CC BY
98
УДК 621.375.826; 656.052.1
ПОВЫШЕНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОЙ ТРИАНГУЛЯЦИИ В 3D СКАНЕРАХ ДЛЯ ЗАДАЧИ НАВИГАЦИИ РОБОТА
О.Ю. Сергиенко, доцент, к.т.н.,
Институт Инженерии Автономного университета Нижней Калифорнии, Мексика
Аннотация. Представлена система технического зрения, разработанная для решения задач автономной навигации: обнаружение препятствий для мобильного робота, определение его местоположения в обозреваемом секторе пространства и создания цифровой карты видимой поверхности с метрологической точностью. Рассматриваются вопросы формирования сигнала, его обработки и повышения разрешающей способности.
Ключевые слова: робот, навигация, система технического зрения, фильтр помех.
ШДВИЩЕННЯ РОЗРІЗНЮВАЛЬНОЇ ЗДАТНOСТI МЕТОДУ ДИНАМГЧНОЇ ТРИА НГУЛЯЦП У 3D ФАНЕРАХ ДЛЯ ЗАДАЧ!
НАВ^АЦГЇРОБОТА
О.Ю. Сергієнко, доцент, к.т.н.,
Інститут Інженерії Автономного університету Нижньої Каліфорнії, Мексика
Анотація. Представлено систему технічного зору, розроблену для вирішення багатьох задач автономної навігації: виявлення перешкод для мобільного робота, визначення його місцезнаходження та створення цифрової карти поверхні з високою точністю. Розглядаються питання формування сигналу, його обробки та збільшення розрізнювальноїздатності.
Ключові слова: робот, навігація, система технічного зору, фільтр завад.
IMPROVEMENT OF DYNAMIC TRIANGULATION METHOD 3D RESOLUTION
FOR ROBOT NAVIGATION
O. Sergiyenko, Associate Professor, Candidate of Technical Science, Engineering Institute of Autonomous University of Baja California, Mexico
Abstract. A technical vision system to resolve multiple tasks which are fundamental for autonomous navigation is represented. These tasks include detecting the presence of significant obstacles for a mobile robot, locating its position in the mobile robot’s field of view and creation of a digital map of the obstacle’s visible surface with metrological accuracy. This technical vision system has been introduced and explained in other publications; therefore this paper focuses mostly on signal conditioning, processing and resolution increase for mobile robot navigation.
Key words: robot, navigation, technical vision system, noise filter.
Введение
На протяжении многих лет автоматическая навигация является очень интересной и сложной областью, привлекая многочисленных исследователей для решения задач автономного движения мобильного робота. Среди этих задач одна из самых важных - про-
блема обнаружения окружающих препятствий для предотвращения столкновения. Для решения этой проблемы разработаны различные подходы, такие как стереовидение, системы спутниковой навигации, радары, инфракрасные датчики, ультразвуковые датчики, лазеры и различные сочетания перечисленных ранее систем.
Анализ публикаций
В настоящее время устройства GPS в состоянии установить положения с ошибками от 1 см до 100 м в режиме реального времени, однако есть определенные области, где спутники не могут обеспечить полный или частичный охват, и точность не может быть гарантирована [1].
Другие системы используют монокулярное представление, обрабатывая единственное двухмерное изображение, полученное с камеры, чтобы представить реальный трехмерный мир, но оно не передаёт объемной картинки изображения, поэтому требуются дополнительные датчики. Кроме того, обработка изображения является весьма трудоёмкой из-за большого количества информации [2].
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является создание Системы Технического зрения (СТЗ). Эта система должна решать следующие задачи: использовать лазерное сканирование и метод, названный динамической триангуляцией, которая позволяет системе выдавать цифровую карту местности вокруг робота, и для каждого пункта цифровой карты идет вычисление трехмерной координаты (X, Y, Z), при этом вся информация сохраняется в памяти. Проанализированные данные могут использоваться мобильной системой навигации робота, чтобы решить задачу предотвращения столкновения с препятствием и планирования своего пути.
Работа системы
СТЗ и динамическая триангуляция позволяют получить информацию о положении препятствия, которое возникло перед роботом, в ее трехмерном виде.
СТЗ состоит из двух устройств (рис. 1) [3], которые устанавливаются по бокам робота. Это лазерное оборудование, которое может отслеживать изменения и впоследствии формировать модель окружающей среды вокруг робота.
