- 1 -

Senzori Lokalizacija pomoću orijentira

Cilj vježbe: upoznati senzore koji se koriste u mobilnoj robotici i problemi lokalizacije Senzori (osjetila) – percepcija – inteligencija Na početku LV iz robotike definirali smo robotiku kao interdisciplinarnu znanost, pa pored ostalog robotika koristi znanja iz psihologije i neuroznanosti. Osim toga ljudi pokušavaju izraditi robote koji bi imali i neke ljudske osobine od načina kretanja pa do govora i učenja. Psihologija definira psihičke sposobnosti i dijeli ih na:

Senzorne (osjetilne) sposobnosti Ljudi imaju oko 20 osjetila, a svako osjetilo ima

o Osjetilni organ (oko, uho , jezik ) o Osjetilni živac-povezuje osjetilni organ sa mozgom o Centar u mozgu – obrađuje primjenu informaciju

Razlikujemo apsolutnu osjetljivost na najslabiji podražaj i diferencijalnu osjetljivost na razliku u jačini podražaja. Percepcija je mogućnost istovremene obrade više osjetilnih podataka.

Psiho-motoričke sposobnosti (spretnosti)

Intelektualne sposobnosti Danas se kod ljudi sve manje preferiraju senzorne i psiho-motoričke sposobnosti osim kod specifičnih zanimanja (sportska dostignuća i neka zanimanja), zbog tehnološkog napretka, a težnja se baca na intelektualne sposobnosti. Takve spoznaje iz psihologije mogu se primijeniti i u robotici prilikom projektiranja robota. Senzori koje koristimo kod mobilnih robota prvenstveno moraju osigurati snalaženja u prostoru (lokalizacija), te moraju osigurati obavljanje specijalnih zadatak za koje je taj robot napravljen. Roboti su po svojoj konstrukciji specijalizirani za kretanje po određenom mediju (tlo, voda , zrak, svemir) , ali su i specijalizirani za obavljanje određenih zadataka što im omogućuju razni senzori. Kada promatramo psiho-motoričke sposobnosti ljudi tada bi se to kod robota odnosilo na njegove konstruktivne karakteristike, kvalitetu pogona (motora i encodera), manevarske sposobnosti i slično Intelektualne sposobnosti kod ljudi možemo komparirati kod robota sa jačinom mikrokontrolera i računala na robotu, ali prvenstveno kvalitetom njegovog programa. Senzori samo daju informacije o trenutnom stanju ali obrađuje ih računalo. Senzori Senzori su definirani kao pretvarači fizikalnih veličina (udaljenosti, sile, temperature, tlaka….) u neke veličine koje je se jednostavnije obrađuju, a to je najčešće električna veličina (napon, struja, otpor,digitalni binarni podatak). Kod mobilnog robota fizikalna veličina trebala bi se pretvoriti u digitalni binarni podatak radi jednostavnije i brže komunikacije sa računalom. Encoderi, koji su objašnjeni LV3 također spadaju u senzore koji imaju važnu ulogu u kretanju i lokalizaciji robota.

1. Senzori za mjerenje udaljenosti i izradu mape

- 2 -

Svi senzori koji mjere udaljenost prepreka od mobilnog robota spadaju u grupu senzora za izradu mapa, koje mobilnom robotu osiguravaju bolje snalaženje u zatvorenom (indoor) prostoru. Senzore za mjerenje udaljenosti prema načinu mjerenja možemo podijeliti u tri skupine:

Senzori koji mjere vrijeme proteklo od odašiljanja signala pa do prijema reflektiranog signala (time of flight TOF) pa na temelju tog vremena računaju udaljenost

Senzori koji mjere fazni pomak između odaslanog i primljenog signala

Senzori bazirani na frekventno-moduliranom signalu (radar) i donekle su u vezi sa

amplitudnom-modulacijom i fazno pomaknutim signalima. Metoda mjerenja vremena (time of flight TOF) Mnogi mjerači udaljenosti danas se baziraju ovoj mjernoj metodi kod koje mjerni impuls dolazi iz ultrazvučnog, optičkog ili RF izvora energije. Parametri impulsa koji se emitira bitni su za izračun udaljenosti, tako na primjer brzina zvuka u zraku (343m/s pri 20ºC) , brzina svjetlosti (299 792 458 m/s odnosno 0,3m/ns). Koristeći elementarnu fiziku dobivamo udaljenost=brzina·vrijeme, gdje udaljenost mjerimo indirektno mjereći vrijeme uz poznatu brzinu prostiranja impulsa kroz zrak ili neki drugi medij. Greške koje mogu nastati kod primjene TOF metode mjerenja udaljenosti

Brzina zvuka kroz zrak mijenja se sa promjenom temperature i vlažnost zraka pa te promjene utječu na mjerni podatak

Detekcijska nesigurnost ili (time-walk errors) uvjetovana različitim površinama predmeta od kojih se odbija impuls.Uvjetuje promjenu u frekvencijskoj karakteristici impulsa.

