UNIVERZITA PARDUBICE Fakulta elektrotechniky a informatiky LOKALIZACE MOBILNÍHO ROBOTA V NEZNÁMÉM TERÉNU. Bc. Jiří Král

Transkript

1 UNIVERZITA PARDUBICE Fakulta elektrotechnik a informatik LOKALIZACE MOBILNÍHO ROBOTA V NEZNÁMÉM TERÉNU Bc. Jiří Král Diplomová práce 05

2

3

4 Prohlášení Prohlašuji: Tuto práci jsem vpracoval samostatně. Veškeré literární pramen a informace, které jsem v práci vužil, jsou uveen v senamu použité literatur. Bl jsem senámen s tím, že se na moji práci vtahují práva a povinnosti vplývající e ákona č. /000 Sb., autorský ákon, ejména se skutečností, že Univerita Parubice má právo na uavření licenční smlouv o užití této práce jako školního íla pole 60 ost. autorského ákona, a s tím, že poku oje k užití této práce mnou nebo bue posktnuta licence o užití jinému subjektu, je Univerita Parubice oprávněna oe mne požaovat přiměřený příspěvek na úhrau náklaů, které na vtvoření íla vnaložila, a to pole okolností až o jejich skutečné výše. Souhlasím s preenčním přístupněním své práce v Univeritní knihovně. V Parubicích ne Bc. Jiří Král

5 Poěkování Na tomto místě chci poěkovat osobám, které mi bl nápomocn v průběhu pracování iplomové práce a které mne poporoval během stuia. Přeevším bch chtěl poěkovat panu Ing. Liboru Havlíčkovi Ph.D a Ing. Danielu Honcovi Ph.D a ochotu a čas věnovaný oborným konultacím. V Parubicích ne Bc. Jiří Král

6 ANOTACE Práce je věnována problematice lokaliace mobilního robota v nenámém terénu. Bla proveena analýa lokaliačních technik, snímačů používaných pro lokaliaci a blo navrženo řešení lokaliační jenotk vužívající moul XBee OEM RF. Pro ověření funkčnosti lokaliační jenotk bl vpracován simulační program ve výpočetním prostřeí MATLAB. Na áklaě naměřených výsleků blo rohonuto o vhonosti použití meto. KLÍČOVÁ SLOVA Lokaliace, XBee, trilaterace, senor, robot. TITLE LOCALIZATION OF A MOBILE ROBOT IN UNKNOWN TERRAIN ANNOTATION The work is oriente to the issue of localiation of the mobile robot in unknown terrain. The analsis of localiation techniques, sensors use for localiation was realie an it has been propose localiation units using XBee OEM RF moule. To verif the functionalit of the localiation unit was evelope simulation software in MATLAB computing environment. Base on the measure results was ecie on the suitabilit of using the metho. KEYWORDS Localiation, XBee, trilateration, sensor, robot.

7 OBSAH SEZNAM ZKRATEK... 9 SEZNAM SYMBOLŮ... 0 SEZNAM ILUSTRACÍ... SEZNAM TABULEK... ÚVOD... LOKALIZACE RELATIVNÍ LOKALIZACE Oometrie Inerciální určování poloh ABSOLUTNÍ LOKALIZACE Triangulace Trilaterace D trilaterace D trilaterace... SNÍMAČE PRO LOKALIZACI SNÍMAČE NATOČENÍ Inkrementální Absolutní GYROSKOP Mechanický groskop Optický groskop Pieoelektrický groskop.... AKCELEROMETRY..... Inukčnostní akcelerometr..... Kapacitní akcelerometr..... Tenometrické akcelerometr..... Pieoelektrické akcelerometr.... ULTRAZVUKOVÝ SENZOR VZDÁLENOSTI....5 OPTICKÉ SENZORY IR senor Laserový senor BEZDRÁTOVÉ KOMUNIKAČNÍ MODULY

8 POPIS POUŽITÝCH NÁSTROJŮ MODUL XBEE OEM RF IEEE Sériová komunikace moulu Pracovní mó XBee moulu..... AT comman mó API operace Vlastnosti XBee sítě Závislost síl signálu na válenosti DESKA XBIB-R-DEV A XBIB-U-DEV MATLAB XCTU SERIAL PORT MONITOR AVR STUDIO VLASTNÍ ŘEŠENÍ LOKALIZACE ROZHRANÍ PRO VZDÁLENÝ MODUL Záklaní eska Deska pro XBee Firmware ODHAD POLOHY Měření směrových charakteristik Měření ávislosti RSSI na válenosti Algoritmus ohau poloh Program pro oha poloh DOSAŽENÉ VÝSLEDKY KVALITA ODHADU POLOHY ZÁVĚR

9 SEZNAM ZKRATEK D vouroměrný D trojroměrný API Application Programming Interface ASCII americký stanarní kó pro výměnu informací American Stanar Coe for Information Interchange CR návrat na ačátek řáku Carriage Return CTS povolení k vsílání Clear To Sen DI vstupující ata Data In, igitální vstup Digital Input DO výstupní ata Data Out, igitální výstup Digital Out EEPROM elektrick maatelná nonvolatilní paměť Electricall Erasable Programmable Rea-Onl Memor GPS globální navigační sstém Global Positioning Sstém ICSP sériové programování v obvou In-Circuit Serial Programming IEEE Institut pro elektrotechnické a elektronické inženýrství Institute of Electrical an Electronics Engineers IR infračervený Infra Re ISM frekvenční pásmo pro průmsl věu a meicínu Inustrial Scientific meicine LED světlo emitující ioa Light Emitting Dioe LF posun o řáek Line Fee LPS lokální navigační sstém Local Positioning Sstem NaN není číslo Not a Number OZ operační esilovač PAN osobní síť Personal Area Network RSSI intenita signálu Receive Signal Strength Inicator RTS požaavek na oeslání Request To Sen RXD přijatá ata Receive Data TOF čas mei vsláním a příjmem signálu Time Of Flight TXD oeslaná ata Transmit Data USART Univerální snchronní/asnchronní sériové rohraní Universal Snchronous/Asnchronous Receiver an Transmitter WPAN berátová osobní síť Wireles Perosonal Area Network 9

10 SEZNAM SYMBOLŮ α úhel posunutí, o u L/P,i přírůstek válenosti pro levé L a pravé P kolo, m u i přírůstek posunu robota, m α i přírůstek natočení střeu robota, o a rchlení tělesa, m.s - α i α i- A c c k C n C O D k e e e f osc F s k K m n n p relativní natočení střeu robota relativní natočení střeu robota v přechoím kroku síla signálu ve válenosti m, B parametr kvaratického kritéria konstanta opovíající ujeté válenosti na jeen krok snímače, m počet rsek snímače na otáčku počet kroků snímače na otáčku válenost, m poloměr. kružnice, m poloměr. kružnice, m poloměr. kružnice, m poloměr. kružnice, m průměr kola, m vektor ve směru os vektor ve směru os vektor ve směru os frekvence oscilátoru mikroprocesoru setrvačná síla, N libovolné celé číslo honota kvaratického kritéria hmotnost tělesa, kg konstanta šíření signálu převoový poměr převoovk pohonu N L/P,i počet kroků snímače na levém L a na pravém P kole RB souřanice. referenčního bou RB souřanice. referenčního bou RB souřanice. referenčního bou 0

