MĚŘENÍ VELIČIN POHYBU V APLIKACÍCH MOBILNÍ ROBOTIKY

Transkript

1 Centrum pro rozvoj výzkumu pokročilých řídicích a senzorických technologií MĚŘENÍ VELIČIN POHYBU V APLIKACÍCH MOBILNÍ ROBOTIKY Ing. Tomáš Jílek, Ph.D. (VUT v Brně)

2 Obsah semináře úvod metody měření a jejich principy aspekty nasazení komerčních rešení realizované projekty

3 Úvod a obecné základy

4 Veličiny pohybu tělesa translační pohyb v jednotlivých osách pozice rychlost zrychlení rotační pohyb kolem jednotlivých os úhly natočení yaw(azimut), pitch, roll úhlové rychlosti úhlová zrychlení

5 Měření pohybu mobilních robotů nejdůležitější je pozice a orientace (sebelokalizace) využití analýza dynamiky pohybu mobilního robotu vizualizace robotu v mapě informace pro operátora autonomie robotu autonomní pohyb pro splnění cíle georeferencování měřených dat tvorba map prostředí a vizualizace polí (ionizující záření, chemické znečištění)

6 Souřadnicové systémy body frame navázaný na tělo senzoru vehicle frame navázaný na měřený objekt local level frame navázaný na zemský povrch platnost pro malé území global frame navázaný na zemský povrch platnost pro velké území

7 Globální souřadnicové systémy způsoby aproximace Země koule, rotační elipsoid, geoid pro přesná měření je důležitý způsob jejich fixace k Zeměkouli (WGS-84) k dané kontinentální desce (např. ETRS-89) typy souřadnic zeměpisné (polární vyjádření) kartézské

8 Měření veličin pohybu možnosti přímého měření některých veličin jsou omezené často je nutné použít nepřímou metodu měření snímače jsou nepřesné a spolehlivě pracují jen v omezeném rozsahu pracovních podmínek v reálných aplikacích je nutné kombinovat více měřicích metod/principů pro získání vyhovujících výsledků (datová fúze)

9 Senzory a metody měření globální družicové navigační systémy (GNSS) inerciální navigační systémy (INS) akcelerometry, gyroskopy odometrie znalost kinematiky kolového podvozku magnetometry laserové skenery a dálkoměrné kamery kamery pracující ve viditelném spektru

10 Měřicí principy a metody

11 GNSS založen na měření vzdálenosti k družicím kódový / fázový způsob měření vzdálenosti využívá i měření rychlosti pohybu od družic (Doppler) nižší frekvence měření (desítky Hz) absolutní metoda, nevyžaduje dodatečnou úpravu prostředí, vhodná jen pro vnější prostředí, po startu nutná inicializace primárně měří pozici v globálním souřadnicovém systému

12 GNSS GPS, GLONASS, Galileo, Compass (Beidou-2) příjem možný ve více frekvenčních pásmech typy řešení pozice autonomní (~2 m) diferenciální využívá korekcí pro kódové měření (~0,3 m) RTK využívá korekcí pro fázové měření (~1/2 cm + 1 až 2 ppm) pracovní mód referenční stacionární stanice (base station) referenční pohyblivá stanice (moving base station) mobilní měřicí přijímač (rover) podpůrné rozšiřující systémy SBAS korekce distribuované z družic GBAS korekce z pozemních referenčních stanic

13 RTK GNSS přijímač se dvěma anténami konfigurace vhodná pro mobilní robotiku měření 3D pozice azimut + úhel roll/pitch

14 Získání korekčních dat z GBAS vlastní referenční stanice sít referenčních stanic řešení nejbližší stanice řešení virtuální stanice z nejbližších stanic komerční provozovatelé CZEPOS, VRS Now, TopNet přenos dat GSM, radiomodem, ~ B/s

15 Družicové rozšiřující systémy (SBAS) distribuce korekčních dat vyžívající geostacionární družice EGNOS služba určená pro zlepšení vlastností GPS v Evropě 0,5/1 m, zdarma Omnistar celosvětová služba, nutná licence (území, období), až 5/10 cm StarFire celosvětová služba, nutný proprietární přijímač, licence, až 5/10 cm

