Ρομποτική II. Περιεχόμενα Μαθήματος

Transcript

1 Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχ/κών και Μηχ/κών Υπολογιστών, Ε.Μ.Π., Ακαδημαϊκό Έτος , 8ο Εξάμηνο Ρομποτική II Ευφυή και Επιδέξια Ρομποτικά Συστήματα Διδάσκων: Κων/νος Τζαφέστας Τομέας Σημάτων, Ελέγχου & Ρομποτικής Σχολή Ηλεκτρ. Μηχ/κών & Μηχ/κών Υπολ., Ε.Μ.Π. Τηλ.: , (Κτήριο Ηλεκτρ., Γραφείο 21.11) Web: 1 Περιεχόμενα Μαθήματος ΕΝΟΤΗΤΑ-1: Επιδέξιος Ρομποτικός Χειρισμός Έλεγχος Ρομπότ με πλεονάζοντες β.ε. (redundant robots) Έλεγχος Δύναμης / Μηχανικής Αντίστασης Μοντελοποίηση και έλεγχος επιδέξιου χειρισμού (Συνεργαζόμενα ρομπότ, Ρομποτικά χέρια) ΕΝΟΤΗΤΑ-2: Αυτόνομα Ευφυή Κινούμενα Ρομπότ Μηχανισμοί Κίνησης / Αισθητήρες (H/W: locomotion / sensors) Σύνθεση αισθητηρίων πληροφοριών (sensor fusion) Αρχιτεκτονικές Ελέγχου Κινούμενων Ρομπότ Σχεδιασμός δρόμου Αποφυγή εμποδίων (path planning) Εκτίμηση θέσης Χαρτογράφηση χώρου κίνησης (localization / map building) 2

2 Ε.Μ.Π., ΣΗΜΜΥ, Ακαδημαϊκό Έτος , 8ο Εξάμηνο Μάθημα: Ρομποτική ΙΙ. Διδάσκων: Κ.Τζαφέστας ΕΝΟΤΗΤΑ 2: Αυτόνομα Ευφυή Κινούμενα Ρομποτικά Συστήματα 2.1- Εισαγωγικά Στοιχεία Μηχανισμοί κίνησης (locomotion) / Αισθητήριες Διατάξεις (sensors) 3 Κινούμενα Ρομπότ - Εισαγωγή Βιομηχανικά Ρομπότ Ρομποτικοί Χειριστές: Σταθερή βάση περιορισμένος χώρος εργασίας Κινούμενα ρομπότ: δυνατότητες μεταφοράς στο χώρο εργασίας, αυτόνομη (ή τηλεχειριζόμενη) κίνηση Αυτόνομη κίνηση: δυνατότητες χαρτογράφησης και αντίληψης θέσης στο χώρο, καθώς και σχεδιασμού δρόμου Εργασία σε «μη φιλικό» προς τον άνθρωπο περιβάλλον, ή αλληλεπίδραση με τον άνθρωπο στο περιβάλλον εργασίας Μηχανισμοί δημιουργίας κίνησης και αισθητήριες διατάξεις 4

3 Κινούμενα ρομπότ: Βασική Δομή Ελέγχου Βάση Γνώσης Περιγραφή Αποστολής Αντίληψη θέσης και Χαρτογράφηση Χώρου Συνολικό Μοντέλο Περιβάλλοντος, Θέση Ρομπότ «Συλλογισμός» - Σχεδιασμός Δρόμου Τοπικό Μοντέλο Περιβάλλοντος Εξαγωγή και Ερμηνεία Χαρακτηριστικών Αισθητηριακά Δεδομένα Αισθητήριες Διατάξεις Σχέδιο Κίνησης / Δρόμος Έλεγχος Κίνησης και Δράσης στο Περιβάλλον Εντολές Κίνησης Μηχανισμοί Κίνησης Χώρος Κίνησης Περιβάλλον Δράσης 5 Κινούμενα Ρομπότ Μηχανισμοί Κίνησης Τροχοί: Τροχοφόρα ρομποτικά οχήματα. Κατάλληλα για επίπεδο έδαφος, οδικό δίκτυο κλπ. Πόδια: Βαδίζοντα ρομποτικά οχήματα. Φυσικό εξωτερικό περιβάλλον κίνησης, δύσβατο έδαφος Εναέρια (Unmanned Aerial Vehicles - UAVs, RPVs) Υποβρύχια (Underwater Robots) Υβριδικά συστήματα... Επίδοση: ευστάθεια (στατική/δυναμική, χαρακτηριστικά εδάφους), πολυπλοκότητα ελέγχου (μηχανισμός δημιουργίας κίνησης), ταχύτητα μετακίνησης, κατανάλωση ισχύος - αυτονομία 6

