Ultrasonic Mapping

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Paper about mapping and navigation using ultrasonic raging sensor.

Text of Ultrasonic Mapping

budai EgyetemNeumann Jnos Informatikai KarAlkalmazott Informatikai Intzet

TUDOMNYOS DIKKRI DOLGOZAT

Ultrahangos trkpezs s navigci

Szerzk:Zelenka Gbor

mrnk informatikus BSc. szak, V. vf.

Tont Gergely

mrnk informatikus BSc. szak, IV. vf.

Konzulensek:Dr. Molnr Andrs

egyetemi docens

Dr. Stojcsics Dniel

adjunktus

Ultrahangos trkpezs s navigciZelenka Gbor, Tont Gergelybudai EgyetemNeumann Jnos Informatikai Kar, BSc. IV. vfolyamKonzulensek: Dr. Molnr Andrs, egyetemi docensDr. Stojcsics Dniel, adjunktus

A TDK dolgozat f tmja az ultrahanggal trtn trkpezs s navigci megvalstsnak bemutatsa. A dolgozat rszletesen kitr a krnyezet feltrkpezsnek mdjra, majd az elkszlt trkp alapjn trtn navigcira. A befejez rsz tartalmazza a rendszer tesztelsnek eredmnyt, valamint bemutatja az alkalmazott algoritmusokat.A dolgozatban egy ultrahangos eszkz ltrehozst tztk ki feladatnak, ami a krnyezetrl kpes egy kt dimenzis modellt alkotni s ez alapjn egy njr eszkzre szerelve a navigcit megvalstani. A dolgozathoz felhasznljuk korbbi Ultrahangos Trkpezs s Navigci TDK munknkat, amelyet kibvtnk a navigcival. A rendszer kt rszre bonthat. Az els rszben a felhasznlt hardver elemek bemutatsa s sszelltsa kap helyet gy, mint az ultrahang szenzor, a jrm valamint a szenzor mozgat motorok. Ebben a fejezetben tovbb betekintst nyernk egy kzponti vezrlvel val munkba, ami a tbbi perifrival kommunikl, valamint feldolgozza az adatokat s folyamatosan frissti a trkpet. A virtulis modellt a mikrokontroller kszti el, majd ez alapjn vezrli a robotot. Msik rsze a megvalstott szoftver elemeket trgyalja. A feldolgoz egysg a szenzortl kapott jelek segtsgsgvel frissti a memriban trolt trkpet. A ksbbiekben trgyalt algoritmus segtsgvel mindig kijell a szoftver egy tvonalat a clig amit kvet. Egy soros kapcsolaton a megjelent egysgnek tkldi a trkp adatait s ott vizulisan is megjelenik a trkp valamint a robot aktulis helyzete. Ezen az interfszen lehetsg nylik a cl meghatrozsra.Befejezsknt a rendszer gyakorlati alkalmazsi terleteit illetve tovbbfejlesztsi lehetsgeit trgyalja a dolgozat.

Tartalomjegyzk1.Feladat:42.Kapcsold munkk53.Specifikci93.1.Megvalstsi tletek93.2.Akadly elkerlsre specifikci93.3.Rendszer specifikci93.4.Szksges eszkzk:104.Hardver szegmens114.1.ESP8266114.2.Szervo modul114.2.1.Mkdsi elve114.2.2.Vezrlse124.3.DC motor mozgat modul124.4.Szenzorok134.4.1.Ultrahang szenzor:134.4.2.Szenzor mrsi eredmnyek144.5.Adatklds:165.PC szegmens175.1.Adat fogad modul176.Megvalsts sorn szksges lpsek:186.1.3D-s rekonstrukci186.2.Megjelent 3D modul196.2.1.Elkszlt modell:216.3.Megjelent 2D modul227.Akadly elkerls s navigci237.1.tkeres algoritmus237.2.Robot irnyba lltsa257.3.j pontok szkennelse s trkp aktualizls267.4.Robot mozgsa277.5.Tovbbi tervek a projektben, amik mg fejlesztsi terletek lehetnek288.Tartalmi sszefoglal299.Irodalomjegyzk3110.brajegyzk32

1. Feladat:Napjainkban a begyazott rendszerek egyre nagyobb trhdtsnak, valamint a gyrtsi kltsgek minimalizlsnak ksznheten olcsn lehet ilyen vezrelhet rendszereket pteni. A vilgban elrhet sok tuds, ami felhalmozdott ezek mgtt, knnyen elrhet brki szmra. A feladatunk egy olyan mobil robot tervezse s ptse, ami kpes az ismeretlen krnyezetrl 2D-s trkpet kszteni ultrahangos tvolsgmr szenzor felhasznlsval. A kiindulsi ponttl kezdve monitorozni kell a megtett tvolsgot, a robot irnyt, valamint a krnyezetben elhelyezked akadlyokat, majd ezek alapjn kell elkszteni a trkpet. A megalkotott trkp alapjn kpesnek kell lennie a terleten trtn navigcira. A rendszerhez tartozzon egy szoftver komponens, ami kpes megjelenteni a robot llttal ksztett trkpet, valamint legyen befolysolhat a navigci menete.