Kada se gleda razlika u brzini prostiranja zvučnih i svjetlosnih impulsa kroz zrak tada vrijeme koje mjerimo kod svjetlosti je 10 na 6 puta krače nego kod zvuka, što poskupljuje izvedbu uređaja.

Površinska interakcija javlja se kad se emitirani impuls iz senzora višestruko odbije od raznih površina i na kraju ga detektira prijemnik senzora. Takav signal nije vjerodostojan podatak o udaljenosti te ga se mora smatrati nevaljanim. Takva pojava naziva se (crosstalk).

- 3 -

Javlja se zbog toga što je energetski gledano reflektirani impuls mnogo manje energije nego odaslani jer se dio energije rasprši, te stoga prijemnik mora biti dovoljno osjetljiv da detektira male signale.

Ultrazvučni senzori udaljenosti Putovanje impulsa kod ultrazvučnih senzora

Princip rada

Predajnik emitira kratkotrajni ultrazvučni signal (49KHz)

- 4 -

Mjerenje vremena od kada predajnik emitira signal do kada ga prijemnik detektira Iz podatka o vremenu izračunava se udaljenost

Izgled ultrazvučnog senzora mobilnog robota

Izvedba sa odvojenim prijemnikom i predajnikom, odnosno zvučnik i mikrofon su neovisno izvedeni. Postoje izvedbe gdje su mikrofon i zvučnik jedna komponenta, koja djeluje tako da kada emitira impulse tada je zvučnik, a kada prima impulse tada je mikrofon.

Snaga signala kao funkcija orijentacije u odnosu na centar zrake.Većina snage ograničena je na centralnu „laticu“ i kut rasprostiranja je 30º. Za praktičnu primjenu dovoljno je uzeti emitirani konus koji zatvara kut od 30º. Kutna pozicija objekta unutar konusa emitiranja nije određena tako da obje prepreke daju istu udaljenost.

U slučaju kuta θ većeg od kritične vrijednosti očitanja nisu moguća ili su očitanja uslijed površinske interakcije. Kut θ za glatke površine iznosi 7-8º, a hrapave i do 90º. Ultrazvučni senzori udaljenosti ovisno o tipu mogu mjeriti udaljenosti od 0,12 do 10m.

Infracrveni senzori udaljenosti

Mjerenje malih udaljenosti do 1,5m

- 5 -

Okolna svjetlost nema utjecaja na mjerni podatak Boja i refleksivnost nema utjecaj na mjerni podatak

Blok dijagram IR senzora Sharp

- 6 -

Laserski senzori udaljenosti

- 7 -

Usmjereni snop zrake se emitira i udara u točku P Senzor emitira modulirani signal svijetlosti poznate frekvencije i mjeri fazni pomak

odaslane i primljene zrake Značajno poboljšanje u usporedbi sa ultrazvučnim senzorom

Pogreške mjerenja

- 8 -

Karakteristike:

Područje detekcije 2-500m Rezolucija 10mm Polje pogleda 100-180º Kutna rezolucija 0,25º Vrijeme skeniranja 13-40ms Neosjetljivi na maglu i prašinu

2. Sustav vizualnog navođenja

Nastoji oponašati sposobnosti i značajke ljudskog vida Osigurava veliki broj informacija iz okoline na temelju kojih se ostvaruje

interakcija

- 9 -

Nedostatak je gubitak informacije o dubini koji se može nadomjestiti odgovarajućim metodama

Jednom kamerom ne možemo dobiti informaciju o dubini, jer kamera 3D okolinu pretvara u 2D i na taj način se gubi podatak o dubini. Da bi se dobila odnosno rekonstruirala informacija o dubini potrebno je snimiti više slika sa različitim žarišnim daljinama i iz tih slika izračunati treću dimenziju.

- 10 -

- 11 -

Obrada fotografija vrši se filtriranjem i segmentacijama slike, različitim postupcima detekcije rubova , vrhova i ravnih bridova.

Izgled CCD IC-a

- 12 -

- 13 -

- 14 -

Lokalizacija na temelju orijentira Orijentiri su posebno istaknuti znakovi koje robot pomoću svojih senzora može detektirati a mogu biti različitih geometrijskih oblika, ali mogu i sadržavati razne informacije na primjer u obliku bar koda. Osnovna karakteristika orijentira je da imaju čvrstu odnosno fiksnu poziciju tako da ih robot može prepoznati, i orijentiri se pažljivo odabiru da ih se može lako identificirati. Da bi robot mogao koristiti orijentire za navigaciju oni prije toga moraju biti pospremljeni u memoriju robota i osnovni zadatak lokalizacije je prepoznavanje orijentira i na temelju toga snalaženje u prostoru.

- 15 -