4 Κινούμενα Ρομπότ Εισαγωγή (1) Ευφυή τροχοφόρα κινούμενα ρομπότ Laser Range Finder Μικρός Gripper Σύστημα Όρασης Ασύρματο Ethernet Αισθητήρες Υπέρυθρων PowerBot ActiveMedia Robots RWI IS Robotics Αισθητήρες Υπερήχων Video-1 Video-2 7 Κινούμενα Ρομπότ Εισαγωγή (2) Βαδίζοντα ρομπότ Σύστημα Κατευθυνόμενης Στερεοσκοπικής Όρασης Edutainement Sample movie (Johnnie) Research SONY - Aibo (e.g. adaptive behaviors) Johnnie, Πολυτεχνείο Μονάχου (TUM) Sample movie Genghis 6-legged robot (AI lab / MIT) 8

5 Αυτόνομα Ευφυή Κινούμενα Ρομπότ Θεματικές Περιοχές Μηχανισμοί Κίνησης στο χώρο (locomotion) Αισθητήριες Διατάξεις (sensing) Proprioception (internal state ) / Exteroception etc. Σύνθεση αισθητηριακών πληροφοριών (sensor fusion) Αρχιτεκτονικές ελέγχου (mobile robot control architectures) Αυτοεντοπισμός θέσης / Χαρτογράφηση (self-localisation / map-building) Σχεδιασμός Δρόμου - Πλοήγηση (path planning / navigation) perception action motion control sensing reasoning 9 Μηχανισμοί κίνησης αυτόνομων κινούμενων ρομπότ (robot locomotion) 10

6 Μηχανισμοί κίνησης (locomotion) Μηχανισμοί κίνησης ρομπότ στο χώρο: κινηματική (ορθή/ανάστροφη), δυναμική ανάλυση, σχεδίαση και έλεγχος της κίνησης Βασικές κατηγορίες κινούμενων ρομπότ: Επίγεια (terrestrial) τροχοφόρα (wheeled) ρομπότ με πόδια (βαδίζοντα, αναρριχώμενα, κλπ.) (legged robots: walking, climbing etc.) Υποβρύχια κλπ... (aquatic, underwater robotics) Ιπτάμενα (αεροπλάνα, ελικόπτερα κλπ.) (airborne) Διάστημα Μικρο/Νανο-Ρομποτική 11 Τροχοφόρα Ρομπότ: Τύποι Τροχών (a) Τυπικός τροχός (σταθερού ή περιστρεφόμενου κατακόρυφου άξονα), (b) Castor (caster) wheel (προσανατολιζόμενος τροχός) (c) omnidirectional (Swedish) wheel (πανκατευθυντικός τροχός) 12

7 Τροχοφόρα Αυτοκινούμενα Ρομπότ (Wheeled mobile robots) Τροχοί Fixed wheel Centered orientable wheel Είδη Τροχών Castor wheel Swedish wheel: omnidirectional property 13 Διάταξη Τροχών σε Κινούμενα Ρομποτικά Οχήματα 2 τροχοί 3 τροχοί 4 τροχοί 14