Az ultrahangnak ksznheten olyan krnyezetekben lehet trkpezst vgezni, ahol mr a fny alap technikk nem mkdnek. Ilyen krlmnyek lehetnek a nagyon poros levegj helysznek, vagy a fsttel teli helysgek. Persze ez nem jelenti azt, hogy ms, tbbnyire normlisnak mondhat krlmnyek kztt ez az eljrs kudarcot vallana. Azt jelenti csupn, hogy az igazn nagy elnye illetve lehetsge a korbban emltett szitucikban van.

A dolgozat sorn igyeksznk bemutatni egy ilyen nll mkdsre kpes eszkzt, ami olcsn ltrehozhat. Tartalmilag elszr szeretnnk bemutatni pr olyan mr ltez projekteket, tanulmnyokat, szakirodalmakat, amelyek elre lendtettek minket a tmakr feldolgozst illeten, valamint amelyekbl tletet tudtunk szerezni az egyes felmerl problmk elkerlshez.

Kvetkez fejezetknt a korbban tanultak alapjn mr gondolatban sszelltott rendszer specifikcit szeretnnk prezentlni. Bemutatjuk, hogy mg a mlyebb gyakorlati ismeretek hinyban is hogyan lehet a kezdeti elkpzelseket mr egy olyan egssz alaktani, amit ksbb kiegsztve s megvalstva egy mkd rendszert kapjunk.

A ksbbi fejezetek mr a tnyleges fizikai megvalstst tartalmazzk. Ezek a fejezetek vgig vezetik az olvast a felhasznlt eszkzk bemutatsn s alkalmazsn valamint az ket mkdtet szoftver komponensek mkdsn. Tovbb tartalmazza a dolgozat a felhasznlt eszkzk indoklst, hogy mirt azokkal lett megvalstva. Vgl egy tmr sszefoglal frissti fel az j emlkeket.

Kapcsold munkk[0] Extending the Occupancy Grid Concept for Low-Cost Sensor-Based SLAM

A SLAM kifejezs, vagyis a Simultaneus Localization And Mapping a robot ltal trtn, ismeretlen krnyezet feltrkpezsnek problmja. Ehhez a feladathoz lzeres tvolsgmr a legnpszerbb vlaszts a pontossga s a mrsi sebessg miatt. Ultrahangos megvalstsra is tallhatunk pldt, igaz ebbl lnyegesen kevesebbet, mint lzeresbl. Az ultrahangos rzkels 2 f problmja: a nagy nyit szg valamint a mrs eredmnye nagyban fgg a betekints szgtl. A nagy nyit szg a szenzor ltszge, ahol kpes rzkelni az akadlyokat. Az 1. kpen 3-as jelli azt a terletet, ami kiesik a szenzor ltszgbl, kettes, ami ugyan a ltterbe esik, de az akadly meredek szge miatt annak detektlsa nem valsul meg. A tnylegesen detektlhat akadly szegmens az 1-essel jellt terlet, ennek a legkzelebbi pontjnak a tvolsga kerl rzkelsre. Hasznosnak talltuk, hogy a dolgozat felhvta a figyelmnket az ultrahanggal trtn tvolsgmrs korltaira (bra 1.), amiket sajt mrseink sorn is tapasztaltunk a ksbbiekben. A nagy nyitszg problmjt azzal prbltuk kezelni, hogy a mrst maximum kt mterig vgezzk, az ennl messzebb lv akadlyok mr nem kerlnek detektlsra, az ennl kzebbiek viszont mg megfelel felbontsban szerepelnek a navigci megvalstshoz.bra 1 Szenzor ltszg

[1] World Modeling and Position Estimation for a Mobile Robot Using Ultrasonic Ranging