16 Gyroskop měří úhlovou rychlost pohybu integrací úhlových rychlostí podle času možno získat úhly orientace růst chyby úhlů orientace s časem

17 Akcelerometr měří výslednici zrychlení, které na něj působí 2 režimy zpracování dat získání orientace ve stavech bez významné velikosti dynamického zrychlení, rozklad vektoru G úhly pitch + roll nelze získat azimut pozice dvojí integrace zrychlení vyvolaného pohybem

18 Akcelerometr translační pohyb základní zpracování dat pro získání veličin translačního pohybu

19 IMU/AHRS/INS IMU (Inertial Measurement Unit) pouze měřicí jednotka (akcelerometry + gyroskopy) AHRS (Attitude Heading Reference Unit) IMU + zpracování dat = kompletní orientace (3 úhly) INS (Inertial Navigation Unit) AHRS + externí reference polohy kompletní navigační řešení pozice, rychlost, zrychlení úhly orientace, úhlové rychlosti vysoká obnovovací frekvence (stovky Hz)

20 AHRS referencování úhlů pitch, roll z akcelerometru referencování úhlu yaw z magnetometru z trajektorie pohybu získané z GNSS nutný podvozek s holonomním omezením dvě GNSS antény

21 Magnetometr pomocí tříosého magnetometru lze získat průmět vektoru intenzity magnetického pole Země do jednotlivých na sebe kolmých os problém závislosti inklinace (-65 v ČR) a deklinace (+5 v ČR) na zeměpisné poloze měření ovlivňováno magneticky měkkými i tvrdými materiály a elmg. rušením

22 Odometrie princip výpočtu při pohybu z bodu A do bodu B

23 Kinematika podvozku výpočty platné pouze pro daný typ podvozku nutná kalibrace konstant/funkcí modelu

24 Laserové skenování měření vzdáleností překážek v jednotlivých měřených bodech hledání transformace (translace a rotace) mezi dvěma skeny minimalizace chybové funkce suma vzdáleností mezi korespondujícími si body řešení pomocí iteračních metod ICP, IMRP, IDC, atd. bez známé mapy prostředí dead-reckoning metoda se známou mapou prostředí absolutní metoda

25 Vlastnosti metod - shrnutí počet měřených os u jednotlivých veličin cílové prostředí vnitřní/vnější měření v referencovaném souřadnicovém systému velikost pokrývané oblasti se zaručenou funkčností zpracování v reálném čase/postprocessing (ne)vyžadování modifikace prostředí (ne)vyžadování externí informace o prostředí schopnost vypořádat se s dynamickým prostředím pasivní/aktivní režim měření výpočetní náročnost jednokrokový/iterační výpočet

26 Možnosti zpracování shrnutí Enkodéry poloha kol (φ 1, φ 2 ) (x, y, α) d dt (v x, v y, ω α ) d dt (a x, a y, ε α ) Tachodynamo rychlost kol (x, y, α) dt (v x, v y, ω α ) (ω 1, ω 2 ) (v x, v y, ω α ) d (a dt x, a y, ε α ) Magnetometr vektor intenzity magn. pole (H x, H y, H z ) ( H, α, β) d dt (ω α, ω β ) d dt (ε α, ε β ) Gyroskop úhlová rychlost (α, β, γ) dt (ω α, ω β, ω γ ) d dt (ε α, ε β, ε γ )

27 Možnosti zpracování shrnutí Akcelerometr vektor celkového zrychlení (x, y, z) dt (v x, v y, v z ) dt (a x, a y, a z ) (a x, a y, a z ) ( A, α, β) GNSS polohový vektor (x, y, z) d dt (v x, v y, v z ) d dt (a x, a y, a z ) Diferenciální GNSS 2x polohový vektor (x 1, y 1, z 1 ), (x 2, y 2, z 2 ) ( A, α, β) d (ω dt α, ω β ) d (ε dt α, ε β ) Laserový skener mračno bodů ( M i,1, λ i,1, φ i,1 ), ( M i,2, λ i,2, φ i,2 ) (x, y, z, α, β, γ)

