FI80803B - Positionskaennande system foer ett roerligt foeremaol. - Google Patents

Description

1 80803

Liikkuvan esineen sijainnintunnistusiärjestelmä

Esillä oleva keksintö kohdistuu liikkuvan esineen sähkö-optiseen sijainnintunnistusjärjestelmään, etenkin liikkuvan robotin, joka on patenttivaatimuksen 1 johdannossa kuvattua tyyppiä.

Jotta liikkuva robotti pystyisi suunnistamaan itsenäisesti, on erittäin tärkeää, että se koko ajan tietää oman sijaintinsa suhteellisen tarkasti. Robotin tietokonemuistiin on tästä syystä tallennettu kartta siitä alueesta, jolla robotti liikkuu. Tällainen kartta voidaan luoda esimerkiksi pyörivän ultraäänitutkan avulla. Huoneen seinistä ja kiinteistä esineistä heijastumisen avulla voidaan alueen rajaviivat sekä kiinteät esteet merkitä karttaan .

Kuvatun kartan muodossa olevien alueen ominaisuuksien lisäksi robotin on tiedettävä oma senhetkinen sijaintinsa huoneessa. Tämä tieto voidaan saada mainitusta tutkalaitteesta. Tässä järjestelmässä on kuitenkin rajoituksensa, ja siitä svystä on hyödyllistä saada täydentävää tietoa rinnakkaisesta, toisella tavalla toimivasta järjestelmästä. Yksi tapa on tallentaa sopivan ilmaisimen avulla se matka, jonka robotti on liikkunut, sekä sen liikkumissuunta huoneen tietystä alkupisteestä. Tällaisen järjestelmän haitta on se. että siinä pyrkii esiintymään kumuloituva virhe, mikä huomattavasti alentaa robotin määritellyn sijainnin tarkkuutta.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on helpottaa mainittuja ongelmia ja tarjota sijainnintunnistusjärjestelmä , joka yksinään tai yhdessä matkanmittausjärjestelmän kanssa täydentää mainittua tutkajärjestelmää. Tarkoitus 2 80803 saavutetaan järjestelmällä, jolla on patenttivaatimuksissa annetut erityispiirteet.

Esillä oleva keksintö kuvataan nyt tarkemmin sovellusesimerkkien yhteydessä ia viitaten oheistettuihin piirroksiin. Näistä kuvio 1 kuvaa kaaviomaisesti sähköoptisen sijainnintunnistusjärjestelmän, jossa on kiinteästi asennettu valolähetin ja liikkuvaan robottiin asennettu valo-vastaanotin. Kuvio 2 on kaaviomainen yksityiskohtakuva kuvion 1 valovastaanottimesta. Kuvio 3 on lohkokaavio va-lolähettimestä. Kuvio 4 on lohkokaavio valovastaanotti-meen sisältyvästä elektronisesta laitteistosta. Kuvio 5 on kaaviokuva, joka kuvaa sijainninlaskennassa käytettäviä geometrisia yhteyksiä. Kuvio 6 näyttää robotin liik-kumisalueen merkittynä koordinaatti järjestelmään ja kuvaa, kuinka robotin kääntymisvirhe korjataan. Viimeiseksi kuvio 7 kuvaa sovellusmuotoa, jossa on kolme valolähdettä .

Kuviossa 1 kuvattu sijainnintunnistusjärjestelmä sisältää kiinteästi asennetun valolähettimen 10 ja liikkuvaan robottiin 11 asennetun valovastaanottimen 12. Valolähetin 10 muodostuu IR-tyyppisestä valodiodista, joka on asennettu kattoon 13 tai jonkin matkan päähän siitä huoneessa, jossa robotti liikkuu. Esimerkissä valodiodi on asennettu kattoon kiinteästi kiinnitettyyn valaisinkalustee-seen 14. Valodiodi on asennettu siten, että sen säteily-kenttä suuntautuu alaspäin, jolloin säteilykulma on valittu siten, että säteilykenttä kattaa sen alueen, jolla robotti liikkuu. Käyttämällä IR-valoa saavutetaan se etu, että vastaanottimessa voidaan peittää häiritsevä, näkyvä valo yksinkertaisen IR-suodattimen 15 avulla, kuvio 2.

Valovastaanotin 12 on sijoitettu robotin yläpinnalle, ja se sisältää kuperan linssin 16, joka keskittää valolähteestä tulevan valon, jota edustaa säde 17, levylle 18, 3 80803 kuvio 2, jolle on sijoitettu suuri määrä valoherkkiä elementtejä. Sopivan tyyppinen levy, nimeltään CCD-array (Charged Coupled Device) sisältää 64 x 64 elementin matriisin eli yhteensä 4096 kappaletta. Tällaisen CCD-levyn toimintaperiaate on, että kaikki elementit, joilla on ka-pasitiivisia ominaisuuksia, ladataan, minkä jälkeen ne puretaan valaistuksella. Mittaamalla kuinka pitkään purkautuminen kestää voidaan jokaisen elementin osalta määritellä, kuinka suuri säteily on otettu vastaan ennalta-määritellyn ajan kuluessa. Levylle keskitetyn valosäteen, joka on muodoltaan pieni, pyöreä täplä, sijainti saadaan selville määrittelemällä se elementti, joka on saanut eniten säteilyä.

