21
211 )( rr xxryy −−−=
Robotkoera Aibo asukoht
Asukoha määramine kahe kauguse mõõtmisega
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
1
1
yx
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
2
2
yx
r1 r2
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
r
r
yx
y
x
θ
Positsioonimine tasapinnalPositsioonimine tasapinnal ehk 2D positsioonimine
Positsioonimine kahe kaugusvektori järgi Asukoht määratakse kahe ringjoone lõikumispunktisRingjoone valem
Laeva kauguse määramine kaldast kahe mõõdetud nurga ja mõõtepunktide vahelise kauguse abil
Triangulatsiooni kasutati varem kaardistamiseks, (triangulatsioonitornid) kauguse määramiseks vm.
αl
β
d
βαβαβα
ββαα
αcossinsincos
sinsin
sincossincos
sin+
=+
=lld
Positsioonimine tasapinnalKaks või kolm tugipunkti?Kahe tugipunkti puhul on kaks võimalikku lahendit
Kolme tugipunkti puhul on üks lahend
( ) ( )( ) ( )( ) ( ) 2
32
3032
303
22
2202
2202
21
2101
2101
ryyxx
ryyxx
ryyxx
=−+−
=−+−
=−+−
TallinnTartu
TallinnTartu
PärnuVändra mets
Positsioonimine tasapinnalKauguste erinevusel põhinev asukoha määramine
Kauguste erinevus (dfferential range)
r1r2
r3
r2 - r1
r3 – r2 = 0
r3 – r2
r2 - r1 = 0
Hüperbooljooned
GPS
. GPS has 3 parts: the space segment, the user segment, and the control segment. The space segment consists of 24 satellites, each in its own orbit 20,000 kilometersabove the Earth. The user segment consists of receivers, which you can hold in your hand or mount in your car. The control segment consists of 5 ground stations, located around the world, that make sure the satellites are working properly
Täieliku süsteemi jaoks on vaja 24 satelliiti. Korraga peaks olema nähtaval vähemalt 4 satelliiti.
Galileo süsteemi valmimisel kavatsetakse see panna tööle koos GPS-iga (kokku üle 50 satelliidi)
Positsioonimine ruumisGeomeetriaKaks kerapinda lõikuvad mööda ringjoont
Kolm kerapinda lõikuvad kahes punktis
Neli erinevate tsentritega kerapinda saavad lõikuda vaid ühes punktis
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) 2
32
302
302
30
22
220
220
220
21
210
210
210
rzzyyxx
rzzyyxx
rzzyyxx
=−+−+−
=−+−+−
=−+−+−
Võrrandisüsteem kolme sfäärilise pinna lõikepunktide leidmiseks
Otsitava asukohavektori projektsioonid on x, y, z; mõõdetud suurused on r1, r2, r3
Positsioonimine ruumisKoordinaadistikud
Maakerakeskne ristkoordinaadistik X, Y, Z
Maakerakeskne geodeetiline (sfääriline)pikkuskraad alates nullmeridiaanist, laiuskraad alates ekvaatorist ja kõrgus merepinnast. (latitude, longitude, height)
Nullmeridiaan on Greenwichi observatooriumi meridiaan
Positsioonimine ruumisGeomeetriaMaakera tegelik kuju erineb kerast
Maakera geomeetriline kuju on geoid
Maakera mudelina kasutatakse ellipsoidi
R1
R2
Sinisega on näidatud joon millel kauguste erinevus (R2-R1) satelliitideni on sama (hüperbool)
Geodeetiline koordinaadistik
Positsioonimine ruumisGPS
Kui erinevate satelliitide järgi määratud asukoht ei lange kokku on tegemist vastuvõtjakellaaja veaga, mida saab korrigeerida.
Asukoht ja kellaaeg
Satelliidil on väga täpne ja kallis aatomikell
Vastuvõtjal on odav kvartskell
Positsioonimine ruumisKauguse mõõtmineKauguse mõõtmiseks kasutatakse signaali levimisaega.
Valgus ja raadiolained levivad vaakumis kiirusega 300000 km/s
Saatja ja vastuvõtja alustavad mingil ajahetkel pseudojuhusliku koodi (pseudo-random code), genereerimist. Saatja edastab signaali eetrisse ja vastuvõtjaregistreerib saatja poolt edastatud signaali teatud ajavahemiku järel. Vastuvõetud signaali hilinemist mõõdetakse vastuvõtja kvartskellaga.
Signaali hilinemine võrdub signaali levikuajaga ning on võrdeline saatja kaugusega vastuvõtjast.
Süsteemi tööks peavad nii saatjal kui ka vastuvõtjal olema omavahel nanosekundilise lubatud veaga sünkroniseeritud kellad.
Satelliidil on aatomkell, vastuvõtjal kvartskell. Kvartskella täpsus pole piisav, kuid ta on odav. Täpsuse saavutamiseks kasutatakse väikeste ajavahemike järel automaatset sünkroniseerimist.
Positsioonimine ruumisGPS vastuvõtja
Vastuvõtja võrdleb eri satelliitide signaali järgi leitud asendeid ning mõõdab oma enda viga. Asendivea põhjal arvutab vastuvõtja õige aja, mis vastab saatja aatomkella ajale ning korrigeerib oma kvartskella ajanäitu.
GPS vastuvõtja lihtsustatud plokkskeem
9
Positsioonimine ruumisDiferentsiaalne GPS
Asukohta korrigeeritakse maapealse tugimajaka signaali järgi
Positsioonimine diferentsiaalse GPS-iga
Maapealne tugimajaksMaapealne tugimajaks
Maapealne tugimajaksMaapealne tugimajaks
Maapealne tugimajaks
Korrigeeritud asukoht
Positsioonimine ruumisDiferentsiaalne GPS
Asukohta korrigeeritakse maapealse tugimajaka signaali järgi