Navigating Mobile Robots: Sensors and Techniques [Romanian]

0
99

Original in English by Johann Borenstein

Navigarea roboţilor mobili: senzori şi tehnici

de

J. Borenstein, HR Everett, şi L. Feng

Distribuitor: AK Peters, Ltd., Wellesley, MA
Ph: +1-617-235-2210
Fax: +1-617-235-2404.
E-mail: akpeters@tiac.net

Această carte studiază stadiul tehnicii în senzori, sisteme, metode și tehnologii utilizate de un robot mobil pentru a-și stabili poziția în mediul înconjurător. Cele mai multe “soluții” potențiale sunt grupate în două categorii: măsurători relative și absolute. Primul include oometria și navigația inerțială; al doilea constă în baliză activă, recunoașterea punctului de vedere artificial și natural și potrivirea modelului. Autorii compară și analizează aceste metode diferite bazate pe publicații tehnice și pe informații despre produse comerciale și brevete. Comparația se concentrează pe următoarele criterii: precizia măsurătorilor de poziție și orientare, echipamentele necesare, costul, rata de eșantionare, intervalul efectiv, cerințele de putere computațională, nevoile de procesare și alte caracteristici speciale. Nici un hobbyist sau profesionist în robotică nu ar trebui să fie fără acest aspect extraordinar de cuprinzător la poziționarea robotului.

Cartea a fost publicată în 1996 de către A. K. Peters, Ltd., Wellesley, MA, dar nu mai este disponibilă și nu mai este disponibilă nicăieri. Cu toate acestea, puteți descărca cartea în întregime și gratuit sub titlul “Where am I” Report. Acest raport este identic cu cartea.

(1) Dr. Johann Borenstein
Universitatea din Michigan
2260 Hayward Street
Ann Arbor, MI 48109
Ph: (763) 763-1560
Fax: (206) 203-1445
E-mail: johannb@umich.edu
(2) Comandantul HR Everett
Comandamentul Naval, control, supraveghere şi Ocean Center
RDT & E Divizia 5303
271 Catalina Boulevard
San Diego CA 92152-5001
Ph: (619) 553-3672
Fax: (619) 553-6188
E-mail: Everett@NOSC.MIL
(3) Dr. Feng Liqiang

Mulţumiri

Aceasta cercetare a fost sponsorizată de către Biroul de dezvoltare tehnologică, Departamentul Energiei al SUA, contractul DE-FG02-86NE37969 împreună cu Universitatea din Michigan.

Autorii aș vrea să mulţumească Departamentul de Energie (DOE), şi mai ales pe dr. Linton W. Yarbrough, manager-ul programului DOE, dr. William R. Hamel, D & D, coordonator tehnic şi pe dr. Clyde Ward, coordonatorul operaţiunilor tehnice, pentru lor sprijin tehnic şi financiar al cercetării, care constituie baza acestei investigații.

Unele părţi ale textului au fost adaptate din lucrarea Senzori pentru roboţi mobili: teorie şi aplicarea (Sensors for Mobile Robots: Theory and Application), de către H.R. Everett, AK Peters, Ltd., Wellesley, MA, Publishers.

Autorii doresc să mulţumească de asemenea pe profesorii David K. Wehe şi Yoram Koren de la Universitatea din Michigan pentru sprijinul lor, şi pe domnul Alter Harry (DOE), care a împrietenit pe mulţi dintre studenți absolvenţi şi a creat cîțiva roboţi ai noștri. Multumesc, de asemenea, ca urmare a Ashley Todd Everett pentru a face de cele mai multe desene-line de arta.

Introducere

Leonard și Durrant-Whyte [1991] au rezumat problema generală a navigării robotului mobil prin trei întrebări: “Unde mă aflu?”, “Unde plec?” Și “Cum ar trebui să ajung acolo?”. Această carte studiază stadiul tehnicii în senzori, sisteme, metode și tehnologii care urmăresc să răspundă la prima întrebare, și anume: poziționarea robotului în mediul său.

