SEBELOKALIZACE MOBILNÍCH ROBOTŮ. Tomáš Jílek

Podobné dokumenty
SEBELOKALIZACE MOBILNÍCH ROBOTŮ. Tomáš Jílek

MĚŘENÍ VELIČIN POHYBU V APLIKACÍCH MOBILNÍ ROBOTIKY

SEZNÁMENÍ S PROJEKTEM AMA AUTONOMOUS MAPPING AIRSHIP

Cíle lokalizace. Zjištění: 1. polohy a postavení robota (robot pose) 2. vzhledem k mapě 3. v daném prostředí

plochy oddělí. Dále určete vzdálenost d mezi místem jeho dopadu na

Příklad 3 (25 bodů) Jakou rychlost musí mít difrakčním úhlu 120? -částice, abychom pozorovali difrakční maximum od rovin d hkl = 0,82 Å na

SLAM. Simultaneous localization and mapping. Ing. Aleš Jelínek 2015

Transformace dat mezi různými datovými zdroji

Mechanika

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

Kinematika tuhého tělesa. Pohyb tělesa v rovině a v prostoru, posuvný a rotační pohyb

SPŠS Č.Budějovice Obor Geodézie a Katastr nemovitostí 4.ročník SOUŘADNICOVÉ SOUSTAVY VE FOTOGRAMMETRII

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

i β i α ERP struktury s asynchronními motory

Přijímací zkouška pro nav. magister. studium, obor učitelství F-M, 2012, varianta A

l, l 2, l 3, l 4, ω 21 = konst. Proved te kinematické řešení zadaného čtyřkloubového mechanismu, tj. analyticky

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

Stanovení odtokových poměrů na vozovce a v jejím blízkém okolí metodou mobilního laserového skenování

DIPLOMOVÁ PRÁCE OPTIMALIZACE MECHANICKÝCH

III. MKP vlastní kmitání

Úvod do mobilní robotiky AIL028

Pohyb holonomního robota bludištěm

1. Regulace otáček asynchronního motoru - skalární řízení

MATEMATIKA III. π π π. Program - Dvojný integrál. 1. Vypočtěte dvojrozměrné integrály v obdélníku D: ( ), (, ): 0,1, 0,3, (2 4 ), (, ) : 1,3, 1,1,

ZÁKLADY ROBOTIKY Úvod do mobilní robotiky

Robotické architektury pro účely NDT svarových spojů komplexních potrubních systémů jaderných elektráren

ZPRACOVÁNÍ LOKALIZAČNÍCH DAT A JEJICH PŘESNOSTI PROCESSING OF LOCALIZATION DATA AND ITS ACCURACY

MODERNÍ GLOBÁLNÍ GEODETICKÝ REFERENČNÍ GEOCENTRICKÝ SYSTÉM

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Jiří Cajthaml. ČVUT v Praze, katedra geomatiky. zimní semestr 2014/2015

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

Dokumentace ke knihovně InsDevice

Digital Control of Electric Drives. Vektorové řízení asynchronních motorů. České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická

5. Stanovení tíhového zrychlení reverzním kyvadlem a studium gravitačního pole

R β α. Obrázek 1: Zadání - profil složený ze třech elementárních obrazců: 1 - rovnoramenný pravoúhlý trojúhelník, 2 - čtverec, 3 - kruhová díra

Filip Hroch. Astronomické pozorování. Filip Hroch. Výpočet polohy planety. Drahové elementy. Soustava souřadnic. Pohyb po elipse

SPŠS Č.Budějovice Obor Geodézie a Katastr nemovitostí 4.ročník RELATIVNÍ A ABSOLUTNÍ ORIENTACE AAT ANALYTICKÁ AEROTRIANGULACE

Semestrální projekt. Vyhodnocení přesnosti sebelokalizace VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

VK CZ.1.07/2.2.00/

ZÁKLADY ROBOTIKY Kinematika a topologie robotů

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

ESTIMACE ORIENTACE MULTIKOPTÉR

Kontraktantní/dilatantní

OBSAH 1 Úvod Fyzikální charakteristiky Zem Referen ní plochy a soustavy... 21

Mechanismy - úvod. Aplikovaná mechanika, 8. přednáška

BIOMECHANIKA KINEMATIKA

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

5a. Globální referenční systémy Parametry orientace Země (EOP) Aleš Bezděk

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Střední škola automobilní Ústí nad Orlicí