11 RSSI intenita signálu, B, souřanice nenámé poloh, námé souřanice. referenčního bou, námé souřanice. referenčního bou, námé souřanice. referenčního bou, námé souřanice. referenčního bou i, i poice střeu robota v souřanicích a i-, i- poice střeu robota v souřanicích a, v přechoím kroku, souřanice hleaného bou

12 SEZNAM ILUSTRACÍ Obr.. - Princip D trilaterace... 0 Obr.. - Princip D trilaterace s třemi referenčními bo... Obr.. - Rotační enkoér s binárním kóováním... 9 Obr.. - Rotační enkoér s Graovým kóem... 9 Obr.. - Pieoelektrický groskop vužívající statických těles... Obr.. - Použité tp XBee moulů... 8 Obr.. - Data posílaná sériovou linkou... 0 Obr.. - Schéma toku at uvnitř XBee moulu... Obr.. - Pracovní mó XBee moulu... Obr..5 Vliv kvantiačního šumu na měření RSSI a oha poloh... 7 Obr..6 - Moul XBIB-R-DEV a XBIB-U-DEV... 8 Obr..7 - Příkla oposlechu programem Serial Port Monitor Obr.. - Napájecí obvo... 5 Obr.. - Zapojení mikroprocesoru ATmega Obr.. - Plošný spoj áklaní esk... 5 Obr.. - Zapojeni esk pro XBee... 5 Obr..5 - Plošný spoj esk pro XBee Obr..6 - Struktura registrů UCSRB a UCSRC Obr..7 - Směrové charakteristik moulu s integrovanou anténou Obr..8 - Směrové charakteristik moulu s RPSMA anténou Obr..9 - Závislost RSSI na válenosti 0-0 m Obr..0 - Závislost RSSI na válenosti 0-5 m Obr měření referenční bo, malá válenost... 6 Obr měření referenční bo, malá válenost... 6 Obr měření referenční bo, větší válenost Obr měření referenční bo, větší válenost Obr. 5.5 Porovnání chb. a. měření Obr Porovnání chb. a. měření... 66

13 SEZNAM TABULEK Tab..- Honot konstant šíření signálu pro růná prostřeí... 6 Tab.. - Nastavení élk práv v registru UCSRC Tab.. - Honot registru UBRR pro f osc = 6 MH Tab Souřanice referenčních boů pro první a ruhé měření... 6 Tab Souřanice referenčních boů pro třetí a čtvrté měření... 6 Tab Průměr a meián chb měření... 67

14 ÚVOD Tato iplomová práce se abývá popisem lokaliačních technik a nástrojů umožňujících lokaliaci mobilního robota v nenámém terénu. Lokaliace je jením hlavních problémů mobilní robotik a v nešní obě je jí věnována velká poornost. V teoretické části buou nejprve popsán jenotlivé meto lokaliace, a to meto pro lokaliaci relativní, tak i pro lokaliaci absolutní. Buou popsán jejich vlastnosti, výho, nevýho a působ jakým umožňují určit oha poloh. Teoretická část se také abývá popisem snímačů, které se pro oba působ lokaliace vužívají. V ávěru této části buou popsán nástroje vužívané v praktické části. Praktická část práce se bue abývat návrhem a ověřením vhonosti navrhovaného řešení lokaliace. Bue e popsán návrh harware a firmware vužívající mikroprocesor Atmel, řa ATmega. Dále bue v této části popsán algoritmus ohau poloh a postup výpočtu poloh v prostřeí MATLAB. Závěr práce bue obsahovat několik eperimentálních měření, pomocí kterých buou ověřován některé přepokla popsané v průběhu práce. Těmito přepokla jsou všování přesnosti ohau poloh společně se stoupajícím počtem referenčních boů a počtem opakování měření pro kažou polohu. Na áklaě ískaných výsleků bue proveeno honocení. Cílem práce je na áklaě ískaných informací navrhnout a ověřit vhonost vbrané meto lokaliace.

15 LOKALIZACE Mei áklaní problém při návrhu pohbu mobilního robota patří působ, jakým má být jišťována jeho aktuální poloha, a jakým působem je určena cílová poloha, které má osáhnout a působ jakým se může na určité místo ostat. Právě jišťováním poloh se abývá lokaliace. Be nalosti poloh ále není možné plánovat cíl cest ani trasu, po které se má mobilní robot pohbovat. Způsob určování poloh se ají roělit le růných kritérií napříkla na meto lokální a globální. Prioritním úkolem lokální lokaliace je ameení střetu s překážkami. To namená, že abepečuje sleování okolí robota a uává informaci o přítomnosti překážk, její válenosti a směru, ve kterém se nacháí. Z toho ůvou je lokální lokaliace nařaena lokaliaci globální. Globální meto pak ajišťují lokaliaci robota v určeném pracovním prostoru a umožňují mu osáhnout požaované poice po stanovené, optimální, trajektorii. Tto meto se ají ále ělit na relativní a absolutní, t buou popsán ále v tetu práce. Kažá meto má své výho a nevýho, proto jsou ve většině aplikací vužíván jejich kombinace [Novák, 007].. RELATIVNÍ LOKALIZACE Jak již sám náev napovíá, tento působ lokaliace je aložen na výpočtu relativní měn poloh vůči poloe přechoí. To namená, že se měří měna rotace a poloh, po přípaě rchlosti, nebo rchlení, kterých se á měna poloh opočítat. Výslená poloha robota se potom skláá ílčích měn o počátku měření. Pro správné určení relativní poloh b blo potřeba měřit měnu poloh v kažém časovém okamžiku naprosto přesně. Toho le v prai jen velmi těžko osáhnout a proto je výslená ohaovaná poloha atížena chbou, která se při kažém měření měn poloh sčítá. Z toho ůvou není vhoné meto relativní lokaliace používat pro sleování poloh po louhý časový úsek. Prostřekem relativní lokaliace je tv. ea reckoning ovoeno o eucate reckoning, což b se alo přeložit jako lokaliace výpočtem. Je to jenouchá matematická metoa pro výpočet aktuální poloh poloh přechoí. Pro tento výpočet může být vužita informace o rchlení, rchlosti, směru, válenosti a času. Nejjenoušší a nejčastěji vužívanou metoou, patřící o této skupin, je oometrie. Ta k ohau poloh potřebuje poue informaci o natočení kol a matematický moel robota. Další metoou je inerciální navigace, která je neávislá na okolním prostřeí. 5

