SEBELOKALIZACE MOBILNÍCH ROBOTŮ. Tomáš Jílek

Transkript

1 SEBELOKALIZACE MOBILNÍCH ROBOTŮ Tomáš Jílek

2 Sebelokalizace Autonomní určení pozice a orientace robotu ve zvoleném souřadnicovém systému Souřadnicové systémy Globální / lokální WGS-84, ETRS-89 globální Pravoúhlé souřadnice [x, y, z] Eliptické (zeměpisné) souřadnice [λ, φ, H] S-JTSK, S-42 lokální Prostorové / rovinné Typické případy lokalizace V prostoru (6DOF) [x, y, z, pitch, roll, yaw] V rovině (3DOF) [x, y, φ]

3 Popis orientace v prostoru

4 Využití lokalizace Vizualizace polohy mobilního robotu Informace o aktuální pozici a orientaci mobilního robotu pro operátora Autonomní chování mobilního robotu Navigace mobilního robotu Lokalizace měřených dat mobilním robotem Tvorba map prostředí a vizualizace polí (teplota / ionizující záření / atd.)

5 Využití vizualizace polohy

6 Využití autonomní chování?

7 Využití tvorba map

8 Získání lokalizačních údajů Možnosti přímého měření pozice a orientace mobilního robotu jsou omezené Ve většině případů je nutné použít nepřímou metodu výpočtu lokalizačních údajů Snímače vhodné pro účel lokalizace jsou nepřesné a málo robustní Nutnost kombinovat více různých přístupů získání lokalizačních údajů pro zvýšení přesnosti a robustnosti (datová fúze)

9 Základní dělení lokalizace (1) Podle stupňů volnosti 3DOF, 6DOF, Podle prostředí vnější (mimo budovy)/vnitřní (v budově) Podle znalosti vztažného bodu absolutní (např. GNSS)/relativní (např. odometrie) Podle plošné působnosti lokální/globální (např. GNSS) Podle znalosti mapy lokalizace v mapě/bez mapy

10 Základní dělení lokalizace (2) Podle okamžiku vyhodnocení online/offline Podle nutnosti úpravy prostředí vyžadující/nevyžadující úpravu prostředí Podle dynamiky prostředí statické/dynamické (detekce, filtrace změny) Podle způsobu realizace pasivní/aktivní (řízení za účelem zlepšení lokalizace)

11 Základní dělení lokalizace (3) Podle počtu robotů jeden/více Podle místa vyhodnocení interně (v robotu)/externě (mimo robot) Podle typu algoritmu jednokrokový/iterační

12 Absolutní lokalizační metody

13 Absolutní lokalizační metody Primárně měřenou veličinou je vzdálenost (pro určení pozice), nebo úhlové natočení (orientace) Klíčovou vlastností těchto metod je, že nekumulují chyby (výpočet lokalizačních dat nemá integrační/sumační charakter)

14 Satelitní navigace Dodává přímo souřadnice robotu (x, y, z) ve zvoleném souřadném systému, případně i dvě jeho statické rotace (α, β) (DGNSS) Absolutní metoda nevyžadující úpravu prostředí, vhodná jen pro vnější prostředí Nevyžaduje výpočetně náročné zpracování mimo GNSS přijímač Vhodné pro určení globální polohy Po startu je nutná inicializace Problém ztráty signálu

15 Trimble BD982 GPS + GLONASS + GALILEO přijímač Přesnost: 8/15 mm (horiz./vert.), 0,1 (azimut) Latence: < 20 ms Frekvence měření: 50 Hz Hmotnost: 92 g Spotřeba: 2,3 W Rozměry: 100 x 85 x 12 mm Rozhraní: Ethernet, CAN, RS-232

16 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

17 Mapa magnetické deklinace

18 Akcelerometr Pomocí tříosého akcelerometru schopného měřit i statická zrychlení (např. kapacitní princip) lze získat průmět tíhového vektoru G do jednotlivých na sebe kolmých os v případě, že na akcelerometr nepůsobí zrychlení způsobené jeho nerovnoměrným pohybem

19 Rozklad vektoru do složek

20 Využití AC magnetického pole V prostoru kolem vysílače je vytvořeno časově proměnné magnetické pole a na základě tohoto pole se vyhodnocuje poloha a orientace vůči základně