8 Τροχοφόρα Αυτοκινούμενα Ρομπότ Βασικές Αρχές Κινηματικής Κινηματική Ανάλυση Ορθή: Εντολές Ελέγχου κίνηση ρομπότ Ανάστροφη: Επιθυμητή κίνηση εντολές ελέγχου Κύλιση (rolling) / Οδομετρία Κύλιση (roll) ω z axis v x axis y axis x axis v Instantaneous Center of Curvature (rotation) ICC ICC 15 Διαφορική Οδήγηση (differential drive) ICC R ω r=l/2 v l (x,y) y axis v θ x axis v r v l : ταχύτητα αριστερού τροχού v r : ταχύτητα δεξιού τροχού ω(r + r) = v r ω(r r) = v l (l: μετατρόχιο) ( v + v ) = l 2 ( v v) ( v vl) 2r r R = r l, r ( vr vl ) r r = l ω = l ( v r) = l + v v 2 Εαν v l = v r v=0 και ω=v r /r (1) Εαν v l = v r ω=0 και v=v l =v r Khepera robot 16

9 Διαφορική Οδήγηση (συνέχεια) (1) ICC y axis R x axis δθ=ωδt θ(t+δt) δθ P(t+δt) θ P(t)=[x,y] [P(t),θ(t)] [P(t+δt),θ(t+δt)] δθ=ωδt (στροφή γύρω από το ICC) όπου: P(t)=[x(t),y(t)] Είναι: C x =ICC x = x R sin(θ) C y =ICC y = y + R cos(θ) Εξίσωση κίνησης (χρονική μεταβολή της διάταξης του ρομπότ): xt ( + δ t) yt ( + δ t) θ( t+ δt) cos( ωδt) sin( ωδ t) 0 xt () C x C x = sin( ωδ t) cos( ωδ t) 0 yt ( ) Cy + C y θ() t ωδ t (2) 17 Διαφορική Οδήγηση (συνέχεια) (2) Ευθύ κινηματικό μοντέλο Γενικά: Διαφορική Οδήγηση: x() t = x + v()cos t θ () t dt 0 0 t 0 0 t 0 0 yt () = y + vt ()sin θ () t dt θ() t = θ + ω() t dt t x() t = x + 1 v () t + v()cos t () t dt t 0 r 2 0 l θ 1 t 0 r 2 0 l θ 1 t 0 r 0 l yt () = y + v() t+ v()sin t () t dt θ() t = θ + v () t v() t dt l Μη-ολονομικοί (μη-ολοκληρώσιμοι) κινηματικοί περιορισμοί Αντίστροφο κινηματικό μοντέλο Εαν v l (t)=v l και v r (t)=v r (με v l v r ) είναι (όταν [x,y,θ] t=0 =[0,0,0]) : () l vr + v x t = l sin t v v 2 vr v l l ( r l ) () l v 1 cos 2 r + v yt = l v v vr v l t ( r l ) () t και θ t = ( vr vl ) l l... (3) 18

10 Διαφορική Οδήγηση (συνέχεια) (3) Αντίστροφο κινηματικό μοντέλο (συνέχεια) Δοσμένου x(t)=x και y(t)=y, μπορούμε να επιλύσουμε ως προς v l και v r. Έστω α=v r +v l και β=v r v l. Έχουμε: x sin 2 l α l t = β β y cos 2 l α 2 l α l t = β β β ^ x + y l α l α 2β = 2β l l 2 2 α vr + v = x + y β vr v = l y R y axis ICC R-y x + ( R y) = R [x(t),y(t)] 2 2 R = x + y 2y x axis Απειρία λύσεων v r και v l, όπου όλες διατρέχουν κυκλική τροχιά η οποία περνά από τα σημεία [x(0),y(0)]=[0,0] και [x(t),y(t)]=[x,y] ακτίνα R=(x 2 +y 2 )/2y 19 Σύγχρονη Οδήγηση (synchronous drive) y Κάθε τροχός οδηγείται με v(t) (drive) και κατευθύνεται με ω(t) (steering) (x,y) θ v(t) x ω(t) Ευθύ κινηματικό μοντέλο t= 0 t 0 t= 0 t 0 t t= 0 0 x() t = x + v()cos t θ () t dt yt () = y + vt ()sin θ () t dt θ() t = θ + ω() t dt Nomadics 200 RWI B21 20