16 .. Oometrie Slovo oometrie pocháí řečtin, konkrétně e spojení slov hoos cestovat, cesta a metron měřit. Oometrie vužívá rotačních enkoérů pro měření otáčení kol, přičemž tato rotace může probíhat ve více osách. Kromě informace o otočení kol je ále nutné nát matematický moel robota. Oometrie má tu výhou, že je cela soběstačná a vž okáže poat informaci o ohaované relativní poloe. Další výhoou je poměrně jenouchá a levná realiace [Winkler, 005]. Pro správný oha poloh je potřeba nát konstrukci robota a to toho ůvou, že pro kažý tp povoku platí růné vtah. Na ruhou stranu všechn tp povoků jsou atížen stejnými ruh chb. Tto chb se ělí na sstematické a náhoné. Sstematické chb jsou takové, které mají při opakovaném měření stejnou velikost, nebo se jejich velikost převíatelným působem mění. To namená, že sstematickou chbu le ohanout a alespoň částečně eliminovat korekcí. U mobilních robotů jsou sstematické chb nejčastěji působen násleujícími vlastnostmi: roílné velikosti kol; neokonalý kruhový tvar kol; roíl nominálního a skutečného roměru kol; roíl nominálního a skutečného rochou kol; konečné rolišení enkoéru; konečná vorkovací frekvence enkoéru. Proti tomu náhoné chb ohaovat nele. Při opakovaných měřeních se nepřevíatelně mění a nele je te ostranit korekcí. Při lokaliaci vnikají náhoné chb během násleujících situací: jía po nerovném povrchu; jía přes nepřevíané přemět v cestě; eformace kol; proklu kol ůvou: o klukého povrchu; o příliš velké akcelerace nebo ecelerace; o atáčení; o vnější síl nára, posunutí; 6

17 tráta kontaktu kol s povrchem. Pro popis výpočtu ráh pohbu robota je nejjenoušší robot s povokem s věma iferenciálně říenými kol umístěnými uprostře. K na ose kažého kola je umístěn snímač natočení. Jak uváí Novák [007], kažý snímač má určité rolišení, je te potřeba určit konstantu c k vjařující ujetou válenost opovíající jenomu kroku snímače πd k c k =,. npco ke D k průměr kola, n p C O převoový poměr převoovk pohonu, počet kroků snímače na otáčku. Nní, kž je náma ujetá válenost pro jeen krok snímače, le vpočítat přírůstek válenosti pro N kroků na pravém N P i levém N L kole u = c N. L/P, i k L/P, i ke u L/P,i přírůstek válenosti pro levé L a pravé P kolo, N L/P,i počet kroků snímače na levém L a na pravém P kole. Dále může být vpočítán přírůstek posunu a natočení střeu robota u i ul, i + up, i =,. ul, i up, i α i =,. ke u i přírůstek posunu robota, α i přírůstek natočení střeu robota. Na ávěr se určuje relativní natočení a poice střeu robota v souřanicích a α = α α,.5 i i + ke α i relativní natočení střeu robota, α i- i relativní natočení střeu robota v přechoím kroku, 7

18 i i α = i + ui cos i,.6 α = i + ui sin i,.7 ke i, i poice střeu robota v souřanicích a, i-, i- poice střeu robota v souřanicích a, v přechoím kroku. Výslené relativní natočení robota je te výslekem roílu celkového natočení levého a pravého kola... Inerciální určování poloh Tato metoa vužívá groskopů a akcelerometrů pro měření rotačního a poélného rchlení, jehož integrací se íská rchlost a alší integrací ujetá válenost. Inerciální navigace má stejnou výhou jako oometrie, je soběstačná a také u ní platí nárůst chb v ávislosti na čase měření. U inerciální navigace se vsktuje několik chb, se kterými jsme se u oometrie nesetkali, tto chb vcháí principu funkce groskopu a akcelerometru. Vhleem k tomu, že senor mají určité rolišení a citlivost, nastává problém při pomalých měnách pohbu, k měřené rchlení je příliš malé. Toto rchlení může mít poobnou velikost, jako šum působený neokonalostí senoru nebo šum působený pohbem po nerovném povrchu. Pak je chba měření poloh poměrně velká [Skalka, 0]. Další problém je působen tím, že groskop neuržuje svou orientaci vůči emi, ale poue vůči sobě samému. Takže rotace emě, nejen kolem své os, ale také kolem slunce, e působí jako rušení. S tím je potřeba při návrhu počítat. Dalším možným řešením je použití grokompasu [Skalka, 0]. Potíže působuje též gravitační rchlení. Akcelerometr totiž při svislé měně poloh nepoávají informaci poue o rchlení samotného robota. Výstupem snímače je součet rchlení robota se rchlením gravitačním. Proto se eperimentálně jistí jaká honota je na výstupu akcelerometru v kliu a ta se pak o rchlení celkového očítá. Výhoou inerciální navigace je neávislost na prostřeí, ve kterém se robot pohbuje a oolnost proti rušení a vlivům okolí. 8

19 . ABSOLUTNÍ LOKALIZACE Absolutní lokaliace umožňuje určit absolutní polohu v pracovním prostoru robota, napříkla v místnosti, buově, na celé planetě, at. Lokaliace probíhá cela neávisle na přechoí poloe. To namená, že e neocháí ke sčítání chb a ta tak neávisí na čase. Chba měření je te u absolutní lokaliace v konstantním romeí pro všechn naměřené poloh. Nejčastěji používané meto jsou triangulace a trilaterace... Triangulace Při triangulaci je k hleání nenámé poloh vužito měření nejméně tří úhlů, mei referenčními bo se námou polohou v pracovní prostřeí a robotem. Jako referenční bo jsou často vužíván vsílače infračerveného áření. Na robotovi pak bývá instalován rotační snímač, který ískává informaci o úhlu mei poélnou osou robota a právě viitelným vsílačem. Násleně se pomocí vtahů platících v trojúhelníku určuje poloha robota a orientace robota v prostoru. Možnost určení orientace robota be nutnosti použití alších prostřeků je jenou výho této meto [Everett, 995]. V ieálním přípaě b bl použit všesměrový vsílač, ten je ale velmi energetick náročný, přeevším v přípaech k má být robot lokaliován v pracovním prostoru s velkou rolohou. Proto se ává přenost vsílačům s kuželovitou vařovací charakteristikou. V ůsleku toho nejsou referenční bo v některých pracovních poicích robota viitelné [Everett, 995]. Eistují i alší možné realiace. Na příkla se používá rotační vsílač/přijímač na robotovi a tři nebo více refleních ploch se námou polohou v jeho okolí. Další možností může být rotační vsílač na robotovi a přijímače se námou polohou v jeho okolí [Everett, 995]... Trilaterace Trilaterace je metoa určování poloh na áklaě měření popřípaě výpočtu válenosti mei robotem a referenčními bo. Stejně jako u triangulace jsou referenční bo minimálně tři. Kažý nich je umístěn v pracovním prostoru robota na námé poici. Opět je e několik možností realiace, napříkla referenční bo jako vsílače a jeen přijímač na robotovi, nebo přijímače na námé poici a jeen vsílač na robotovi. Výhoou použití přijímače na robotovi je možnost určování poloh více robotů v jeen časový okamžik [Everett, 995]. 9

20 Pole toho a se poloha určuje v vouroměrném nebo tříroměrném prostoru se rolišuje D a D trilaterace... D trilaterace Pro výpočet poloh metoou D trilaterace je potřeba určit tři válenosti mei referenčním boem a robotem. Jak již blo řečeno, jená se o lokaliaci v vouroměrném prostoru. Jsou te určován poue vě souřanice a, ávající informaci o poloe v pracovním prostoru robota. Vhleem k tomu, že se určuje poloha poue ve vouroměrném prostoru, musí být referenční bo a robot umístěn v jené rovině. Na obr.. je grafick náorněn princip D trilaterace. Na tomto obráku jsou referenční bo onačen jako Ref, Ref a Ref. Referenční bo se nacháejí na souřanicích,,, a,. Kolem kažého bou je vnačena kružnice určená poloměr, a. Velikost poloměru je ána naměřenou, nebo vpočítanou váleností o robota. V průsečíku kružnic se nacháí vpočítaná poloha robota, který je na obráku načen jako Rob, tento bo má souřanice,. Obr.. - Princip D trilaterace 0