21 Polhemus G4

22 Integrační lokalizační metody

23 Dead reckoning Matematická metoda založená na postupné integraci (sumaci) přírůstků pohybu robotu (známé rychlosti a jeho natočení) Měří se 1. nebo 2. derivace polohy/orientace Problém narůstající chyby od počátku lokalizace s narůstajícím počtem kroků (integrování/sumace chyb) Vhodné pouze pro dočasné použití (omezeno vzdáleností nebo časem)

24 Odometrie Lokalizace robotu na základě znalosti změn natočení jeho kol Varianty: aktivní/pasivní Vychází z modelu podvozku robotu (diferenciální, Ackermanův, )

25 Odometrie s = s 1+ s 2 2 φ = s 1 s 2 b φ t = φ t 1 + φ x = s sin φ t 1 + φ 2 y = s cos φ t 1 + φ 2 x t = x t 1 + x y t = y t 1 + y

26 Odometrie zdroje chyb Nedostatečná adheze kol k podkladu prokluz/smyk kol Přesnost (např. linearita) a rozlišení samotného snímače polohy hřídele kola nebo motoru Omezená rychlost vyhodnocovací elektroniky (vypadávání impulsů z enkodéru, ) Algoritmus vyhodnocování polohy, jeho rychlost a vliv zaokrouhlování

27 Odometrie zdroje chyb Vůle v převodech (při umístění snímače polohy na hřídeli motoru) Proměnný průměr kol při opotřebení, zátěži Nerovnosti povrchu, překážky (model počítá s ideálně rovným povrchem)

28 Modifikace odometrie Informace o úhlu natočení není počítána z úhlu natočení kol, ale může být brána z inerciálních snímačů (gyroskopy), případně z magnetometru

29 Využití gyroskopu φ = ω y sinφ + ω z cosφ tanθ + ω x θ = ω y cosφ ω z sinφ ψ = ω y sinφ + ω z cosφ secθ φ = ω y sinφ + ω z cosφ tanθ + ω x dt θ = ω y cosφ ω z sinφ dt ψ = ω y sinφ + ω z cosφ secθ dt

30 Využití inerciálních snímačů Kardanový inerciální navigační systém Snadné vyhodnocování veličin Náročná mechanická konstrukce

31 Využití inerciálních snímačů Bezkardanový inerciální navigační systém (strapdown) Nevyužívá mechanicky stabilizovanou základnu Všechny snímače jsou pevně spojeny s pohybujícím se objektem Náročnější zpracování dat (např. nutnost správně odečíst vektor tíhového zrychlení G podle aktuálního úhlového natočení akcelerometru)

32 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)

33 Iterační metody

34 Iterační metody Iterative Closest Point (ICP) Nalezení korespondujících bodů (bodů s nejmenší vzdáleností) E T x, T y, ω = R ω P + T P n i Vhodné pro odstranění translační složky Iterative Matching Range Point (IMRP) Stejný postup jako u ICP, jiné pravidlo korespondence Vhodné pro odstranění rotační složky Iterative Dual Correspondence (IDC) Kombinace ICP (pro translační složku) a IMRP (pro rotační složku)

35 ICP algoritmus 1. Aplikace transformace z předchozí iterace 2. Nalezení korespondujících bodů 3. Výpočet transformace (minimalizace čtverce vzdáleností) 4. Aplikace transformace Zdroj: R. Bedroš: Modul lokalizace mobilního robotu pro systém Player

36 Velodyne HDL64E Počet laserů/detektorů: 64 Počet měřených bodů: /s Zorné pole: 360/27 (horiz./vert.) Rozsah měření: 50 až 120 m Frekvence měření: 5 až 15 Hz Přesnost měření (1σ): 2 cm, 0,1 Vlnová délka laserů: 905 nm Spotřeba: 30 W Rozhraní: Ethernet 100 Mbit/s, RS-232

37 Pravděpodobnostní lokalizace

38 Pravděpodobnostní lokalizace Vše je náhodnou veličinou data ze snímačů, parametry robotu tedy i pozice a orientace robotu Odhad pozice není jeden bod ale funkce pravděpodobnosti

39 Pravděpodobnostní lokalizace

40 Přehled zdrojů dat

41 Dostupné primární veličiny (1) 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 )

42 Dostupné primární veličiny (2) 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)