Ez a rendszer 24 ultrahangos tvolsgmr rzkel alapjn pti fel a robot kpt a krnyezetrl. Ez 24 pontot jelent, ami megfelel a robot krli szabad teret jellemz sokszgek cscsainak. Az adatok trolsa redundns mdon trtnik, ami hasznos lehet a trkp felptse s frisstse kzben, mert megknnyti a kzs pontok keresst s gy a mrsi adatok sszeillesztst. A trkp szegmensek kombincijbl tevdik ssze. (bra 2.)Mindegyik szegmens egy rzkelt akadly szakaszt jelent, egyfle jsgrtkkel kiegsztve. Ez az rtk alaprtelmezetten 1, maximum 5, s egyesvel nvekszik, ha egy msik szegmens, ami illeszkedik hozz detektlsra kerlt. A visszhang okozta visszaverdsek tves adatokat szolgltatnak, aminek kiszrse az egyik legnagyobb kihvsnak grkezik a projekt sorn. Erre itt ktfle megkzeltst lthatunk. Egyrszt az egymshoz illeszked szegmensek nagyobb valsznsggel szrmaznak vals mrsi adatokbl, msrszt egy akadlyt klnbz pozcikbl prbl felmrni. Mivel a betekintsi szg vltozik, a tves adatokbl felptett szegmensek mr nem vagy j pozciban jelennek meg. bra 2 Szegmens SEQ bra \* ARABIC 2. bra Szegmensek brzolsa2. bra Szegmensek brzolsa

Hasznosnak tltk azt a megkzeltst, hogy a mrst redundnsan vgezzk, valamint, hogy klnbz szgekbl is vgezzk mrseket, ami pontosabb kpet eredmnyezhet a krnyezetnkrl. Azonban a projektben a trkpet nem vonal szegmensekre, hanem ngyzetekre osztjuk fel.

[2]Obstacle Avoidance with Ultrasonic Sensorsbra 3 Szenzorok elhelyezkedsebra 4 A szenzorok betekintsi szge. bra. bra

Ezt az ultrahanggal mkd robotot Johann Borestein s Yoram Koren ksztette. Itt a robot tetejre egy szenzor helyett kettt helyeztek el. Olyan magassgbl nz le a szenzor, hogy a maximum mrsi tvolsg a fld kzelben vgzdjn. Ez a megvalsts a 4. brn ltszik, hogy a 2 szenzor a robot eltti teret lefedi. A kett szenzor ltmezeje a robot tengelynl tallkozik s nincs kzs rsz. Ha akadly van, akkor vagy jobb oldali jelez vagy a bal, ha elg nagy az akadly, akkor mind kett s ennek tudatban trtnik meg a forduls. A megemelt szenzorok kvetkeztben a talajon elhelyezked akadlyok knnyebben detektlhatak. A robot lkhrtjra jabb szenzorok vannak felszerelve, amelyek esetleges tkzseket detektlnak, ha nem venne szre egy akadlyt az ultrahang szenzor. A tanulmny kitr az ultrahang hasznlatnak problmira is. Ahogy az 5. brn is lthat, egy bizonyos alfa beessi szg hatrrtk esetn nincs vissza verd hang, vagyis inkbb nem rkezik meg a vevhz a kikldtt hang impulzus. Ezt a szget krlbell 25 fokra lehet becslni. Ez a robot csak 2 irny kzlekedsre kpes. Egyenes vonalba megy, ekkor mind a 2 kereke egyszerre forog, illetve forduls, amikor ellenttes irnyba forognak a kerekek. Ez a dolgozat szintn felhvta a figyelmnket az ultrahangos tvolsgmrs egy korltjra, amit a klnbz szgekbl trtn mrssel prblunk kikszblni. Ezenkvl hasznosnak tltk a motorvezrls megvalstst, mivel gy a kerekek elforgatsa nlkl is kanyarodhat a robot. bra 5 Szenzor beessi szg

[3]Parkolsi asszisztens RC authoz

Ez az irodalom egy parkolst megvalst jrmvet rszletez. Hasonlan a jelen dolgozathoz, itt is ultrahangos szenzort hasznlt a tvolsg mrsre. Klnbsg az, hogy ebben a megkzeltsben hrom darab szenzort alkalmaz, s ezek fixen vannak rgztve az aut testre. Parkols megkezdse eltt elhalad a clterlet eltt, s az aut oldalra erstett szenzor bizonyos idkznknt mrseket vgez. Tmbben trolja az adatokat s gy egy mrs egy oszlopot lefed. Az gy ellltott trkp segtsgvel megtervezi a parkolshoz kell tvonalat. PWM jellel szervo motor s a DC motor mozgatst valstotta m