21 Výpočet nenámé poloh probíhá tak, že je pro kažou kružnici určena rovnice a řešením soustav tří kvaratických rovnic o vou nenámých se hleá průsečík těchto rovnic. Tato soustava rovnic vpaá násleovně: = +,.8 = +,.9 = +,.0 ke, souřanice nenámé poloh,, námé souřanice. referenčního bou,, námé souřanice. referenčního bou,, námé souřanice. referenčního bou, poloměr. kružnice, poloměr. kružnice, poloměr. Kružnice. Substituce umožňuje kvaratickou soustavu jenoušit na soustavu vou lineárních rovnic. Na příkla může být osaována rovnice.8 o rovnice.9 a.0 = +,. = +.. Pomocí Cramerova pravila se násleně naje obecné řešení soustav. Řešením soustav jsou souřanice a hleaného průsečíku kružnic =,. =..

22 .. D trilaterace Pro výpočet poloh v trojroměrném prostoru se vužívá D trilaterace. Na jejím principu pracuje napříkla globální navigační sstém GPS. V porovnání s D trilaterací, která používá rovnice pro kruh je ve D trilateraci vužíváno vtahů popisující kouli. Při použití tří referenčních boů, v přípaě GPS ružic, jsou možné va správné výslek. Jeen nich ovšem vcháí ve výšce na ružicemi a proto je tato poloha považována a nevhonou a je výpočtu vloučena. Dík alším referenčním boům je možné ruhé řešení soustav rovnic vloučit. Výpočet probíhá velmi poobně jako u D trilaterace, s tím roílem, že kažý referenční bo může být v roílné výšce. Jak blo řečeno výše, není vužíváno rovnic pro kruh, ale rovnic pro kouli a novu bue hleán průsečík. Výpočet probíhá násleovně: = + +,.5 = + +,.6 = + +,.7 = + +,.8 Tato soustava kvaratických rovnic se á jenoušit na soustavu rovnic lineárních, = + +.9, = = + +.

23 Násleně je pro výpočet souřanic, a, opět použito Cramerovo pravilo =,., =.. =. D i D trilaterace mají stejné klané i áporné stránk. V obou přípaech působí přiání alších referenčních boů výšení přesnosti výpočtu poice robota. Nevýhoou je, že s rostoucím počtem referenčních boů roste i náročnost výpočtu. V přípaě, že jsou k ispoici poue referenční bo RB, RB a RB, blo b analtické hleání poice v absolutním souřaném sstému pracovního prostoru robota poměrně složité. Z tohoto ůvou se používá transformace o souřaného sstému vtaženého k referenčním boům. Tato metoa je popisována na Wikipeii [05]. Pro jenoušení výpočtu se počítá s referenčními bo umístěnými v jené rovině. Dále se referenční bo RB umisťuje o počátku souřaného sstému, RB je posunut poue po ose a třetí referenční bo RB může být umístěn kekoliv na této rovině. Jeiné omeení pro třetí referenční bo je takové, že nesmí být umístěn na jené přímce s prvním a ruhým referenčním boem. Po okončení výpočtu se ískaná poloha převáí pět o absolutních souřanic v pracovním prostoru robota. Na obr.. je obraen princip D trilaterace, s pomocí referenčních boů. Obráek je ůvou přehlenosti jenoušen a ukauje princip pohleu vrchu.

24 Obr.. - Princip D trilaterace s třemi referenčními bo Transformace absolutního souřaného sstému pracovního prostoru robota o souřaného sstému vtaženého k referenčním boům se řeší násleovně. Referenční bo RB, RB a RB jsou vužit pro efinici vektorů umístěných o počátku souřaného sstému. Tto vektor e, e, a e jsou směrnicemi os nového souřaného sstému. První se určuje vektor e ve směru o RB k RB, e = RB RB RB RB,.5 ke RB souřanice. referenčního bou, RB souřanice. referenčního bou, e vektor ve směru os. Dále se určuje honota souřanice referenčního bou RB v novém souřaném sstému = e RB RB..6 Bo se vužívá při výpočtu vektoru e. Vektor e se vpočítá pole vtahu RB RB e e =,.7 RB RB e ke e vektor ve směru os.

25 Vektorovým součinem vektorů, které jsou án vtah.5 a.7, se vpočítá směrnice vektoru, který je k těmto věma vektorům kolmý. Vektor e je směrnicí os nového souřaného sstému a vpočítá se pole vtahu e = e e,.8 ke e vektor ve směru os. Pro okončení transformace je nutno opočítat bývající nenámou souřanici referenčního bou RB a souřanici referenčního bou RB. Tto vě souřanice se vpočítají pole vtahu = RB RB,.9 = e RB RB.0 Vhleem k tomu, že se pro určení poloh používají tři válenosti o referenčních boů, probíhá výpočet pomocí soustav tří kvaratických rovnic pro tři nenámé. Tto rovnice jsou ovoen toho, co blo popsáno výše. Rovnice te vpaají násleovně: + = +,. = +,. + + = +.. Je potřeba vpočítat tři souřanice, buou te použit všechn tři rovnice. Oečtením rovnice. o rovnice. a náslenou úpravou ískáme vtah pro souřanici hleaného bou + =.. Za přepoklau, že se první vě koule popsané rovnicemi. a. protínají ve více než jenom boě. To namená, že platí +..5 < < Dosaením vtahu. o rovnice. je ískána rovnice pro průsečík prvních vou koulí. Tímto průsečíkem je kruh popsaný rovnicí + + =..6 5

26 Vjářením rovnice., násleným osaením o rovnice. a úpravou je ískán vtah pro souřanici hleaného bou + + =..7 Jako poslení se určí souřanice rovnice.. Po vjáření se te vpočítá souřanice pole vtahu = ±..8 Takto jsou určen všechn tři souřanice hleaného bou v souřaném sstému vtaženému k referenčním boům. Protože je souřanice určena jako klaná nebo áporná omocnina, eistuje několik možných řešení. Řešení může být jeno, vě, nebo také nemusí být žáné. Poslení část výpočtu se á náornit jako hleání průsečíku třetí koule s kruhem popsaným rovnicí.6, který je průsečíkem první a ruhé koule. Poku tento kruh vcháí mimo, nebo vně třetí kouli, bla b počítána omocnina e áporného čísla. Omocnina e áporného čísla v oboru reálných čísel neeistuje, výpočet te nemá reálné řešení. Poku se koule otýká kruhu poue v jenom boě je souřanice nulová, toho vplývá, že se hleaný bo nacháí v rovině určené referenčními bo. Poslení možností je, že koule protíná kruh ve vou boech, to namená, že výslekem bue klaná a áporná honota omocnin klaného čísla. Na ávěr je potřeba provést pětnou transformaci o souřaného sstému pracovního prostoru robota, ta se provee takto:, RB + e + e ± e =,.9 ke, souřanice hleaného bou. Při měření válenosti, mei robotem a referenčními bo, se projevuje chba měření. To může nastat napříkla, kž jsou chbně určen souřanice referenčních boů, nebo se mei vsílačem a přijímačem vsktuje nějaká překážka. Chba měření působí že, měřená válenost je příliš krátká nebo příliš louhá proti válenosti skutečné. Kvůli této chbě bue výpočet ohau poloh robota nepřesný. 6