28 Možnosti současných systémů

29 Důležité parametry systémů obnovovací frekvence výstupních dat zpoždění výstupních údajů konektivita do nadřazeného systému CAN, Ethernet, RS-232/485, USB přesnost a pracovní podmínky pro její dosažení poskytované údaje (aktuální přesnost, atd.) koncepční řešení rozměry, hmotnost, spotřeba, cena options, licence, upgrade fw, servis, exportní omezení

30 Důležité parametry systémů implementované zpracování umístění přístroje na měřeném objektu odhad aktuální přesnosti miniaturní x velké INS možnost integrace externích dat GNSS, odometr, barometr, atd.

31 AHRS/INS dostupná data surová měřená data ze senzorů kalibrovaná a kompenzovaná data z senzorů výsledná data (např. úhly) po fúzi vyjádření orientace Eulerovy úhly, rotační matice, kvaternion miniaturní MEMS hmotnost: desítky g, spotřeba: do 1 W, rozměry: cm přesné FOG/RLG hmotnost: jednotky kg, spotřeba: desítky W, rozměry: dm

32 Trimble BD982 GPS + GLONASS + Galileo + Compass přijímač příjem ve třech frekvenčních pásmech dva anténní vstupy přesnost: 8/15 mm, RTK doba výpočtu: <20 ms max. frekvence měření: 50 Hz hmotnost: 92 g spotřeba: 2,3 W rozměry 100 x 85 x 12 mm rozhraní: Ethernet, CAN, RS-232, UART

33 imar itracert-f400e kombinovaný systém INS/GNSS FOG gyroskop (0,75 /h) servoakcelerometr (2 mg) GNSS karty s RTK režimem hradlové pole pro zpracování měřených dat procesorová deska pro externí komunikaci Ethernet, CAN, RS-xxx, USB

34 xsens MTi-G kombinace GNSS (GPS) a IMU statická přesnost: <0,5 (roll/pitch), <1 (yaw) dynamická přesnost: <1 (RMS) rozlišení: 0,05 max. rychlost poskytování dat: 120/512 Hz přesnost polohy: 2,5 m (CEP)

35 Velodyne HDL-64E počet laserů/detektorů: 64/64 počet měřených bodů: 1,3 milionu/s zorné pole: 360 /27 (horiz./vert.) limit měření vzdálenosti: 50 až 120 m frekvence měření: 5 až 15 Hz přesnost měření: 2 cm, 0,1 (1σ) vlnová délka laserů: 905 nm spotřeba: 30 W rozhraní: Ethernet 100M bit/s, RS-232

36 Klíčové aspekty volby systému volba pracovních podmínek (otevřený terén, les, atd.) požadavky na přesnost měření veličin obnovovací frekvence real-time zpoždění výpočtu, komunikace volba vhodného modelu zařízení vyšší model nemusí umožňovat možnosti nižšího (např. Xsens)

37 Nasazení systému v aplikaci časová synchronizace dat s ostatními systémy unifikace dat jednotný vehicle frame pro všechny systémy kompenzace odchylek montáže měřicích zařízení specifické transformace body frame vehicle frame jednotný postup rotací při použití Eulerových úhlů totožný použitý výsledný souřadnicový systém totožný typ souřadnic (kartézské/polární) inicializace a kalibrace systému po startu např. je vyžadován přesný čas z GNSS

38 Závěr současné pokročilé systémy umožňují dosáhnout vysokých přesností předměty současného výzkumu zvýšení robustnosti měřicího systému rozšíření pracovních podmínek, ve kterých má systém vyhovující přesnost nutná volba vhodného principu měření a zpracování pro danou aplikaci brát na vědomí slabá místa metod (např. EMI u RTK GNSS) malé kolové mobilní roboty nejperspektivnější: spolehlivá RTK GNSS + levná INS + odometry

39 Děkuji za pozornost.