Мы назвали наш метод динамической триангуляцией вследствие того, что лазер определения положения имеет возможность вращать и переводить лазерный луч на 180° теоретически, и сама сканирующая установка вращается на 360° с постоянной скоростью;
значение координат СТЗ вычисляет используя два динамических угла, существующих на протяжении долей секунды [4, 5].
Рис. 1. Динамическая триангуляция
Положение лазера контролируется шаговым двигателем, использующим зеркало со срезом под 45°. После попадания на поверхность препятствия лазерные лучи отражаются, часть их перенаправляется отражающей поверхностью назад к приёмнику, согласно закону отражения (рис. 2) [6].
Рис. 2. Схема смешанного отражения (зеркально-диффузного)
Лучи, которые отражены из зоны просмотра, достигают зеркала, которое переадресовывает их на фотоприемник. В этот момент сформированный лазером треугольник фиксируется на короткий отрезок времени, и может быть рассчитан угол Бу (рис. 1) [7].
Основываясь на законе синусов, мы находим расстояние й от основания до пункта, освещенного лазерным лучом (рис. 1). Используя углы Бу, Су и базу измерения а, вычисляем трехмерные координаты для каждого отсканированного пункта по формулам
xj = а
sin Bij • sin Cj • cos j
І=1
sin
І80°-((+сІ)]
(1)
Уг, = а
( \ 1 э1пВ,, • 008Сг,
у У
Э1П
180°-(В, +С )]
ЭШ Вг, • 008 Сг,
Э1П
180°-(В- +С)]
(2)
(3)
2 г, = а
81пВ,, ■ этСг, • 81пЕР,
1=1
Э1П
180°-(В,+С,)]
(4)
Рис. 3 показывает СТЗ, установленную на мобильном роботе и её действие в окружающей среде. Точность работы СТЗ иллюстрирует рис. 4.
Фильтр помехи для гарантированной локализации
Одна из главных проблем в работе СТЗ -присутствие типичного входного искажения, накладывающегося на последовательность стоповых импульсов (рис. 6) Этот шум может быть фильтрован (рис. 7) с целью гарантированного обнаружения истинного положения отраженных объектов; другими словами, гарантированная локализация реального места остановки луча на препятствии.
Предварительный анализ источников шума приводит нас к заключению, что помехи являются сложной комбинацией механического шума в электроприводе и синусоидального шума электропитания, произвольно распространяемого по цепям электропитания СТЗ. Поэтому лучшее решение в данном случае -проектирование специального фильтра (рис. 7) для экспериментально определенного шумового спектра.
Как указано ранее, СТЗ имеет два устройства: систему позиционирования лазера и сканирующую апертуру. В последнем есть зеркало со срезом под 45 градусов, линза и фотоприемник (рис. 5).
Лазерные лучи рассеиваются во всех направлениях, и только несколько лучей достигают фотоприемника, от полной энергии лазерного луча, который направлен к препятствию только 2 % - 5 % (как показывает моделирование в МаШСАБ).
а
Рис. 3. Работа СТЗ, установленного на роботе: а - главный вид; б - вид сверху; в -изометрический вид
■ ■ ■
■ ■ ■
■ ■
Д И еЙСТЕ !ИТеЛ ьные точк и
расстояние У
Рис. 4. Распознаваемая зона СТЗ и зона точности (в соответствии с [7])
Отражаются и ощущаются нашим фотоприемником, поэтому сигнал будет находится в диапазоне милливольт и это требует дополнительного усиления сигнала, создающего условия для возможности его последующей обработки.
б
в
Сканирующая
эталоном 120 мВ. Всякий раз, когда фотоприемник обнаружит препятствие, в сигнале регистрируется всплеск, напряжение этого скачка изменяется в зависимости от расстояния до обнаруженного препятствия, но всегда больше, чем 120 мВ от уровня шумовой амплитуды.
Выходной сигнал датчика уровня напряжения имеет два значения - 5 В, когда препятствие обнаружено, и 0 В, когда нет никакого препятствия.