27 SNÍMAČE PRO LOKALIZACI Ab blo možné některou přechoích meto vužít v prai, je potřeba ískat informace o pohbu robota. K tomu se používají růné snímače. Citlivou částí snímače je čilo, to převáí jenu fikální veličinu na jinou, snaněji pracovatelnou. V přípaě robotik se většinou vužívá převou neelektrické veličin na elektrickou. Dík tomu le osáhnout vsoké přesnosti měření s možností snaného přenosu naměřených at, které le násleně snano pracovat. Dále bue popsáno několik vbraných snímačů, které mají přímou souvislost s výše popsanými metoami.. SNÍMAČE NATOČENÍ V robotice je velmi často potřeba snímat úhel natočení. Pomocí honot ískaných snímači natočení umístěných přímo na kolech robota mohou být určen některé úaje o jeho pohbu, tto úaje se také vužívají při oometrii. Úhel natočení pomáhá určit úaje, jako jsou na příkla: rchlost otáčení kol; rchlost pohbu celého robota; poloha robota proti výchoí poici neocháí-li k prokluu kol; natočení robota proti výchoí poici neocháí-li k prokluu kol. Další možností vužití této informace je při měření úhlu natočení, jiného senoru např. ultravuku nebo infračerveného senoru, proti poélné ose robota. Z informací e snímače natočení a ruhého snímače, jehož natočení je snímáno se násleně určuje poloha překážek v okolí robota a při námé mapě pracovního prostoru je možné ohanout i poici robota. Úhel natočení může být snímán snímači analogovými nebo igitálními. Analogové snímače mají omeený rosah měření, proto jsou v robotice vužíván jen minimálně. Častěji jsou vužíván snímače igitální, t le ále ělit na inkrementální a absolutní... Inkrementální Pro popis principu inkrementálních snímačů natočení jsou nejvhonější optoelektronické snímače. Optoelektronický inkrementální snímač natočení se skláá násleujících částí: pohblivý kotouček; hříel; 7

28 nepohblivé stínítko pře snímači; roj světla; snímací prvek. Pohblivý kotouček je připevněn na hříel, jejíž otáčk jsou snímán. Nepohblivé stínítko se umisťuje pře snímací prvek tak, ab ocháelo k osvitu snímacího prvku v požaovaných okamžicích. Snímacím prvkem bývá nejčastěji fototranistor nebo fotoioa citlivá na světelné áření s vlnovou élkou shoou s vlnovou élkou světla emitovaného rojem světla. Jako roj světla se používají světlo emitující io s růnou vlnovou élkou, toto světlo procháí skr pohblivý kotouček a stínítko a opaá na snímací prvek [Král, 0]. Pohblivý kotouček je konstruován tak, že po jeho obvou jsou vtvořené průhlené a neprůhlené rsk. Roestup rsek určuje citlivost snímače. Jako referenční bo určující právě jenu otáčku nebo nulovou poici se používá alší rska, umístěná mimo kruh rsek popsaný výše, a roj světla se snímačem. Pro rolišení směru otáčení, se vužívá třetí pár roje světla a snímače. Světlo e třetího roje světla procháí též skr hlavní kruh rsek, ale je posunutý o úhel α proti prvnímu páru světelného roje a snímače. Úhel α, o který musí být posut ruhý roj světla, umístěný na hlavním kruhu rsek, ab blo umožněno roponat směr otáčení, se vpočítá pole vtahu π α = k +,. C n ke C n počet rsek snímače na otáčku, k libovolné celé číslo... Absolutní Ab blo možné snáe porovnat roíl mei inkrementálním a absolutním snímačem natočení, buou absolutní snímače také popsán pomocí optoelektronického tpu snímače. Jak již sám náev napovíá, výstupem absolutního snímače je přímo informace o úhlu natočení. U inkrementálního tpu snímače to bl sle pulů, které se ále pracovávají. Samotná konstrukce optoelektronického absolutního snímače natočení se velmi poobá inkrementálnímu snímači, ten se také skláá e roje světla, pohblivého kotoučku, stínítka a snímačů. Kromě počtu vojic snímač a roj světla se oba tp liší přeevším v konstrukci pohblivého kotoučku. Po obvou pohblivého kotoučku není poue jeen kruh rsek. Vužívá se celá plocha kotoučku tak, že jsou e umístěn průhlené a neprůhlené plošk. 8

29 Právě v romístění těchto plošek je akóována informace o úhlu natočení. Pro kóování úhlu se používá přímý binární kó nebo Graův kóu. Při vužití binárního kóu je snímán přímo úhel natočení be nutnosti alších úprav naměřených at. Nevýhoou přímého binárního kóu je možnost vniku chb měření, při přechou jené honot na ruhou, ůvou měn honot bitu v několika růných úrovních najenou. Příkla rotačního enkoéru s binárním kóem je na obr... Obr.. - Rotační enkoér s binárním kóováním Poku je použit snímač s Graovým kóem, musí se naměřená ata převést na skutečný úhel. Výhoou Graova kóování je to, že se sousení honot liší poue v jenom bitu, tím se potlačuje možnost vniku chb při přechou jené honot na ruhou. Příkla rotačního enkoéru s Graovým kóem je na obr... Obr.. - Rotační enkoér s Graovým kóem Počet vojic rojů áření a snímačů je roven velikosti rolišení snímače. Je-li snímač čtřbitový, stejně jako na obr.. a obr.., pak buou použit i čtři roje áření a pro kažý roj áření snímač. 9

30 . GYROSKOP Groskop je aříení umožňující měřit orientaci v prostoru. Princip groskopu je nám již o počátku 8. století. Jméno mu al francouský fik Leon Foucalt, který s jeho pomocí emonstroval rotaci emě. Dnes se groskop nepoužívá jen pro měření úhlové rchlosti, ale také na příkla v letectví jako umělý horiont, pro navigaci balistických raket nebo torpé, ke stabiliaci čoček ve fotoaparátech a poobně [Everett, 995]... Mechanický groskop Toto aříení se skláá rchle rotujícího isku, poháněného elektromotorem, s hříelí upevněnou v ložiscích s minimálním třením. Ložiska jsou součástí vnitřního karanového prstence. K ajištění neávislosti na okolí je vnitřní karanový prstenec připevněn alším párem ložisek k vnějšímu karanovému prstenci, ten je třetím párem ložisek připevněn k měřenému objektu. Rotorem je setrvačník, te kolo, u nějž se většina hmotnosti nacháí po obvou. Rotující setrvačník má určitou hbnost, která ho uržuje ve stále stejné poloe neávisle na okolí. S rostoucími otáčkami roste i hbnost. O tomto hovoří první Newtonův ákon, který říká, že těleso ůstává v kliu nebo v rovnoměrném přímočarém pohbu, poku není nuceno vnějšími silami tento stav měnit. Mechanické groskop jsou vráběn ve vou áklaních tpech. První nich má na výstupu napětí nebo frekvenci úměrnou rchlosti otáčení. Druhý tp je schopný poávat informaci přímo o úhlu natočení. Tto groskop jsou schopné měřit poue relativní měnu natočení. Pro určení absolutního natočení je potřeba použít alších prostřeků. [Everett, 995]... Optický groskop Princip optických groskopů je aložen na Sagnacově efektu. Sagnacův efekt působuje, že se va laserové paprsk veené rotujícím rotorem groskopu, po stejné kruhové optické ráe, ale roílným směrem, jeen ve směru a ruhý v protisměru otáčení, šíří růnou rchlostí. To je působeno sčítáním rchlostí šíření paprsků a rchlosti otáčení. Důslekem toho vnikne měřitelný fáový posuv. Světelné paprsk bývají veen napříkla optickými vlákn uspořáanými o tvaru cívk. Tímto působem se á rolišit rchlost i směr rotace [Fejt, 0]. 0

