Microsoft PowerPoint - Sissejuhatus robotitehnikasse 10.ppt

Väljavõte

1 Sissejuhatus robotitehnikasse Prof. Tõnu Lehtla Loengud Tallinna Tehnikaülikoolis 006 IV osa Roboti liikumise juhtimine Mobiilsete robotite asukoha tuvastamine Inimese meeled ja ümbrusetaju 1) Nägemine silmad (optika, valgus) ) Kuulmine kõrvad (akustika, heli) ) Puudutamine nahk (mehaanika, jõud, soojus) 4) Haistmine nina (keemia, lõhnad) 5) Maitsmine keel (keemia, maitse) 6) Tasakaalu tunnetus (mehaanika, dünaamilised jõud) Roboti ümbrusetaju 1) Tehisnägemine kaamera, fotoandurid (valgus, elektromagnetiline kiirgusväli) Sagedusvahemik on suurem (infrapuna- ja ultraviolettkiirgus, raadiosageduspiirkond) ) Kuulmine mikrofon, helivastuvõtja (heli, infra- ja ultraheli) ) Puudutamine taktiil- ehk puuteandurid ja lähedusandurid (jõud, soojus) 4) Keemiline analüüs on võimalikud mitmesugused keemilised analüüsid 5) Radioaktiivsustaju 6) Tasakaalu tunnetus (mehaanika, kiirendusandurid) Asukoha määramine tasapinnal, ebatasasel pinnal ja ruumis Positsioonimise meetod Asukoha- ja trajektoorimärkide tuvastamise või asimuudi järgi; Ümbruse kaardi ja mõõdetud koordinaatide järgi Ruumide skeemid, topograafilised ja D kaardid Mõõtesüsteem või andurid puute-ja lähedusandurid optilised asendiandurid kell ja kiirusandur kiirendusandur kompass kiirendusandur ultraheliandur laserkaugusmõõtja kompass raadiomajakas inertsiaalsed güroskoobid optilised güroskoobid Roboti tegevusulatus Väike Keskmine Suur X X 1

2 Asukoha määramine sõltuvalt vahemaast Lähedusandurid Mõõdetav objekt Induktiivsed Mõõdetav objekt Mahtuvuslikud Väljundvõimendi (lüliti) Otsesuunaline lähenemine globaalne positsioonimissüsteem D diferentsiaalne Raadiomajakad (beacons) INS inertsiaalne süsteem, güroskoop, kiirendusandur Optilised ja helimajakad Joonte järgimine (lähedusandurid) Käigutee mõõtmine (odometry) rataste pöördenurga mõõtmine Puuteandurid (taktiilandurid) Signaalimuundur Generaator (ostsillaator) Ennistumispunkt Drop-out point Rakendumispunkt Pick-up point Lähedusandur H hüstereesiala H tajukaugus Kiirendusandurid (accelerometers) Inertsiaalsel mikro-elektromehaanilised süsteemil põhinevad andurid (inertial MEMS sensors) tuvastavad liikumist ühes, kahes või kolmes lineaarkoordinaadis. On andurid ka pöörliikumiskiirenduse mõõtmiseks. Güroskoobil põhinevad andurid võimaldavad mõõta Coriolise kiirendust. Andurites mõõdetakse liikuva ja fikseeritud osa vahelise mahtuvuse muutumist. Kiirendusandureid kasutatakse autode ja robotite navigatsioonisüsteemis (ka tulede reguleerimiseks, vibratsiooni või kaldenurga mõõtmiseks), fotoaparaatide ja kaamerate pildi stabiliseerimiseks Kiirendusandurite mõõtesüsteemid Piesoelektriline Mikromehaaniline mahtuvuslik (MEMS) Resonants Magnetiline induktsioonandur Optiline Termiline Akustilistel pinnalainetel (deformatsioonil) põhinev (keskkonna tiheduse muutumine) QFlex Matrix Navigation Accelerometers Inimese tasakaaluorgan vestibulum sisekõrvas koosneb kolmest ristuval tasandis asuvast poolringikujulisest torust ja töötab koos silmadega Külgmine horizontal (lateral) Eesmine (ülemine) anterior (superior) Tagumine (alumine) posterior (inferior)