11 Ρομπότ με Σύστημα Διεύθυνσης (1) y (x,y) d θ α v R = d/tanα ω=v/(d 2 +R 2 ) 1/2 x R ICC Bicycle (δίκυκλο) Tricycle (τρίκυκλο) 21 Ρομπότ με Σύστημα Διεύθυνσης (2) Ευθύ κινηματικό μοντέλο R=d/tanα=d tan(π/2 α) και ω=v/(d 2 +R 2 ) 1/2 = vsinα d Θέτοντας τα R και ω στη σχέση (2), παίρνουμε μια έκφραση για το ευθύ κινηματικό μοντέλο xt ( + δ t) yt ( + δ t) θ( t+ δt) cos( ωδt) sin( ωδ t) 0 xt () C x C x = sin( ωδ t) cos( ωδ t) 0 yt ( ) Cy + C y θ() t ωδ t όπου: C x =ICC x = x R sin(θ), και C y =ICC y = y + R cos(θ) μεταβλητές ελέγχου: v, α y (x,y) Αντίστροφο κινηματικό μοντέλο (επίλυση σε ειδικές περιπτώσεις) Εαν α=0: x( t+ δ t) xt () + ( vcos θ ) δ t Εαν α=±90 ο : x( t+ δ t) xt () yt ( + δ t) = yt () + ( vsin θ ) δ t θ( t δt) θ () t + d θ R α v x ICC yt ( + δ t) = yt () θ( t δt) θ () t ( v/ d) δ t + ± 22

12 Ρομπότ με Σύστημα Διεύθυνσης (3) Σύστημα Διεύθυνσης Ackerman y α 1 Ευθύ κινηματικό μοντέλο l π R+ = dtan α l π R = dtan α d v θ (x,y) l R ICC α 2 x (l: μετατρόχιο, d: μεταξόνιο) 23 Omnidirectional 4-wheels robot Carnegie Mellon «Uranus» robot 24

13 Τροχοφόρα αυτοκινούμενα ρομπότ με σύνθετο σύστημα οδήγησης τροχών 25 «Υβριδικό» Ρομποτικό Όχημα Ρομπότ «Shrimp» (EPFL) 26

14 Βαδίζοντα συστήματα με πόδια Θηλαστικά (2 ή 4 πόδια) Ερπετά (4 πόδια) Έντομα (6+ πόδια) Διάταξη ποδιών για βάδιση σε διάφορα βιολογικά συστήματα στη φύση 27 Αυτοκινούμενα ρομπότ με πόδια (Legged/walking robots) Παραδείγματα Εξάποδο ρομπότ Dante (NASA) Εξάποδο ρομπότ Ambler (Robotics Institute, CMU) 28

15 Σχεδίαση ρομποτικών σκελών για βάδιση (robotic limb design) P-R-R P-R-P P-P-R P-P-P R-R-R R-R-P R-P-R R-P-P (P: prismatic, R: rotational joint) (a)-(d): πρισματική άρθρωση στη διασύνδεση με το ρομπότ (e)-(h): στροφική άρθρωση στη διασύνδεση με το «σώμα» του ρομπότ 29 Αυτοκινούμενα ρομπότ με πόδια Ευστάθεια ρομποτικού οχήματος 1 Σημεία στήριξης: 1, 2,..., n c 2 Προβολή των σημείων στήριξης σε οριζόντο επίπεδο: Εαν η προβολή του κέντρου μάζας ανήκει στον κυρτό φλοιό (convex hull) τότε στατική ευστάθεια βάδισης 30

16 Έλεγχος ρομποτικού βηματισμού (gait control) Βηματισμός ή διασκελισμός (gait): πρότυπο συγχρονισμένης αλληλουχίας βημάτων (steps) Κάθε βήμα: φάση στήριξης (support) και μεταφοράς (transfer) Muybridge (1878) 31 Έλεγχος ρομποτικού βηματισμού Τρόποι «διασκελισμού» τετραπόδου Crawl («έρπειν», ή αργή βάδιση «με τα τέσσερα») Στατικά ευσταθής τρόπος βηματισμού 32

17 Τύποι «Βηματισμού» Τετράποδου Changeover walking Free-Fly Gaiting patterns 33 Δυναμικός ρομποτικός βηματισμός 3D One-Leg Hopper ( ) 3D Biped ( ) Quadruped ( ) ΜΙΤ Legged-Lab. Mark Raibert, Legged Robots that Balance, MIT Press,