31 .. Pieoelektrický groskop Záklaem některých pieoelektrických groskopů je vužití Coriolisov síl, která umožňuje měřit rchlost rotace. Coriolisova síla je ánlivá síla působící na pohbující se hmotný bo těleso v rotující soustavě. Uplatňuje se, je-li směr pohbu hmotného bou jiný, než je směr os rotace. [Hrlička, 00]. Pieoelektrické groskop se ají ělit na groskop vužívající setrvačnosti kmitavých těles a na groskop vužívajících setrvačnosti těles statických. Vibrační pieoelektrické groskop vužívají Coriolisovi síl tak, že se pieoelektrický element rokmitá ve směru kolmém k ose rotace a Coriolisova síla jej vchluje ve směru rovnoběžném se směrem rotace. Senor ajišťují měření fáového posunu kmitů proti ustálené poloe a velikost napětí, měřeného na pieoelementu, které jsou úměrné rchlosti otáčení [Hrlička, 00]. Pieoelektrický groskop vužívající setrvačnosti statických těles je náorněn na obr.. a. Obr.. a obrauje groskop setrvávající v kliové poloe. Skláá se e áklan, která je součástí poura groskopu. Pohbuje se te shoně s objektem, ke kterému je groskop připevněn. K áklaně jsou přes pružné ávěs upevněna hmotná statická tělesa, též se á použít onačení ávaží. Při měně pohbu groskopu se uplatňuje první Newtonův ákon a ávaží tak působí eformaci pružných ávěsů. Tato eformace působí na pieoelektrické element, na nichž se objeví měřitelné elektrické napětí, které je ále pracováno pomocí operačního esilovače OZ. Při pohbu groskopu v přímém směru se pružné ávěs eformují shoným směrem, jak je náorněno na obr.. b. Na iferenciálních vstupech operačního esilovače se te objeví shoné napětí a na výstupu operačního esilovače nebue napětí žáné. Ab se nějaké napětí na výstupu objevilo, musí se měnit rchlost otáčení objektu, pak se pružné element buou ohýbat růnými směr a na vstupech operačního esilovače se objeví roílné napětí. Rotaci groskopu obrauje obr.. c [Janko, 0].

32 Obr.. - Pieoelektrický groskop vužívající statických těles Hlavními výhoami pieoelektrických groskopů je jejich poměrně níká cena a malé roměr. Celý groskop může být integrován o jenoho čipu společně s vhonocovacími obvo. Mei nevýho patří nižší přesnost oproti optickým nebo mechanickým groskopům.. AKCELEROMETRY Akcelerometr vužívají ke svoji činnosti také prvního Newtonova ákona. Je v nich te umístěno nějaké hmotné těleso, něk naývané jako seismická hmota, která je akcelerací vchlována rovnovážné poloh. Toto vchýlení působené silou F s je měřeno a násleně převáěno na signál úměrný velikosti rchlení. Síla F s se vpočítá pole vtahu F = ma s,. ke m hmotnost tělesa, a rchlení tělesa. V ustálené poloe je hmotné těleso uržováno pružným elementem, tím může být pružina nebo tlumič. Některé tp akcelerometrů okáží měřit i statické rchlení, jako je na příkla rchlení gravitační, ík tomu se ají snano použít pro měření náklonu. Stejně jako u většin jiných snímačů, je možno realiovat akcelerometr na několika roílných principech. Mei jen nes nejpoužívanějších tpů patří pieoelektrické, tenometrické, inukčnostní nebo na příkla kapacitní akcelerometr. Všechn tp akcelerometrů jsou atížen níkým ostupem signál-šum pro malá rchlení. Dalším problémem při měření rchlení je citlivost na nerovnosti povrchu, po kterém se robot pohbuje. Akcelerometr nacháejí uplatnění v mnoha ovětvích. Kromě lokaliace se používají pro etekci páu nebo nárau, stabiliaci obrau, sleování pohbu litosférických esek, sleování seismické činnosti a v mnoha alších činnostech.

33 .. Inukčnostní akcelerometr U inukčnostních akcelerometrů je hmotné těleso hotoveno feromagnetického materiálu. Hmotné těleso se umisťuje o blíkosti transformátoru, tak ab při působení síl, která vniká při akceleraci, ocháelo ke měně velikosti vuchové meer feromagnetického obvou a tím se měnila inukčnost cívk. Může být použito i iferenční uspořáání, k je hmotné těleso umístěno mei va transformátor. V tomto přípaě je výstupem přímo napětí úměrné měřenému rchlení. Hmotné těleso se upevňuje na pružné ávěs, t vtvářejí mechanický opor proti síle, která na hmotné těleso působí. Tento tp akcelerometru se nejčastěji používá pro měření vibrací. Dokáže měřit frekvence o 0 H. Je te schopen měřit i statické rchlení... Kapacitní akcelerometr Kapacitní akcelerometr mají umístěné hmotné těleso mei vě pevné esk vuchového konenátoru, tímto vnikají va proměnné konenátor. Na kažé esek je umístěna jena statická elektroa a na hmotném tělese třetí pohblivá elektroa, která je společná pro oba konenátor. Pohbem seismické hmot, avěšené na pružných elementech, se te mění kapacita. Poměrně často se používá hřebenového apojení, k je paralelně spojeno více takovýchto proměnných konenátorů. Hřebenovým apojením se všuje linearita, citlivost a namický rosah celého senoru a eliminují se tak některé jeho neostatk. Stejně jako přechoí tp okáže měřit i statické esílení. Nevýhoou kapacitních akcelerometrů je nemožnost měření vsokých frekvencí a rchlení, při kterých ocháí k ohbu pohblivé elektro... Tenometrické akcelerometr Tenometrické akcelerometr jsou konstruován tak, že se hmotné těleso připevňuje na pružný nosník, jehož eformace je snímána tenometrem. Dnes se nejčastěji používá polovoičových tenometrů. Deformace vniká opět působením setrvačné síl na těleso během akcelerace. Výhoné je umístit va tenometr tak, ab při ohbu nosníku ocháelo ke kracování jenoho tenometru a k prolužování tenometru ruhého. Násleným spojením vou tenometrů o můstkového apojení se ostraňuje vliv teplot a oporu přívoů. Výslené rchlení je určeno jako ruhá erivace měn oporu tenometru.

