GOS for Iphone / mobile / Информационные устройства роботов

Вычитая уравнение (25-6) из уравнения (25-5) и решая его относительно Z, получим:

Отсюда видно, что координата Z точки w легко вычисляется при известной разности между

x2 и x1 изображения, а также значений базовой линии и фокусного

4. Бесконтактные датчики для измерения расстояния и скорости,

применяемые в системах очувствления мобильных роботов.

Датчики измерения в дальней зоне

Назначение – определение расстояния от точки отсчета до объекта в рабочем диапазоне измерений. Датчики измерения в дальней зоне используются для навигации робота и обхода препятствий, когда требуется оценить расстояние до ближайших объектов или определить местоположение и форму объектов в рабочем пространстве робота.

Триангуляция

Одним из простейших методов измерения в дальней зоне является метод триангуляции (рис. 20.1). Объект освещают узким пучком света, направленным на его поверхность.

Движение пучка света в плоскости определяется линией от объекта до приемника света и линией от приемника до источника света. Если пятно света на поверхности объекта достаточно мало, расстояние D до освещенного участка поверхности может быть вычислено из геометрических соотношений, представленных на рис. 20.1. Этот метод реализует точечное измерение. Если система «источник-приемник» движется в фиксированной плоскости, то в этом случае можно получить группу точек, расстояния которых до приемника известны. Эти расстояния легко перенести в трехмерную систему координат путем сканирования.

Рисунок20.2. Измерение расстояний методом подсветки

Световая полоса, пересекающая группу предметов, формируется в виде плоского пучка света с помощью цилиндрических линз. Пересечение светового потока с объектами в рабочем пространстве фиксируется телевизионной камерой, помещенной на расстоянии В от источника света. Такая ситуация легко анализируется компьютером при определении расстояния. Например, отклонение пучков света указывает на изменение поверхности, а разрыв соответствует промежутку между поверхностями.

Измерение расстояния по времени прохождения сигнала

Рассмотрим три метода измерения расстояния, основанные на определении времени прохождения сигнала между объектом и приемником. Два из них – лазерные, один – ультразвуковой.

Первый метод – измеряется время, в течение которого посланный вдоль оси световой импульс возвращается вдоль той же оси от отражающей поверхности. Расстояние до объекта определяется по

формуле D cT 2 , где Т – время прохождения сигнала и с – скорость света (0,3 м/нс). Частота отсчета должна быть 50 Гц для достижения точности измерения порядка 6,3 мм.

Лазерные измерители дают двухмерный массив со значениями, пропорциональными расстоянию. Двухмерное сканирование выполняется путем отклонения лазерного луча вращающимся зеркалом. Рабочая зона этого устройства находится в пределах 1-4 метра, точность 2,5 мм.

Во втором случае вместо импульсного светового сигнала используется непрерывный луч лазера и измеряется задержка (т.е. фазовый сдвиг) между посылаемыми и возвращенными лучами (рис. 21-1).

Луч лазера с длиной волны расщеплен на два луча. Один из них (опорный «луч отсчета») проходит расстояние L к фазометру, а другой проходит расстояние D до отражающей поверхности. Общее расстояние,

пройденное отраженным лучом, составляет D L 2D . Фазовый сдвиг между двумя лучами в точке измерения (рис. 21.1,б) возникает в случае, если отраженный луч проходит путь больший, чем исходящий. В этом случае имеем:

что определяет расстояние через фазовый сдвиг, если известна длина волны (632,8 нм у гелий-неонового лазера). При такой малой длине волны метод, схема которого показана на рис. 21.1, нецелесообразно применять в робототехнике из-за сложности определения малых фазовых смещений.

Наиболее приемлемым решением является амплитудное модулирование лазерного луча волной с гораздо большей длиной, например, 30 метров (f=10 МГц) (рис. 21.2). Основная процедура остается прежней, но сигнал отсчета является теперь функцией модулирования. Модулированный лазерный сигнал посылается на объект, а возвращенный сигнал демодулируется и сравнивается с отсчетным сигналом для определения фазового сдвига.

Рисунок 21.1. Принцип измерения расстояния по фазовому сдвигу (а) и сдвиг между исходящей и отраженной световыми волнами (б)

Рисунок 21.2. Волновой сигнал, модулированный по амплитуде модулирующей функцией с гораздо большей длиной волны

Равенство (21-2) все еще имеет силу, но теперь работа происходит в более удобном диапазоне длин волн.