18 Humanoid Bipeds (1/2) Ανθρωπόμορφα ρομποτικά δίποδα (1/2) Sony Dream Robots (SDR): motion / communication entertainment (total 38 DOF) Sony SDR-4X II Sony Corporation 35 Humanoid Bipeds (2/2) Ανθρωπόμορφα ρομποτικά δίποδα (2/2) Honda P2 Humanoid Robot Honda Motor Corporation 36

19 Biologically-inspired legged robots Uniroo ( ) Troody 37 Αισθητήριες διατάξεις αυτόνομων ευφυών κινούμενων ρομπότ (mobile robot sensors) 38

20 Αισθητήριες διατάξεις για κινούμενα ρομπότ (mobile robot sensors) Στοιχεία κατηγοριοποίησης αισθητήρων Εσωτερική κατάσταση (διάταξη) ρομπότ (internal-state sensors proprioception) Κατάσταση/Δομή εξωτερικού περιβάλλοντος (external-state sensors exteroception) Contact vs. non-contact sensors Active vs. passive sensors (make observations by emitting or not emitting energy, e.g. laser range-finding vs. passive stereo-vision) Visual / non-visual sensors 39 Κατηγοριοποίηση Αισθητήρων (1) Κατηγορίες / Τύποι Αισθητήρων Αισθητήρες απόστασης (range sensors) laser range-finders, ultrasonic, infrared detectors Αισθητήρες θέσης (απόλυτης ή σχετικής) (absolute or relative positioning sensors) GPS, compass, inclinometers, odometry, beacons Αδρανειακοί αισθητήρες (inertial sensors) accelerometers, gyroscopes, etc. Αισθητήρες περιβάλλοντος (environmental sensors) ambient properties: temperature, light etc. pointwise/local properties: color of a point in front etc. 40

21 Κατηγοριοποίηση Αισθητήρων (2) Classification / Type Tactile sensors (detection of contact or proximity) Wheel/motor sensors Heading Sensors Beacons Active Ranging Motion/Speed sensors Vision-based sensors Sensor System Contact switches, Bumpers Non-contact proximity sensors Optical encoders; potentiometers etc. Compass; Gyroscopes; Inclinometers Optical or RF beacons; GPS Ultrasonic; Laser rangefinder Doppler radar / Doppler sound CCD / CMOS cameras EC ( PC) / Passive ( Active) EC / P EC /A PC / A;P EC;PC;EC / P EC / A( P);A EC / A EC / A EC / P (από: [Siegwart, Nourbakhsh, 2004, MIT Press] ) 41 Αισθητήριες διατάξεις κινούμενων ρομπότ Εισαγωγή (1) Βασικές Παρατηρήσεις Σφάλματα Μετρήσεων Θόρυβος (Real sensors are noisy!) Στοχαστική συνιστώσα σφαλμάτων Μετρήσεις ελλειπής πληροφορία (incomplete information returned) Μοντελοποιημένα σφάλματα μετρήσεων Αβεβαιότητες/ανακρίβειες στο μοντέλο αισθητήρα (uncertainties / inaccuracies) Επαναληπτικά σφάλματα μετρήσεων Filtering, interpolation, extrapolation Recovering/reconstructing 42