MODIFIKOVANÝ KLIKOVÝ MECHANISMUS

Příloha-výpočet motoru

Mechatronické systémy struktury s asynchronními motory

Triangulace a trilaterace

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

Přímá a inverzní kinematika manipulátoru pro NDT (implementační poznámky) (varianta 2: RRPR manipulátor)

Mechanika - kinematika

Rovinná monochromatická vlna v homogenním, neabsorbujícím, jednoosém anizotropním prostředí

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Moderní technologie v geodézii

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Další metody v geodézii

PŘÍLOHA. nařízení Komise v přenesené pravomoci,

VÝSLEDKYVÝVOJEAUTONOMNÍ MAPOVACÍVZDUCHOLODĚ

SOUČASNOST A BUDOUCNOST INERCIÁLNÍCH MEMS SENZORŮ

PROJEKT TVORBY NOVÉHO VÝŠKOPISU ČESKÉ REPUBLIKY

ZPRACOVÁNÍ LOKALIZAČNÍCH DAT A JEJICH PŘESNOSTI PROCESSING OF LOCALIZATION DATA AND ITS ACCURACY

1. Cvičení: Opakování derivace a integrály

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

Michael Valášek Vedoucí práce: doc. Ing. Václav Bauma, CSc.

KMS cvičení 6. Ondřej Marek

Modelování blízkého pole soustavy dipólů

Úvod do mobilní robotiky AIL028

Zaměření vybraných typů nerovností vozovek metodou laserového skenování

Systémy pro využití sluneční energie

úvod do teorie mechanismů, klasifikace mechanismů vazby, typy mechanismů,

2. ANALYTICKÁ GEOMETRIE V PROSTORU Vektory Úlohy k samostatnému řešení... 21

Ing. Oldřich Šámal. Technická mechanika. kinematika

Úvod do mobilní robotiky AIL028

11. Elektronická navigace od lodní přes leteckou po GPS principy, vlastnosti, technické prostředky

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

M5. ODHAD A ŘÍZENÍ ORIENTACE MULTIKOPTÉRY

Globální matice konstrukce

Souřadnicové výpočty I.

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Výukové texty. pro předmět. Automatické řízení výrobní techniky (KKS/ARVT) na téma

SYLABUS PŘEDNÁŠKY 10 Z GEODÉZIE 1

BUDOVÁNÍ PŘESNÉHO BODOVÉHO POLE A GEOMETRICKÉ VLASTNOSTI VIRTUÁLNÍCH REALIZACÍ S-JTSK

Metodika převodu mezi ETRF2000 a S-JTSK varianta 2

ω JY je moment setrvačnosti k ose otáčení y

MĚŘENÍ ÚHLOVÝCH KMITŮ ZA ROTACE

Kinematika tuhého tělesa

GEOGRAFICKÁ SLUŽBA ARMÁDY ČESKÉ REPUBLIKY

Mobilní mapovací systém

KINEMATIKA HMOTNÉHO BODU. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

Obr. 4 Změna deklinace a vzdálenosti Země od Slunce v průběhu roku

Referenční plochy a souřadnice na těchto plochách Zeměpisné, pravoúhlé, polární a kartografické souřadnice

Technická diagnostika, chyby měření

ROZDĚLENÍ SNÍMAČŮ, POŽADAVKY KLADENÉ NA SNÍMAČE, VLASTNOSTI SNÍMAČŮ

Transkript:

SEBELOKALIZACE MOBILNÍCH ROBOTŮ Tomáš Jílek

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]

Popis orientace v prostoru

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.)

Využití vizualizace polohy

Využití autonomní chování?

Využití tvorba map

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)

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

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)

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

Absolutní lokalizační metody

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)

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

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

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

Mapa magnetické deklinace

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

Rozklad vektoru do složek

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

Polhemus G4

Integrační lokalizační metody

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)

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

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

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

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)

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

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

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

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)

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)

Iterační metody

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)

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

Velodyne HDL64E Počet laserů/detektorů: 64 Počet měřených bodů: 1 300 000/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

Pravděpodobnostní lokalizace

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

Pravděpodobnostní lokalizace

Přehled zdrojů dat

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 )

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)