Poate că cel mai important rezultat al studierii corpului vast de literatură despre poziționarea robotului mobil este că până acum nu există o soluție cu adevărat elegantă pentru această problemă. Multe soluții parțiale pot fi clasificate în două categorii: măsurători relative și absolute. Din cauza lipsei unei metode simple, în general bune, dezvoltatorii de vehicule automatizate (AGV) și roboții mobili combină de obicei două metode, câte una din fiecare categorie. Cele două categorii pot fi împărțite în următoarele subgrupe.

a. Odometrie. Această metodă foloseşte codificatoare pentru a masura rotaţia roatei şi / sau orientare de direcţie. Odometrie are avantajul că este total de sine-stătătoare, și este întotdeauna capabilă de a oferi vehiculului cu o estimare a poziţiei sale. Dezavantajul odometriei este faptul că eroarea de poziţie creşte fără stopare cu excepţia cazului în care o referinţă independentă este folosită periodic pentru a reduce eroarea [Cox, 1991].

b. Navigaţie inerţială. Această metodă foloseşte giroscoape şi, uneori, accelerometer pentru a măsura rata de rotaţie şi de accelerare. Măsurările sunt integrate o dată (sau de două ori), pentru a obţine poziţia. Sisteme inerţiale de navigaţie, de asemenea, au avantajul că sunt de sinestătătoare. Dezavantajul este că datele inerţiale se încurcă cu timpul, din cauza necesităţii de a integra date pentru a obţine rata de poziţie; orice erori mici constant se măresc fără legare după integrare. Senzorii inerţiali sunt astfel nepotriviți pentru o poziţionare corectă pe o perioada extinsa de timp. O altă problemă cu navigaţie inerţială este costul echipamentului. De exemplu, giroscoape extrem de precise, utilizate în avioane, sunt foarte scumpe. Nu demult, giroscoape de fibre optice (de asemenea, numite giroscoape de laser), care se socoteau foarte precise, au scăzut dramatic în preţ şi au devenit o soluţie foarte atractivă pentru navigare robotului mobil.

Măsurările de poziţie absolută

c. Semnale active. Această metodă calculează poziţia absolută a robotului din măsurare direcţiei de incidenţă a trei sau mai multe semnale active transmise. Emiţătoare, folosind, de obicei, frecvenţe de lumină sau de radio, trebuie să fie localizate pe locuri cunoscute din mediul înconjurător.

d. Recunoaşterea artificială a reperelor. În această metodă repere distinctive artificiale sunt plasate în locaţii cunoscute în mediul înconjurător. Avantajul reperelor artificiali este că acestea pot fi proiectate pentru detectare optimă chiar şi în condiţii nefavorabile de mediu. Ca și semnali activi, trei sau mai multe puncte de reper trebuie să fie ”văzute”, pentru a permite o estimare a poziţiei. Poziţionarea punctului de reper are avantajul că erorile de poziţie sunt delimitate, dar detectarea de repere externe şi în timp real de fixare a poziţiei nu poate fi întotdeauna posibilă. Spre deosebire de semnale, de obicei în formă puncte, repere artificiale pot fi definite ca un set de caracteristici, de exemplu, o formă sau o zonă. Informaţii suplimentare, de exemplu despre distanţă, pot fi deduse din măsurarea proprietăţilor geometrice de reper, dar această abordare este gra pentru calcul, şi nu sunt foarte precise.

e. Recunoaşterea reperelor natural. Aici reperele sunt caracteristici distinctive ale mediului. Nu este nevoie de pregătit mediul, dar mediul înconjurător trebuie să fie cunoscut în prealabil. Fiabilitatea aceastei metode nu este la fel de mare ca și în cazul cu repere artificiale.

f. Potrivirea modelului. În această metodă informaţii obţinute de la senzorii robotului de la bord sunt comparate cu un model din harta a lumii sau a mediului. Cazul în care caracteristicile de hartă bazată pe senzori şi modelul lumii se potrivesc, atunci poate fi estimată locaţia absolută a vehiculului. Harta, pe bază poziţionării adesea include îmbunătăţirea hărţilor globale bazate pe noi observaţii senzoriale într-un mediu dinamic şi integrarea hărţii locale în harta mondială pentru a acoperi zone anterioare neexplorate. Hărţile utilizate în navigaţie includ două tipuri majore: hărți geometrice şi hărţi topologice. Hărţi geometrice reprezintă lumea într-un sistem de coordonate global, în timp ce hărţi topologice reprezintă lumea ca o reţea de noduri şi arce.