22 Αισθητήριες διατάξεις κινούμενων ρομπότ Εισαγωγή (2) Βασικές Ιδιότητες/Χαρακτηριστικά Αισθητήρων Ταχύτητα Μετρήσεων (speed of operation) time-delays, sensor dynamic response, etc. Μέγεθος, τύπος & συχνότητα σφαλμάτων (error rate) mean error & variance, rate of missed measurements, etc. Ευρωστία/ανθεκτικότητα σε μεταβολές Sensor robustness to physical disturbances, deviations from ideal operating conditions etc. Υπολογιστικές απαιτήσεις (computational requirements) Power, weight, size requirements Κόστος (cost) 43 Χαρακτηριστικά Επίδοσης Αισθητήρων (1) Δυναμικό Εύρος (db) (Dynamic Range: measures spread between the lower and upper limits of sensor input values) 20log 10 (x max /x min ) Π.χ.: μετρήσεις τάσης 1mV-20V dynamic_range=20log(20/0.001)=86db Ανάλυση (Resolution): π.χ. 8bit A/D μετατροπή 0-5V 20mV resolution Γραμμικότητα (Linearity): Έστω sensor_output = y = f(x=input) inputs {x 1, x 2 } {f(x 1 ), f(x 2 )} input [a x 1 +b x 2 ] [a f(x 1 )+b f(x 2 )] ευκολία στη βαθμονόμηση (calibration) του αισθητήρα Εύρος ζώνης (Bandwidth): «ταχύτητα» ροής σημάτων από αισθητήρα Ευαισθησία (Sensitivity): λόγος (output_change) / (input_change) Σφάλματα μετρήσεων (errors): measured value (m) true value (v) Ακρίβεια μετρήσεων (accuracy): accuracy=1 error / v 44

23 Χαρακτηριστικά Επίδοσης Αισθητήρων (2) Σφάλματα μετρήσεων (measurement errors) Συστηματικά Σφάλματα (systematic errors): μπορούν να μοντελοποιηθούν με βάση «ντετερμινιστικούς» μηχανισμούς δημιουργίας Τυχαία Σφάλματα (random errors): δεν μπορούν να μοντελοποιηθούν, θόρυβος, στοχαστικές διαδικασίες δημιουργίας (πιθανοτικά μοντέλα) Έστω σφάλμα μέτρησης ~ N(μ,σ 2 ) Επαναληψιμότητα (αξιοπιστία) μετρήσεων = range / σ (reproducibility, precision): επαναληψιμότητα διαδοχικών μετρήσεων (ανεξαρτήτως ακρίβειας ως προς το πραγματικό μετρούμενο μέγεθος) Ακρίβεια (accuracy) μετρήσεων = 1 μ / value Χαρακτηρισμός και Διαχείριση σφαλμάτων μέτρησης: η βασική «πρόκληση» στον έλεγχο κινούμενων ρομπότ Προβλήματα: υπέρθεση συστηματικών και τυχαίων σφαλμάτων, πολυτροπικές κατανομές σφάλματος Αισθητήρες επαφής (contact sensors) Bumpers: μικροδιακόπτες binary on/off signal Tactile-array sensors: μετατροπείς μηχανικής παραμόρφωσης (e.g. force sensitive resistors) continuous force measuring signal Διαχείριση σημάτων από αισθητήρες επαφής trigger emergency-stop circuitry initiate collision-avoidance procedures 46

24 Αισθητήρες εσωτερικής κατάστασης (internal sensors) Inertial sensors (αδρανειακοί αισθητήρες): Accelerometers (επιταχυνσιόμετρα) Σύστημα αναρτημένης μάζας σε ελατήρια μέτρηση γραμμικής επιτάχυνσης από μετατόπιση δx = και F = K ( x xm) F mx m δx K δx x = m 47 Αισθητήρες εσωτερικής κατάστασης (internal sensors) (συνέχεια) Inertial sensors (αδρανειακοί αισθητήρες) (cont d) Gyroscopes (γυροσκόπια) μέτρηση σχετικής γωνιακής απόκλισης δθ (robot heading) ως προς σταθερό πλαίσιο αναφοράς 1. Optical gyroscope 2. Μηχανική αρχή λειτουργίας: περιστεφόμενος τροχός αναρτημένος μέσω gimbal joints 48

25 Αισθητήρες εσωτερικής κατάστασης (internal sensors) (συνέχεια) Inertial sensors (αδρανειακοί αισθητήρες) (cont d) Gyroscopes (γυροσκόπια) μέτρηση σχετικής γωνιακής απόκλισης δθ (robot heading) ως προς σταθερό πλαίσιο αναφοράς Μηχανική αρχή λειτουργίας: περιστεφόμενος τροχός αναρτημένος μέσω gimbal joints 49 Αισθητήρες εσωτερικής κατάστασης internal sensors (συνέχεια) Absolute position sensors: Compass & Inclinometers Πυξίδα απόλυτη διεύθυνση κίνησης σε οριζόντιο επίπεδο (absolute heading) - Hall-effect digital compass (χαμηλή ανάλυση, biases, low-bandwidth) - Fluxgate magnetometers (καλύτερη ανάλυση & εύρος ζώνης, κόστος ) Αισθητήρες κλίσης απόλυτη γωνία κλίσης τηςρομποτικήςπλατφόρμαςωςπροςτοοριζόντιοεπίπεδο (pitch/roll angles) 50