Рис. 5. Анализ угла зрения и прохождения света по оптическому каналу
Рис. 6. Изображение амплитуды и частоты реального полезного сигнала и сигнала помехи
Как и в любой системе, шум присутствует здесь также в сигнале, полученном от фотоприемника. После изучения сигнала мы заметили, что шум достигает максимальной амплитуды 120 мВ (рис. 6) с частотами, которые изменяются между 400 Гц и 20 кГц. Для ликвидации этой помехи был разработан и применён узкополосный (- 60 дБ/дек) фильтр Баттерворта 3-го порядка. Для понижения амплитуды шума выход фильтра соединяется с датчиком уровня напряжения с
12У
УСО
Анализ показал, что фильтр Баттерворта имеет большую линейность и более гладкую частотную характеристику в пределах полосы пропускания, поэтому ему было отдано предпочтение перед фильтром Чебышева. Наш фильтр был разработан следующим образом
юс = 200; С3 = 10 нФ,
С =— С3 = 5нФ ,
1 2 3
С2 = 2Сз = 20 пФ,
Я =■
®оС3
= 79,617 кОм,
(5)
(6)
(7)
(8)
Яі = Я 2 = Яз = Я = 79,617 кОм (9)
Ял = 2Я = 159,235 кОм, (10)
Яп = Я = 79,617 кОм, (11)
где юс - частота среза, её значение в 200 Гц
позволяет пропускать сигнал обнаруженного препятствия и ослабляет все частоты выше чем 200 Гц.
Схема фильтра низких частот и выходного датчика уровня напряжения показана на рис. 7.
12У УОО
Рис. 7. Схема фильтра низких частот (- 60 дБ/дек) и датчик уровня напряжения
Фильтр с наклоном ЛАЧХ на -60 дБ/дек получен путём каскадирования двух фильтров: фильтра на -40 дБ/дек и фильтра на -20 дБ/дек. Суммарный коэффициент усиления замкнутого контура определяется умножением коэффициентов усиления каждого фильтра. На рис. 8 показана частотная характеристика для цепи, представленной на рис. 7.
Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика разработанного фильтра
Результаты моделирования
Схема, представленная на рис. 7, моделировалась при помощи программного обеспечения МиШзіт 10. Рис. 9, а представляет собой вид экрана моделируемого осциллографа Текіхопіх с тремя сигналами: 1 - сигнал входа фильтра, который моделирует выходной сигнал фотоприемника; он фильтруется и усиливается при моделировании, входной сигнал имеет параметры: 200 мВ при 100 Гц. Дорожка 2 - выход фильтра, как показано ниже, сигнал имеет ту же самую амплитуду, что и исходный, а его частота находится в области полосы пропускания (ниже 200 Гц), то есть сигнал не ослаблен, имеет запаздывание 8 мс, но это является допустимым.
И, наконец, дорожка 3 - выход датчика уровня напряжения. Этот сигнал будет принимать значение 5 В, если напряжение сигнала с фильтра будет больше, чем эталонное значение Уг^ (120 мВ), означая, что препятствие было обнаружено, и остается 0 В, если нет никакого препятствия в поле зрения.
Рис. 9, б показывает случай, когда входной сигнал составляет 200 мВ при 400 Гц. Эта частота находится в области заграждения фильтра (выше чем 200 Гц); по этой причине отфильтрованный сигнал (дорожка 2) уменьшен до 35 мВ, что подразумевает уровень 0 В. Поэтому дорожка 3 тоже имеет значение 0 В.
Simulated Tektronix Oscilloscope-XSC2
б
Рис. 9. Результаты моделирования: а - частота входного сигнала 100 Гц; б - частота входного сигнала 400 Гц
Таким образом, моделирование демонстрирует, что разработанный фильтр может уменьшить экспериментально обнаруженный нежелательный шум в опытном образце СТЗ с частотой выше 400 Гц.
Эксперимент
На действующем опытном образце (прототип №1), представленном на рис.10, был проведен ряд экспериментов. В результате получена 95%-ая точность измерения 2-мерных
а
координат. Погрешность измерения не превышала 5 %-ный порог в любом из точек, в которых проводились измерения. Результаты эксперимента описаны в [3, 4, 7]. В настоящее время на 80 % завершено изготовление прототипа №2. По его завершению, эксперимент будет повторён для измерения 3-мерных координат.
Рис. 10. Прототип ! системы зрения: а - общий вид; б - лазерный эмиттер для определения местоположения объекта; в -сканнер изображения
Рис. 10 показывает первый прототип системы, построенный, чтобы продемонстрировать предложенный метод в действии и проверить практические ограничения нашего метода. В результате были обнаружены некоторые недостатки (рис. 4), которые могут быть устранены в новом экспериментальном образце путём улучшения механической части.
Второй опытный образец показан на рис. 11, а, имеет несколько преимуществ по сравнению с его предшественником; самое важное то, что в новом проекте большинство компонентов, включая лазер, установлены в цилиндрической трубе, что уменьшает момент инерции в целом, улучшает баланс сис-
темы и обеспечивает более легкое и точное вращение, нежели зубчатая ременная передача в опытном образце I (рис. 10, а). Другими словами, это усовершенствование уменьшает собственный вращающий момент СТЗ, что обеспечивает нам ряд преимуществ перед первым опытным образцом:
- возможность использования электрического двигателя с более низким вращающим моментом и напряжением;
- в результате уменьшается полный расход энергии системы;
- повышение срока службы аккумулятора, что является существенным преимуществом при использовании на мобильных объектах.