3 Roboti kinnismärgid (robot landmarks) Loomulikud Ruumi sein, nurk Jõgi, maapinna reljeef Teepinna tekstuur Päike, põhjanael Maamagnetväli Keskkonna rõhk (gradient) Kunstlikud Maamärgid, jooned Peeglid, metallribad Keemilised märgid Valgusmajakad Raadiomajakad jm. Roboti kinnismärgid (robot landmarks) Elektrijuhid Sobib tööstusrobotitele. Süvistatud kaablite suletud kontuurid. Igas kaablikontuuris on eri sagedusega vaheldussool. Kontuuri järskudes pöördekohtades on maapinnale kinnitatud on väikesed magnetilisest materjalist plaadid, mis võimaldavad tuvastada potentsiaalselt raskesti järgitavaid kohti ning vähendada eelnevalt roboti liikumiskiirust. Süsteemis on liikumisteel ka sidepidamispunktid, kus saab tuvastada roboti olekut ja edastada seda juhtarvutile tööde edasiseks plaanimiseks või kokkupõrgete vältimiseks. Eelis: Süsteem on väga töökindel ja lihtsa ehitusega. Puudus: Liikumisteed on raske muuta, sest kaabel asetseb vähemalt 1 cm sügavusel. Värvitud rajad Sobib kasutamiseks bürooruumides. Süsteem sarnaned elektrijuhtidega süsteemile. Raja märkimiseks kasutatakse eredat nähtavat värvi või inimsilmale nähtamatut, UV valguses helenduvat värvi. Eelis: Rada on hõlpsasti muudetav. Puudused: Raja kuju peab olema lihtne, sest keerukaid värvitud liikumissõlmi on raske läbida. Värvitud rada võib aja jooksul tuhmuda või kustuda ning seda tuleb sageli uuendada. Puuteandurid Kompass Magnetiline kompassiandur tuvastab maa magnetvälja suuna anduri sisemiste x-y telgede suhtes Roboti positsioonimine puuteanduriga The sensor reports both x and y +X = NORTH -X = SOUTH +Y = WEST -Y = EAST Robotil on tundlad nagu putukatel Joonisel on mitmeastmeline tundel Anduri tundlikkus on kuni 1 mikrotesla

4 Ultraheliandur ja Doppleri efekt Andur mõõdab liikumiskiirust Raadiomajakad Doppleri sonar Delfiini helilokatsioon: Ultraheli saatja edastab laia kiirega (±1 kraadi) 10 db tugevusega signaali sagedusel 40 khz at. Hädaolukorra raadiomajaks Raadio- ja valgusmajakad Güroskoobid ja altimeetrid Vibratsioongüroskoop Raadiomajakas Di jaoks Traditsiooniline güroskoop Lennujaama valgusmajakas Eriti sobivad öiseks navigatsiooniks The altimeter measures pressure and displays this as height above sea level. 4

5 Optilised güroskoobid suurlinnas ei tööta hästi Fiber-optic gyroscope täiendab navigatsioonisüsteemi. PÕHIMÕTE: Kui kaks vastassuunas kulgevat kiirt läbivas optilisest kiust mähise, siis tekib nende levikus ajaline nihe, mille suurus on võrdeline mähise pöördenurgale. Ajalist nihet mõõdetakse interferentsi põhimõtet kasutades kahe valguslaine faasinurga erinevuste kaudu. Ümbruse kaardistamine ja tuvastamine ARCS võimalused (laserskaneerimine) Hoonete kaardistamine (mapping) skeemile kandmine Asukoha määramine kaardistatud hoonetes, täpsus kuni +/-cm, +/-10 degrees; (täpsust saab suurendada lisaanduritega) Navigeerimine kaardistatud hoonetes; punktist punkti liikumine, tõkete vältimine Tõkete vältimiseks saab integreerida lisaandureid (sonarid, lisalaserid) Sihtkoha koordinaatide kandmine kaardile (x,y, theta) Liikumiseks mittesobivate alade kandmine kaardile ("keep off" areas) Sihtkoha dünaamiline muutmine (spetsiaalne tarkvara) Olekusignaalide edastamine (nt., "goal reached") Toiteallika seisundi automaatne jälgimine (millal tuleb akut laadida?) Advanced Robotics Control System Robotkoera Aibo asukoht Positsioonimine tasapinnal Positsioonimine tasapinnal ehk D positsioonimine Asukoha määramine kahe kauguse mõõtmisega ( r1 r ) + ( x x1 ) x r = ( x x ) 1 x1 y1 r 1 θ r xr yr x y y x Tasapinnaline polaarkoordinaadistik Ristkoordinaadistik Positsioonimine kahe kaugusvektori järgi Asukoht määratakse kahe ringjoone lõikumispunktis Ringjoone valem x + y = r x x + y y = ( ) ( ) 0 0 r px r1 py l = y0 r y y = y r y = y r 1 ± r1 ( x1 xr ) 1 r1 ( x1 xr ) Võrrandisüsteem kahe ringjoone jaoks x + y = r1 x + y y = r ( ) 0 x 5