Această carte prezintă şi discută starea actuală în fiecare din cele şase categorii de mai sus. Materialul este organizat în două părţi: partea I are de lucru cu senzorii de poziţionare utilizate în robot mobil, iar partea a II discută metodele şi tehnicile care utilizează acești senzori.

Navigarea robotului mobil este un domeniu foarte divers, şi o comparaţie utilă de abordări diferite, este dificilă din cauza lipsei de standarde de testare şi procedurile comune acceptate. Platforme de cercetare utilizate diferă foarte mult şi de astfel ipotezele-cheie utilizate în abordări diferă de asemenea. Altă dificultate provine din faptul că sistemele diferite sunt în diferite stadii de dezvoltare. De exemplu, un sistem ar putea fi disponibil pe piaţă, în timp ce un alt sistem, poate fi cu o performanţă mai bună, dar a fost testat numai în conformitate cu un set limitat de condiţii de laborator. Din aceste motive noi, în general, ne abţinem de la compararea sau chiar de la judecarea a performanţei a diferitor sisteme sau tehnici. Mai mult, nu am testat majoritatea sistemelor şi tehnicilor, astfel încât rezultatele şi specificaţiile prezentate în această carte sunt doar citate din lucrările de cercetare respective sau produse de liste de specificaţii.

Datorită problemelor numite mai sus am definit scopul acestei cărți care este un sondaj a domeniului crescător de poziţionare a robotului mobil. A fost nevoie de mai bine de 1,5 ani de om pentru a colecta şi a compila material pentru această carte, sperăm că acest lucru va ajuta cititorului să obţină o mai bună înţelegere, în mult mai puţin timp.