Третьим методом измерения является ультразвуковой метод, реализующим идею измерения расстояния по времени прохождения сигнала.

Ультразвуковой сигнал передается за короткий промежуток времени и, так как скорость звука известна для определенной среды, простое вычисление, включающее интервал времени между посылаемым и отраженным сигналами, дает оценку расстояния до отражающей поверхности.

5. Силомоментное очувствление.

Многие типы датчиков силы/момент основаны на измерении деформаций. Датчики для измерения деформаций называются тензодатчиками. Принцип действия таких датчиковизменение электрического

используемого материала: у полупроводникового датчика оно на 1-2 порядка больше, чем у металлического. Чувствительный элементу полупроводникового датчика выполнен из монокристалла пьезорезестивного материала. Дополнительное преимущество полопроводниковых тезодатчиков – более высокое удельное сопротивление по сравнению с металлическими и, соответственно ,меньшее потребление мощности и выделение тепла

6. Информационное обеспечение мобильных роботов. Система навигации.

Навигация мобильных роботов

Для успешной навигации в пространстве бортовая система робота должна уметь строить маршрут, управлять параметрами движения (задавать угол поворота колес и скорость их вращения), правильно интерпретировать сведения об окружающем мире, получаемые от датчиков, и постоянно отслеживать собственные координаты.

Полноценный робот должен определять собственные координаты и выбирать направление движения только на основании показателей бортовых датчиков, поэтому системы искусственного интеллекта, создаваемые для автономных машин, ориентированы на поддержку непрерывного цикла "опрос датчиков – принятие оперативного решения об изменении маршрута". Таких циклов может быть несколько – один ответственен за следование по основному маршруту, другой – за обход препятствий и т. д. Кроме того, на аппаратном уровне каждый цикл может поддерживаться датчиками разных типов и разных принципов действия, формирующих потоки данных разного объема и интенсивности.

Технические сложности мобильной навигации

При построении системы навигации роботов возникает немало технических сложностей.

1.Чтобы двигаться к цели, роботу необходимо сформировать достаточно точный образ окружающего его пространства.

Сегодня это достигается преимущественно использованием лазерных дальномеров и ультразвуковых генераторов (сонаров). Однако лазерный луч поможет получить образ среды только в зоне прямой видимости. Кроме того, на пути луча часто возникают мелкие помехи, вносящие погрешность в такой образ. А ультразвуковые датчики характеризуются большим временем отклика

2.В ходе движения робот должен быстро и точно управлять мотором и положением колес.

3.Робот должен знать свое реальное местонахождение, а оно почти всегда отличается от хранящегося в бортовой системе.

Определение своих координат – фундаментальная задача навигации.

Схемы навигации автономных устройств

- глобальная – определение абсолютных координат устройства при движении по длинным маршрутам; - локальная – определение координат устройства по отношению к некоторой (обычно стартовой) точке. Эта схема востребована разработчиками тактических беспилотных самолетов и наземных роботов, выполняющих миссии в пределах заранее известной области; - персональная – позиционирование роботом частей своего тела и взаимодействие с близлежащими

предметами, что актуально для устройств, снабженных манипуляторами.

Системы навигации классифицируются еще по одному признаку – они могут быть пассивными и активными.

Пассивная система навигации подразумевает прием информации о собственных координатах и других характеристиках своего движения от внешних источников, а активная рассчитана на определение местоположения только своими силами. Как правило, все глобальные схемы навигации пассивные, локальные бывают и теми и другими, а персональные схемы – всегда активные.

У разработчиков систем пассивной локальной навигации популярна идея использования для ориентирования искусственных сооружений (например, специальных вышек). Она неплохо реализована в коммерческих версиях, и робот, снабженный системой машинного зрения, может довольно точно рассчитать расстояние до вышки по анализу изменения геометрических размеров ее видимого образа. Здесь может помочь использование стереокамер – зная угол зрения каждой из них, можно вычислить расстояние до цели. Другая пассивная концепция локальной навигации – с помощью радиомаяков – заключается в размещении в зоне действий робота источников радиосигналов, которые обрабатываются бортовым микропроцессором. Но так как радиомаяки располагаются в фиксированных точках некоторого маршрута, аппарат теряет возможность обходить препятствия или выбирать альтернативный путь движения.