6 Positsioonimine tasapinnal Triangulatsioon Triangulatsiooni kasutati varem kaardistamiseks, (triangulatsioonitornid) kauguse määramiseks vm. Laeva kauguse määramine kaldast kahe mõõdetud nurga ja mõõtepunktide vahelise kauguse abil α l sinα l sinα sin β d = = cos β cosα + sinα cosα sin β + sinα cos β sin β l d β Positsioonimine tasapinnal Kaks või kolm tugipunkti? Kahe tugipunkti puhul on kaks võimalikku lahendit Kolme tugipunkti puhul on üks lahend ( x1 x10 ) + ( y1 y10 ) = r1 ( x x0 ) + ( y y0 ) = r ( x x ) + ( y y ) = r 0 0 Tallinn Tallinn Tartu Vändra mets Pärnu Tartu Positsioonimine tasapinnal Kauguste erinevusel põhinev asukoha määramine Kauguste erinevus (dfferential range) r - r 1 Hüperbooljooned r 1 r r r r r = 0 vastuvõtujaam koos ümbruse elektronkaardiga r r - r 1 = 0 has parts: the space segment, the user segment, and the control segment.. The space segment consists of 4 satellites, each in its own orbit 0,000 kilometers above the Earth. The user segment consists of receivers, which you can hold in your hand or mount in your car. The control segment consists of 5 ground stations, located around the world, that make sure the satellites are working properly 6

7 Kosmilised majakad (satelliidid) USA kaitseministeeriumi Global Positioning System, Vene süsteem GLONASS (poolik) Euroopa süsteem GALILEO (loomisel) Kosmilised majakad (satelliidid) NASA pilt Täieliku süsteemi jaoks on vaja 4 satelliiti. Korraga peaks olema nähtaval vähemalt 4 satelliiti. Galileo süsteemi valmimisel kavatsetakse see panna tööle koos -iga (kokku üle 50 satelliidi) USA kaitseministeeriumi montaažpilt Geomeetria Kaks kerapinda lõikuvad mööda ringjoont Kolm kerapinda lõikuvad kahes punktis Neli erinevate tsentritega kerapinda saavad lõikuda vaid ühes punktis Võrrandisüsteem kolme sfäärilise pinna lõikepunktide leidmiseks ( x x10) + ( y y10 ) + ( z z10 ) = r1 ( x x0 ) + ( y y0) + ( z z0 ) = r ( x x ) + ( y y ) + ( z z ) = r 0 0 Otsitava asukohavektori projektsioonid on x, y, z; mõõdetud suurused on r 1, r, r 0 Koordinaadistikud Maakerakeskne ristkoordinaadistik X, Y, Z Maakerakeskne geodeetiline (sfääriline) pikkuskraad alates nullmeridiaanist, laiuskraad alates ekvaatorist ja kõrgus merepinnast. (latitude, longitude, height) Maakerakeskne Nullmeridiaan on Greenwichi observatooriumi meridiaan Koordinaatide teisendamine geodeetilisest koordinaadistikust ristkoordinaadistikku 7

8 Geomeetria Maakera tegelik kuju erineb kerast Maakera geomeetriline kuju on geoid Maakera mudelina kasutatakse ellipsoidi Kui erinevate satelliitide järgi määratud asukoht ei lange kokku on tegemist vastuvõtja kellaaja veaga, mida saab korrigeerida. Geodeetiline koordinaadistik Satelliidil on väga täpne ja kallis aatomikell R1 R Sinisega on näidatud joon millel kauguste erinevus (R -R 1 ) satelliitideni on sama (hüperbool) Vastuvõtjal on odav kvartskell Asukoht ja kellaaeg Kauguse mõõtmine Kauguse mõõtmiseks kasutatakse signaali levimisaega. vastuvõtja Valgus ja raadiolained levivad vaakumis kiirusega km/s Saatja ja vastuvõtja alustavad mingil ajahetkel pseudojuhusliku koodi (pseudorandom code), genereerimist. Saatja edastab signaali eetrisse ja vastuvõtja registreerib saatja poolt edastatud signaali teatud ajavahemiku järel. Vastuvõetud signaali hilinemist mõõdetakse vastuvõtja kvartskellaga. Signaali hilinemine võrdub signaali levikuajaga ning on võrdeline saatja kaugusega vastuvõtjast. Süsteemi tööks peavad nii saatjal kui ka vastuvõtjal olema omavahel nanosekundilise lubatud veaga sünkroniseeritud kellad. Satelliidil on aatomkell, vastuvõtjal kvartskell. Kvartskella täpsus pole piisav, kuid ta on odav. Täpsuse saavutamiseks kasutatakse väikeste ajavahemike järel automaatset sünkroniseerimist. vastuvõtja lihtsustatud plokkskeem Vastuvõtja võrdleb eri satelliitide signaali järgi leitud asendeid ning mõõdab oma enda viga. Asendivea põhjal arvutab vastuvõtja õige aja, mis vastab saatja aatomkella ajale ning korrigeerib oma kvartskella ajanäitu. 8

9 Diferentsiaalne Positsioonimine diferentsiaalse -iga Diferentsiaalne Positsioonimine diferentsiaalse -iga Maapealne tugimajaks Korrigeeritud asukoht Maapealne tugimajaks Korrigeeritud asukoht Asukohta korrigeeritakse maapealse tugimajaka signaali järgi Asukohta korrigeeritakse maapealse tugimajaka signaali järgi 9