26 Εξωτερικοί αισθητήρες απόστασης (active ranging sensors) (1) Infrared proximity sensors (IR detectors) Αισθητήρες υπερύθρων μέτρηση εγγύτητας Sensus 300 IR ring (Nomadic Technologies) Αρχή Λειτουργίας: Εκπομπή ενός υπέρυθρου σήματος (IR led signal) και ανίχνευση αντανακλώμενου σήματος (IR detector, e.g. phototransistor) απόσταση = f (ισχύς ανακλώμενου φωτεινού σήματος) Υπέρυθρο σήμα κωδικοποιημένο για την αποφυγή σύγχισης με άλλες φωτεινές πηγές (ambient light etc.) 51 Εξωτερικοί αισθητήρες απόστασης (active ranging sensors) (2) Sonar (ultrasonic) sensors (sound navigation and ranging) Αισθητήρες υπερύχων μέτρηση απόστασης Sensus 200 ultrasonic ring (Nomadic Technologies) 1 d = c Δt 2 c: ταχύτητα ήχου στον αέρα Δt: μετρήσιμο time-delay d: εκτιμούμενη απόσταση Αρχή Λειτουργίας: Εκπομπή ενός ηχητικού σήματος, και ανίχνευση του ανακλώμενου σήματος (ηχώ) Μέτρηση: (α) χρονικής καθυστέρησης (time-of-flight) (β) διαφοράς φάσης (phase-shift), ή (γ) έντασης του ανακλώμενου σήματος Ισχύει: c (c T) m/sec, όπου c 0 =331 m/s και Τ: θερμοκρασία αέρα ( ο C) 52

27 Εξωτερικοί αισθητήρες απόστασης (active ranging sensors) (3) Sonar amplitude profile (Polaroid sonar sensor) Παρατήρηση: όχι ομοιόμορφη κατανομή ενέργειας σε διαφορετικές γωνίες μετάδοσης του ηχητικού σήματος ( κώνος μετάδοσης, πολλαπλά μέγιστα) Τυπική συχνότητα μεταδιδόμενου ηχητικού σήματος: 40-50KHz. Συχνότητα γρηγορότερη απόσβεση, αλλά καλύτερη διακριτική ικανότητα (resolution) Δυσκολίες/Προβλήματα: μία μέτρηση δεν αρκεί για το μοναδικό προσδιορισμό της θέσης ενός εμποδίου (μέσα στον κώνο μετάδοσης) κατοπτρική ανάκλαση (specular reflections) πιθανόν η «ηχώ» να προέρχεται από πολλαπλές ανακλάσεις κλπ. (ray-tracing sonar simulation algorithm) 53 Εξωτερικοί αισθητήρες απόστασης (active ranging sensors) (4) Μετρήσεις sonar ομαδοποιημένες σε πιθανές δομές «τoίχων» (walls) Παρατήρηση: Sonar artifacts: illusory walls etc. Μέτρηση από αισθητήρα Sonar: Region of Constant Distance (RCD) 54

28 Εξωτερικοί αισθητήρες απόστασης (active ranging sensors) (5) ω d f φ d x tan φ = z/ d = f / x z= fd / x ( ) z ( ) tan ω = z/ d d d = d zcotω φ Laser Rangefinders (Sick Laser sensor) Αρχή Λειτουργίας: (α) time-of-flight (χρονική καθυστέρηση) (β) phase-based (διαφοράς φάσης) (γ) triangulation (τριγωνοποίηση) Triangulation: z = f fd cotω + x Light source ω d x z f z 55 Εξωτερικοί αισθητήρες απόστασης (active ranging sensors) (6) Laser-scans alignment 56