34 Tenometrický akcelerometr okáže měřit frekvence o 0 H o kh, je te schopen měřit i statické rchlení. Další výhoou je vsoká oolnost proti přetížení... Pieoelektrické akcelerometr Záklaem pieoelektrických akcelerometrů je pieoelektrický krstal, ke kterému je připevněna seismická hmota. Mechanickým přepětím je ajištěno namáhání krstalu poue tlakem. Působením setrvačné síl se na krstalu generuje elektrický náboj, který je ále esilován nábojovým esilovačem, výslekem toho je napěťový signál na výstupu akcelerometru. Pieoelektrické akcelerometr se vnačují velmi vsokým rolišením a rosahem, mají však problém anamenat níkofrekvenční složk rchlení. Nemohou te měřit statické rchlení a ocháí u nich k posunu nul. Výhoou pieoelektrických akcelerometrů je jejich vsoká mechanická oolnost.. ULTRAZVUKOVÝ SENZOR VZDÁLENOSTI Měření válenosti ultravukovým senorem pracuje tak, že se vhonocuje čas mei vsláním ultravukového signálu vsílačem a jeho přijetím přijímačem. Čas mei vsláním a příjmem signálu se, nejen u ultravukových senorů, onačuje TOF anglického Time Of Flight. Výslekem měření je te válenost o nejbližší překážk, o které se signál orail pět k přijímači. Vhleem k poměrně pomalé rchlosti šíření akustického signálu vuchem, le osáhnout přesných výsleků měření, aniž b bl klaen vsoké nárok na vhonocovací obvo. Ultravukový signál je akustické vlnění o frekvenci všší, než je slšitelný vuk. Krátká perioa ultravuku působuje, že se šíří prostřeím téměř přímočaře a platí ákon orau. Na roíl o vuku je ultravuk ve vuchu tlumen. Tlumení stoupá s rostoucí frekvencí ultravuku, to ovšem neplatí v kapalinách. Na příkla ve voě, se ultravuk může šířit na načné válenosti [Novák, 007]. Vsílače tohoto signálu vužívají magnetostrikčního nebo pieoelektrického jevu. Magnetostrikčního jevu jsou schopn některé feromagnetické látk, které se vlivem průchou stříavého prouu smršťují a rotahují. Pieoelektrického jevu se vužívá napříkla u krstalu křemene, nebo u levnějšího materiálu, keramik. Pieoelektrickým krstalem se vtváří ultravuk ík průchou stříavého napětí, které tento materiál eformuje. Měření válenosti ultravukem může vkaovat chb ůvou roílné rchlosti šíření vlnění při růné vlhkosti a teplotě vuchu. Dalším rojem chb může být

35 vícenásobný ora signálu a ora vlnění o materiálů, které pohlcují vuk. Další nevýhoou ultravukového měření je vsoká proleva mei jenotlivými měřeními nebo nemožnost měření elších váleností. Proleva mei jenotlivými měřeními b měla být všší, než je oba letu signálu k bou maimálního osahu senoru [Novák, 007]..5 OPTICKÉ SENZORY Pro optickou etekci překážek a měření válenosti se používají senor přeměňující elektrickou energii na světlo, oražené světlo je násleně novu přeměněno na energii elektrickou. Světlem je chápáno elektromagnetické vlnění s vlnovou élkou o ultrafialového áření, přes viitelné světlo až po infračervené áření. Dnes se jako roje áření používají infračervené io, LED io a laserové io. Přijímači pak jsou na příkla fotoio nebo fototranistor, jejich úkolem je převést přijatý optický signál na elektrickou energii. Kombinace přijímače a vsílače v jenom pouře umožňuje etekovat překážk a určit válenost mei nimi a senorem..5. IR senor Infračervené neboli IR senor, se v robotice nejčastěji používají pro etekci překážek v blíkosti robotů, ají se však použít i pro měření válenosti o překážek. Princip funkce infračervených senorů je aložen na etekování intenit oraženého světla. Světelné áření, s vlnovou élkou elší než má světlo viitelné, se emituje IR LED ioou. Jako etektor se používají fototranistor, nebo fotoio citlivé na světlo s touto vlnovou élkou. Výstupem přijímačů je informace, a se světlo emitované IR LED ioou oráží pět k přijímači či nikoliv. Jinak řečeno a se v okolí robota nacháí překážka, nebo v jeho okolí žáná překážka není. Pro áklaní rolišení poice překážk le použít vsílače a pole toho, o kterého vsílačů pocháelo oražené světlo určit, a se překážka nacháí vlevo nebo vpravo. Intenita oraženého světla je ávislá na barvě povrchu, o kterého se světlo oráží. Této ávislosti le úspěšně vužít u robotů sleující voící čáru. Pole barv čár se mohou upravovat některé vlastnosti robota, nebo se pomocí barev efinují růné cest. IR senor umožňuje také měření válenosti o překážek, k tomuto účelu se vužívá proměnná intenita vařovaného světla IR LED ioou nebo proměnná citlivost přijímače. Princip měření spočívá v tom, že se postupně mění intenita emitovaného světla, nebo citlivost přijímače a v okamžiku, k je oražené světlo etekováno je možno prohlásit, že se překážka nacháí ve válenosti úměrné intenitě světla nebo citlivosti přijímače. 5

36 Další možností měření válenosti o překážek pomocí IR senorů je princip triangulace. Tento princip spočívá v určení místa opau oraženého světla na speciální iou. Výstupní napětí této io je úměrné místu, které blo osvíceno oraženým světlem. Z ůvou, ab nebla osvětlena příliš velká část io a blo tak možné přesněji určit válenost překážk, procháí oražené světlo skr optickou čočku. Při měření válenosti infračervenými senor se může vsktovat chba měření, poku jsou v okolí robota překážk s tmavým povrchem, které opaající áření pohltí, nebo překážk s lesklým povrchem, které áření oraí jiným směrem než k přijímači. Intenita oraženého světla je také ávislá na tvaru a velikosti překážk..5. Laserový senor Laserové senor pracují na stejných principech jako senor infračervené s tím roílem, že je používán jiný tp světelného roje. Jak již náev napovíá, rojem světelného signálu je laserová ioa. Laserová ioa má větší intenitu emitovaného světla než IR LED ioa, umožňuje te měření větších váleností. Laserové měření válenosti je velmi přesné, ovšem také poměrně rahé. Velkou výhoou je možnost paralelního měření válenosti v určitém intervalu úhlů. Paralelní měření probíhá tak, že je paprsek rokmitán a přijaté informace jsou nará vhonocen, tímto měřením vniká mapa okolí robota. V přípaě, že je robotovi mapa okolí náma, může naměřené informace použít pro určení své poloh..6 BEZDRÁTOVÉ KOMUNIKAČNÍ MODULY Na trhu je nabíena celá řaa berátových moulů, pracujících na růných principech, kažý princip má své výho. Tto moul jsou primárně určen k berátovému přenosu informací. Některé nich jsou však schopn měřit sílu signálu přijaté informace. Informace o síle signálu, tv. RSSI Receive Signal Strength Inicator se úspěšně vužívá pro učení válenosti mei věma moul. Moul pracující na stanaru ZigBee jsou schopn měřit sílu signálu pro kažý přenesený paket. Poku je použito více moulů, le pomocí RSSI informace určit polohu moulu v pracovní prostoru. Tento působ lokaliace probíhá násleovně: moul s nenámou polohou všle právu, kterou přijme moul se námou polohou. Moul se námou polohou měří sílu signálu přijaté práv. Tato měřená síla signálu slouží jako vstupní parametr o algoritmu lokaliace [Farahani, 008]. 6

