УДК 629.072.621.865.58
СИСТЕМА ЛОКАЛЬНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНЕШНИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ "FLOW MOTION" ДАТЧИКОВ
LOCAL POSITIONING SYSTEM WITHOUT EXTERNAL SIGNALS BASED
ON "FLOW MOTION" SENSORS
Терауд Валентин Викторович
канд. техн. наук, ст. научн. сотрудник E-mail: ldrnww@gmail.com
Институт проблем управления РАН им. В. А. Трапезникова, г. Москва
Аннотация: Проанализированы общие подходы к проблеме навигации. Рассмотрен оптический датчик "flow motion" и его применение для вычисления координат мобильного робота. Исследованы особенности работы датчика. Разработана система, позволяющая определять координаты мобильного робота в процессе его перемещения.
Ключевые слова: flow motion, локальная навигация, мобильный робот.
Teraud Valentin V.
Ph. D. (Tech.), Senior Researcher E-mail: ldrnww@gmail.com
V. A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences, Moscow city
Abstract: The general approach to a problem of navigation is shown. There are described an optical flow motion sensor and its application to calculate the coordinates of the mobile robot. The features of the sensor are analyzed. The system is developed that allows to determine the coordinates of the mobile robot in the process of moving.
Keywords: flow motion, local navigation, mobile robot.
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы и задачи навигации известны с давних времен. За прошедшие столетия изобретено множество приемов и устройств для навигации в пространстве.
С развитием общества и ростом числа строений, развития компьютерной индустрии и глобальной тенденции на роботизацию нашей жизни, вопросы навигации на закрытых площадках приобрели такую актуальность, как некогда навигация в открытом пространстве. Наибольшую востребованность навигация приобрела в мобильных системах. Массовый покупатель может приобрести роботы-пылесосы, роботы-игрушки, охранные системы и множество других, гораздо более специфических устройств. При этом каждое подобное устройство требует автономной навигации в закрытом пространстве.
Большинство устройств, решающих вопросы автономной навигации, одновременно решают задачу планирования маршрута. Компьютерные системы построения маршрута разработаны достаточно хорошо. Они прошли большой путь от построения маршрута в двумерных простых пространствах до определения траектории движения в трехмерном сложном пространстве в реальном времени с динамически меняющимися условиями. Современные компьютерные игры тому яркий пример. В таких задачах обычно полагают, что известно все пространство заранее, однако в реальных ус-
тройствах информация об окружающем пространстве поступает с системы датчиков, тем самым робот не обладает всей информацией, что сильно осложняет возможность прямого применения этих результатов в мобильных роботах. Ситуация осложняется еще и тем, что системы датчиков, установленные на роботе, выдают измерения с погрешностью, а обрабатывающая компьютерная система практически всегда имеет устаревшие значения измерений.
Рассмотрению вопросов и способов локальной навигации в закрытом (без доступа сигнала GPS и/или ГЛОНАСС) пространстве посвящена эта статья. Задачей является разработка оптической системы навигации мобильного наземного робота, перемещающегося при помощи гусеничного или колесного привода по ровной поверхности. Ставится цель разработать простую как в использовании, так и в изготовлении систему, обладающую невысокой стоимостью.
ИЗВЕСТНЫЕ РЕАЛИЗАЦИИ
Системы навигации можно разделить на:
— глобальную — определение координат при перемещении на значительные расстояния в открытом пространстве;
— локальную — определение координат относительно начальной точки; обычно применяется в системах с заранее известной областью функционирования;
— персональную — определение координат частей робота, обычно друг относительно друга (например, робот с манипулятором будет обладать локальной системой навигации для определения своего положения в пространстве как целого объекта и персональной навигацией для определения координат и направления звеньев манипулятора).
В работе [1] предлагается разделить системы навигации на пассивные и активные. Пассивная система навигации подразумевает прием информации о собственных координатах и других характеристиках 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.
Наиболее известной пассивной навигационной системой является GPS. В робототехнике наиболее распространенной пассивной навигационной системой является навигация по маркерам (меткам). Маркеры могут быть как активными (излучающими некоторый сигнал) так и пассивными. В современных системах применяются матричные маркеры. Наиболее распространены цветные или в виде QR, или штрих-кодов. Однако очевидным недостатком подобного подхода является необходимость обслуживания маркеров.