Cuprins

INTRODUCERE xi
Partea I Senzori pentru poziționarea robotului mobil
Capitolul 1 Senzorii pentru reglarea mortalității 3
1.1 Encodere optice 3
1.1.1 Encodere optice incrementale 4
1.1.2 Encodere optice absolute 6
1.2 Senzori Doppler 7
1.2.1 Senzor de viteză cu ultrasunete ultrasonic Micro-Trak-Star 8
1.2.2 Alte sisteme de efecte Doppler 9
1.3 Configurații tipice de mobilitate 9
1.3.1 Unitatea diferențială 9
1.3.2 Unitatea cu triciclu 11
1.3.3 Ackerman Steering 11
1.3.4 Synchro Drive 13
1.3.5 Unitate Omnidirecțională 15
1.3.6 Vehicule cu mai multe grade de libertate 16
1.3.7 Vehicul MDOF cu legătura conformă 17
1.3.8 Vehicule cu șenile 18
Capitolul 2 Senzorii de direcție 21
2.1 Giroscoape mecanice 21
2.1.1 Gyroscoape stabile 22
2.1.2 Giroscoape 23
2.1.3 Gyroscopii mecanici disponibili comercial 23
2.1.3.1 Modelul modelului Futaba Gyro pentru elicoptere 23
2.1.3.2 Gyration, Inc. 24
2.2 Giroscoape optice 24
2.2.1 Giroscoape laser cu inel activ 26
2.2.2 Gyros rezonator inel pasiv 28
2.2.3 Gyros optic interferometric cu fibră optică 29
2.2.4 Gyros optic interferometric cu fibră optică închisă 32
2.2.5 Gyros cu fibră optică rezonantă 32
2.2.6 Giroscoape optice disponibile comercial 33
2.2.6.1 Andrew AUTOGYRO 33
2.2.6.2 Hitachi Cable Ltd. OFG-3 34
2.3 Senzori geomagnetici 34
2.3.1 Compase magnetice mecanice 35
2.3.2 Compasurile Fluxgate 36
2.3.2.1 Compasurile Zemco Fluxgate 42
2.3.2.2 Gyroscompass Watson 44
2.3.2.3 Compasurile Fluxgate KVH 45
2.3.3 Compasuri cu efect de Hall 46
2.3.4 Compase magnetorezistente 48
2.3.4.1 Philips Compact AMR 48
2.3.5 Compase magnetoelastice 49
Capitolul 3 Farurile active 53
3.1 Sistemul global de poziționare Navstar (GPS) 53
3.2 Sisteme RF de la sol 59
3.2.1 Loran 59
3.2.2 Grilă de navigație prin frecvență radio Kaman Sciences 60
3.2.3 Sistemul de urmărire a locației de precizie și sistemul de telemetrie 61
3.2.4 Motorola Mini-Ranger Falcon 61
3.2.5 Sistemul Infogeometric Harris 62
Capitolul 4 Senzori pentru poziționarea pe hartă 65
4.1. Senzori de timp de zbor 65
4.1.1 Sisteme TOF cu ultrasunete 67
4.1.1.1. Produse Massa Subsisteme cu module de gabarit cu ultrasunete 67
4.1.1.2 Module Polaroid cu ultrasunete
4.1.2 Sisteme TOF bazate pe laser 71
4.1.2.1 Dispozitivul de măsurare a distanței cu laser de la Electro-Optical Schwartz 71
4.1.2.2 Sisteme de măsurare laser RIEGL 77
4.1.2.3 Sistem RVSI cu lungime și detecție optică lungă 79
4.2 Măsurarea fazei de deplasare 82
4.2.1 Sistemul de scanare a imaginilor laser 85
4.2.2 Sistemul ESP cu sistem optic 86
4.2.3 Cercetarea acuității AccuRange 3000 87
4.2.4 Sistemul de direcționare și reglarea luminii TRC 89
4.2.5 Scanerul imagistic 3-D al Institutului Federal al Tehnologiei Elvețiene 90
4.2.6 Îmbunătățirea performanței lidarului 91
4.3 Modularea frecvenței 93
4.3.1 Sistemul Eaton VORAD de detectare a vehiculelor și de alertă a șoferului 95
4.3.2 Sistemele de primă siguranță Sisteme de detecție și avertizare a obstacolelor vehiculului 96
Partea a II-a Sisteme și metode pentru poziționarea robotului mobil
Capitolul 5 Odometria și alte metode de calculare a pierderilor 101
5.1 Erori sistematice și ne-sistematice de odometrie 101
5.2 Măsurarea erorilor de odometrie 103
5.2.1 Măsurarea erorilor sistematice de odometrie 103
5.2.1.1 Testul unidirecțional de cale pătrată 103
5.2.1.2 Experimentul bidirecțional în căutarea Pătratului 105
5.2.2 Măsurarea erorilor nesistematice 107
5.3 Reducerea erorilor de odometrie 108
5.3.1 Reducerea erorilor sistematice de odometrie 109
5.3.1.1 Roți auxiliare și remorcă de codare de bază 109
5.3.1.2 Remorca de codare de bază 110
5.3.1.3 Calibrarea sistematică 110
5.3.2 Reducerea erorilor de neodometrie ne sistematice 114
5.3.2.1 Referințe reciproce 114
5.3.2.2 Corecția erorilor de poziționare internă 114
5.4 Navigarea inerțială 116
5.4.1 Accelerometre 117
5.4.2 Gyros 117
5.4.2.1 Barshan și Durrant-Whyte 118
5.4.2.2 Komoriya și Oyama] 119
5.5 Rezumat 120
Capitolul 6 Sisteme de navigare cu bacuri active 123
6.1 Discuții asupra metodelor de triangulare 124
6.1.1 Triangularea în trei puncte 124
6.1.2 Triangularea cu mai mult de trei repere 125
6.2 Trilateralitatea transponderelor cu ultrasunete 126
6.2.1 Sistemul de amplasare 2-D IS Robotics 127
6.2.2 Sistemul de localizare 3D al Universității Tulane 127
6.3 Sisteme de poziționare optică 129
6.3.1 Beacon de andocare Cybermotion 130
6.3.2 Hilare 131
6.3.3 LASERNET NAMCO 132
6.3.4 Branch Denning Robot internațional Senzor de poziție LaserNav 133
6.3.5 Sistemul de navigație cu baliză TRC 134
6.3.6 Senzori Siman & Intelligent Machines Ltd., ROBOSENSE 135
6.3.7 Sistemul de navigație pentru balizele Colegiului Imperial 136
6.3.8 Cercetare MTI CONACTM 137
6.3.9 Mașină de tuns iarba CALMAN 140
6.4 Rezumat 140
Capitolul 7 Navigarea cu puncte de interes 141
7.1 Repere naturale 142
7.2 Repere artificiale 143
7.2.1 Viziunea globală 144
7.3 Sisteme de navigație artificiale de referință 144
7.3.1 MDAR

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here