37 Sstém pro lokální navigaci, převážně pracující s moul určenými pro lokální berátové sítě s malým osahem jsou něk onačován kratkou LPS anglického Local Positioning Sstem. LPS sstém vužívají pro přenos at, mei referenčním boem a boem s nenámou poicí, signál s ráiovou frekvencí. Tto jenouché a levné lokaliační sstém, aložené na protokolech berátových sítí s níkým osahem, jako je na příkla ZigBee, nejsou vhoné pro přesné určování poloh, ale umožňují určit přibližnou polohu v pracovním prostoru robota. Přibližné určení poloh je v mnoha aplikacích ostačující. Výhoou je snaná realiovatelnost be nutnosti úprav aříení [Farahani, 008]. Pro přesnost určování poloh je také ůležitá oba, a kterou je ostupná informace o válenosti jenotlivých ulů. Napříkla ZigBee uel, může několikrát žáat o přístup ke kanálu, než mu je přístup přiělen. Poku se objekt pohbuje pomalu, nemusí tato proleva pro určování poloh příliš vait [Farahani, 008]. 7

38 POPIS POUŽITÝCH NÁSTROJŮ Pro realiaci lokaliačního sstému robota v nenámém terénu bl volen berátový komunikační moul XBee Series. Pomocí berátového komunikačního moulu se měří síla signálu přenesené informace tv. RSSI. Honota RSSI je přečtena berátového moulu a uložena ve výpočetním prostřeí MATLAB. MATLAB se kromě komunikace po sériové lince a čtení potřebných honot moulu stará o výpočet válenosti RSSI a násleně o oha poloh robota.. MODUL XBEE OEM RF XBee RF moul, firm Digi International, bl vvinut s cílem vužít normu IEEE pro berátové senorové sítě s ohleem na níkou cenu a energetickou náročnost. Moul te mají níkou spotřebu elektrické energie a posktují spolehlivý přenos at mei aříeními. Moul pracují v nelicencovaném frekvenčním pásmu ISM s frekvencí, GH. Vsílání a přenos at v ISM pásmu je pro schválená aříení umožněn be licenčních poplatků, ovšem be garantované ochran proti rušení [Digi International, 05]. Během práce bl vužit XBee OEM RF moul s věma ruh antén, ale se stejnými možnostmi nastavení. Na esce jenoho moulů je anténa integrována, ke ruhému se anténa připojuje prostřenictvím RPSMA konektoru. Oba moul jsou obraen na obr... Obr.. - Použité tp XBee moulů.. IEEE Norma patří o skupin berátových komunikačních sstémů, efinovaných neiskovou organiací IEEE. Tato norma je určena přeevším pro takvané WPAN Low Rate sítě vužívané v automatiaci. WPAN Low Rate sítě jsou berátové sítě místního rosahu 8

39 s níkou komunikační rchlostí, řáově esítk až stovk bitů a sekunu, s minimální energetickou spotřebou a snanou implementací. Norma IEEE 805. popisuje fickou a linkovou vrstvu komunikačního moelu [Hnčica, 0]. Fická vrstva je první vrstvou v komunikačním OSI moelu, která se stará o efinici fické komunikační cest. Definuje te fikální, elektrické, mechanické a funkční vlastnosti moulu, jako jsou napříkla roložení pinů konektoru, napěťové úrovně, působ přenosu jenotlivých bitů práv. Fická vrstva se také stará o navaování a ukončování komunikace. Linková vrstva je ruhou vrstvou v komunikačním OSI moelu. Jejím hlavním úkolem je posktnout spojení a přenos at jenoho ulu sítě na ruhý, uspořáat ata fické vrstv o rámců, náslené řaení rámců a v neposlení řaě o nastavení vlastností přenosu... Sériová komunikace moulu Pře navááním sériové komunikace je potřeba nastavit několik parametrů, těmito parametr jsou komunikační rchlost, tv. bau rate, parita, počet bitů práv, stop bit a kontrola přetečení. Shoné nastavení musí mít všechn aříení v síti. V přípaě XBee moulu je efaultně nastavena rchlost komunikace na 9600 Bau, paritní bit se nepoužívá, počet bitů práv je nastaven na 8, stop bit na a kontrola přetečení se používá harwarová. Kromě 8 atových bitů a stop bitu je navíc pře kažou právou oesílán start bit. V obě, k nejsou oesílán žáná ata, je na pinu DI vsoká logická úroveň, ab blo možné roenat ačátek práv je te start bit roven níké logické úrovni. Hne po start bitu je oesílán nejméně výnamný bit práv. Celý paket posílaný sériovou linkou je obraen na obr... Na tomto obráku je náorněn přenos ekaického čísla [Digi International, 05]. 9

40 Obr.. - Data posílaná sériovou linkou Ve výchoím nastavení pracují XBee moul v transparentním móu. To namená, že moul slouží jako berátová náhraa sériové link. V transparentním móu probíhá oesílání at tak, že na pin DI jsou přiveena ata, která mají být oeslána. Data, která se objeví na pinu DI, jsou násleně řaena o front ve vrovnávací paměti pro vstupní ata, takvaného DI bufferu, ke včkávají o ob, než nastane některá násleujících uálostí: nejsou přijímána žáná ata; je přijat maimální počet naků, který se veje o RF paketu 00 naků ; je přijata sekvence pro vstup o comman móu. Poku je některá přechoích uálostí anamenána, je ánam bufferu okamžitě přeán vsílači, v opačném přípaě jsou ata řaena o front a včkávají na uvolnění komunikační cest. Poku se ata řaí o DI bufferu, je potřeba abránit jeho přetečení, toho le osáhnout harwarově nebo softwarově. Harwarová ochrana proti přetečení probíhá tak, že v přípaě menšího místa v bufferu, než je 7 btů, ačne být signaliováno nebepečí přetečení prostřenictvím vsoké logické úrovně na CTS pinu. Stav pinu CTS te musí být kontrolován a v přípaě signaliace plné vrovnávací paměti b se mělo přerušit oesílání at o moulu, jinak b ocháelo k jejich trátě. Změna logické úrovně na pinu CTS, pět o půvoního stavu, nastane v okamžiku, k je ve vrovnávací paměti místo alespoň pro btů [Digi International, 05]. Při příjmu at se všechna přijatá ata ukláají o vrovnávací paměti výstupních at, takvaného DO bufferu. Poku není RTS nastaveno pro kontrolu přetečení, jsou ata DO bufferu okamžitě oeslána na pin DO. V opačném přípaě, je-li RTS nastaveno, nebuou ata oeslána bufferu, oku se tento stav nemění. K přetečení bufferu může ojít ve vou přípaech. Prvním nich je, chbně nastavená komunikace mei moulem a hostitelským aříením, k jsou ata moulem přijímána rchleji, než je hostitelské aříení čte. Druhým 0