К глобальной пассивной системе навигации стоит также отнести непрерывные радио метки [2, стр. 250]. Система "Motorola's Mini-ranger Falcon 484 R" была ре-ализованна правительством США и разработчиками из Motorola. На месте навигации развертывается система из нескольких неподвижных станций, каждая из которых излучает фазовый сигнал. Подвижное устройство принимает сигнал и сравнивает разность фаз от различных станций, вычисляя собственное местоположение. Данная система позволяет получить точность в два метра на расстояниях от 100 м до 75 км. Основной недостаток системы заключается в необходимости подготовки пространства и низкой точности в гористой местности, а в городской застройке система может вообще полностью перестать работать.
Активные системы навигации наиболее распространены в мобильных роботах. Наиболее эффективны системы на основе машинного зрения и инерционные навигационные системы (ИНС). Частично недостатки систем машинного зрения преодолены в пространствах, где обстановка заранее известна. В течение десяти лет сотрудники Naval Research Laboratory [3] развивали данное направление, им удалось достичь больших успехов в изготовлении подобных систем минимального размера. Наименьшая система навигации весила 0,2 г и обеспечивала навигацию небольшого вертолета. Широкое и достаточно полное описание подходов в этой области можно найти в работе [4], предоставляющее открытое решение для навигации роботизированных систем.
ИНС получили большое распространение практически в каждом автономном устройстве, требующем применения навигации в трехмерном пространстве. После создания MEMS технологии использование ИНС сильно упростилось, их цена значительно снизилась до возможности массового потребления. Серьезным недостатком данных систем является накопление ошибок, которые невозможно скорректировать инерциальной системой самостоятельно. Однако еще более актуальна эта проблема ИНС проявляется в дешевых датчиках, построенных по MEMS технологии. Накопление ошибок в таких системах значительно, поэтому их используют не для абсолютной навигации, а только для локальной стабилизации машины (например, летательной). Применение таких ИНС невозможно без постоянного обнуления ошибок, для чего применяют какую-либо другую навигационную систему.
Рассмотрим различные известные реализации локальной системы навигации, их плюсы и минусы. Для каждой задачи можно подобрать такую систему навигации, которая максимально покрывает необходимый функционал, при этом своими недостатками не сильно влияя на него.
Система навигации мобильного робота по опорным маякам [5] основана на ультразвуке. На рабочем поле расставляются три маяка, координаты которых известны. Объект посылает ультразвуковой сигнал в окружающее пространство, а маяки, поймав сигнал, излучают его в ответ. Собственные координаты объект вычисляет трилатерацией по разности времени излученного и принятого сигнала. Точность 3...5 см. Работоспособность системы обеспечивается на полях до 5x5 м (обычно 3x3), что ограничено дальностью распространения ультразвука. Скорость измерения составляет 100.200 м/с, т. е. не превышает 5.10 Гц.
К очевидным достоинствам такого подхода следует отнести простоту реализации и отсутствие дорогих компонентов, а также нечувствительность к условиям освещенности. Обратной стороной такой простоты реализации является низкие точность и стабильность измерения. Скорость звука в воздухе составляет в среднем около 340 м/с. На практике эта цифра колеблется в зависимости от температуры (331,5 м/с при 0 °С, 348,9 м/с при 30 °С).
Можно считать, что при повышении температуры воздуха на 1° скорость звука в нем увеличивается на 0,58 м/с. Учет температуры при измерениях помогает повысить точность на 20.40 % (т. е. уменьшить ошибку измерений). Ко второй существенной проблеме относится переотражение сигнала и его повторный прием в замкнутых пространствах. В больших пространствах система также не работает из-за ограниченности распространения ультразвука. И третий недостаток — это интерференция сигналов от различных датчиков. Для ее устранения необходимо вводить систему синхронизации ответа различных датчиков, что сильно усложняет систему.
Система навигации мобильного робота [6] основана на инфракрасном канале. В пространстве расставляются активные инфракрасные маяки, каждый из которых излучает свою кодовую последовательность. Подвижный объект, определяющий свое местоположение, знает координаты маяков и излучаемые кодовые последовательности каждого маяка. На подвижном объекте установлена система измерения углового направления на маяк. В работе [6] она реализована механически поворачивающейся головой с узкой щелью. Также датчик принимает кодовую последовательность от маяка, по которой определяет координаты маяка. На основе геометрических построений определяется координата объекта.
Данный подход частично лишен недостатков ультразвукового подхода. Он характеризуется полной независимостью измерений от температуры воздуха, значительно большей дальностью работы, отсутствием интерференции. К сожалению, этот подход обладает рядом д
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.