Сравним 10, б и рис. 11, б. Оба варианта позиционера лазера используют 2 зеркала, чтобы дважды преломить лазерный луч на 90°. Второе зеркало, непосредственно присоединенное к шаговому двигателю (рис. 10, б), в итоге переадресовывает лазерный луч в плоскость, для просмотра области перед роботом.
Новый проект прототипа №2 (рис. 11, б) основан на том же общем принципе, но имеет разницу в конструкции. Одно из зеркал (первое) заменено зеркальной шлифовкой корпуса механической конструкции. Главное усовершенствование в этом случае - то, что расстояние между лазером и зеркалами, то есть свободный ход лазерного луча был уменьшен от сантиметров до миллиметров, позволяя уменьшить рассеяние и увеличение диаметра лазерного луча в проекции. СТЗ поэтому теоретически увеличивает диапазон и дальность действия. Изменение диаметра лазерного пятна играет существенную роль в суммарной погрешности, и эта часть проекта важна для уменьшения погрешности системы в целом.
Конструкция сканирующей апертуры подобна в опытных образцах I и II (рис. 10, в и рис. 11, в), единственная разница - то, что новая СА имеет меньшие размеры и установлена внутри цилиндрической трубы. Важно упомянуть, что плоскость, в которой работает СА, должна по возможности идеально совпадать с плоскостью, в которой перемещается лазерный луч. На практике этого не получается достигнуть в полной мере, но это является необходимым условием для созда-
ния динамического треугольника в плоскости, и совершенно понятно, что при изготовлении механической части необходимо применять специальные процедуры юстировки осей вращения.
в
Рис. 11. Прототип II СТЗ: а - внешний вид; б - подсистема позиционирования лазера; в - апертура сканера
Выводы
Представленная СТЗ полностью пригодна к решению задачи обнаружения препятствия в автономном режиме, обнаруживает любое число препятствий в поле зрения робота, определяет их положения, создаёт цифровую карту видимой поверхности препятствия в процессе движения с метрологической точностью.
Уменьшение времени срабатывания системы может быть достигнуто заменой стандартных усилителей в фильтрах специальными, благодаря чему можно уменьшить время вычисления координат препятствия и тем самым дать больше времени для навигационных за-
дач робота, например планирования траектории пути.
Также полезным результатом для задач навигации является то, что СТЗ представляет трехмерную модель поля зрения робота.
Литература
1. Guivant J. Autonomous Navigation and Map
building Using Laser Range Sensors in Outdoor Applications/ J. Guivant, E. Ne-bot, S.Baiker // Journal of Robotic Systems. - October 2000. - Vol. 17, No 10. -P.565-583.
2. Quoc V. Vision-Based Autonomous Robot
Navigation / V.Do Quoc, P.Lozo, L.C. Lakhmi // Studies in Computational Intelligence. - 2005. - Vol. 8. - P. 65-103.
3. Sergiyenko O. Precise Optical Scanning for
practical multiapplications / O. Sergiyenko et al. // Proceedings of IEEE 34th Annual IEEE Conference IECON’08, Florida, USA. - 2008. - P. 1656-1661.
4. Lopez M.R. Computer vision / M. Rivas
Lopez, O. Sergiyenko, V. Tyrsa. Edited by Xiong Zhihui. - Vienna: Editorial I-TECH, 2008. - 538 p.
5. Petrov M. Optical 3D Digitizers: Bringing
Life to the Virtual World / M. Petrov et al // IEEE Computer Graphics and Applications. - May/June 1998. - Vol. 18, Issue 3.
- P. 28-37.
6. Serway R.A. Physics: for Scientists and Engi-
neers with Modern Physics / R.A. Serway.
- Philadelphia: Saunders, 1990. - 1253 p.
7. Rivas M. Spatial data acquisition by laser
scanning for robot or SHM task / M. Rivas, O. Sergiyenko, M. Aguirre, L. Devia, V. Tyrsa, I. Rendon // IEEE-IES Proceedings International Symposium on Industrial Electronics. - 30 of June -2 of July, 2008.
- Cambridge: United Kingdom. - P. 14581463.
Рецензент: Л.И. Нефёдов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 30 мая 2011 г.