Kuviossa 4 CCD-levy kuvataan lohkolla 19, johon x-koo-dauspiirit 20 ja y-koodauspiirit 21 on yhdistetty. Näiden piirien avulla saadaan tietoa siitä, mitä valoherkkää elementtiä tuleva IR-säteily on eniten aktivoinut, ja tämä tieto siirretään johtoja 22, 23 pitkin mikrotietokoneeseen 24, jonka avulla robotin senhetkisen sijainnin x-ja y-koordinaatit määritellään. Tämä mikrotietokone on yhdistetty johdolla 25 ylempään mikrotietokoneeseen 26, johon myös toinen rinnakkain toimiva sijainnintunnistus-järjestelmä, jota ei ole kuvattu, on liitetty.

Viittaamalla kuvioihin 1 ja 5 annetaan nyt lyhyt kuvaus niistä geometrisista olosuhteista, jotka koskevat kuvattua siiainnintunnistusjärjestelmää. Huoneen katon 13 ja sen lattian, joka on merkitty numerolla 27, välinen etäisyys on h(T). Ruotsissa tämän välimatkan tyypillinen arvo on 2,40 metriä. Valolähettimen 10 etäisyys katosta on h(S), ja vastaanottimen 12 korkeus lattiasta on h(R). Annettuihin määrittelyihin pätee kuvion mukaan seuraava kaava: h(T) = h(R) + h(N) + h(S) (1) 4 80803 h(R).-n tyypillinen arvo on n. 50 cm. ja h(S):n 0-50 cm. Olettakaamme, että h(S):n keskiarvo on 25 cm. Näillä tyypillisillä arvoilla saadaan h(N) = 240 - 50 - 25 = 165 cm. Viitaten kuvioon 2 määritellään h(F) vastaanottimen etäisyydeksi linssitasosta 28 CCD-levvyn 18. Tämä etäisyys on myös sama kuin linssin polttoväli. Likiarvo saadaan olettamalla IR-valodiodista 10 tulevien valosäteiden olevan yhdensuuntaisia.

Lisäksi oletetaan, että linssin 16 keskikohdan ja IR-va-lodiodin välinen vaakasuora etäisyys on R, linssin keskikohdan ja CCD-levyn 18 valotäplän vastaavan vaakasuoran etäisyyden ollessa r.

Kun säde 17 ei taitu linssin keskikohdassa, pätee seuraa-va kaava: h(N) = h(F) (2) R r koska molemmat merkityt kolmiot, joilla on vastaavat sivut, ovat yhdenmukaiset. Toinen edellytys on. että CCE)-levyn on sijaittava linssin polttotasossa.

Robotin liikkuessa tavallisessa tasaisella lattialla h(N) on vakio. Koska lisäksi h(F) on myös vakio, saadaan: R = k x r (3 '> . h (N) . .

jossa k = r-T=T = vakio n( r )

Kulma v määritellään kuviossa 5, kuten myös kulma u. Tällöin pätee, että u + v = 90 astetta.

Lisäksi saadaan: s 80803 tan v - hlNT (4) tai v = arctan γτϊγτ n{N)

Robotissa voi olla valittu 10 cm:n maantieteellinen hajonta, toisin sanoen kartassa, joka on oltava ylemmän mikrotietokoneen 25 muistissa, jokaisen maantieteellisen koordinaattipisteen välillä on 10 cm x-y-koordinaattijärjestelmässä . Kuten edellä on mainittu kohtuullinen koko vastaa CCD-levyn yhteensä 4096 elementtiä. Näissä olosuhteissa neliskulmainen pinta, jonka ala on yhteensä 6,4 x 6,4 m voidaan heijastaa tähän CCD-karttaan. Origosta katsottuna, eli siitä pisteestä, jossa IR-lähettimen pystysuora linja kohtaa lattian, voidaan kuvata + 3,2 metriä x- ja vastaavasti y-suunnassa. Näin saadaan kokonaiskulma 3 2 v edellisen mukaan (4) v = arctan j-gg = n. 63 astetta.

Vastaanottimen avautumisen kokonaiskulma on 2 x v = 126 astetta. Edellä olevan kaavan (3) suureet r ja h(F) riippuvat CCD-levyn koosta.

Käynnistettäessä robotin on ensin kalibroitava IR-vastaan-ottimensa 12. Se tapahtuu siten, että robotti siirtyy pisteeseen, jossa vastaanottimen 12 linssin keskikohta on sama kuin IR-lähettimen pystysuora linja (v = 0 astetta). Sitten robotti siirtyy esimerkiksi metrin johon suuntaan, jolloin vastaava matka mitataan niistä matkoista, jotka robotin pyörä 36 on pyörinyt. Mittaamalla kuinka monta elementtiä CCD-levyn keskikohdasta valotäplä on siirtynyt, voidaan vakio k helposti laskea edellä olevan kaavan (3) mukaan. Tätä vakion k arvoa käytetään sitten kaikissa tämänjälkeisissä niiden koordinaattien laskemisissa, jotka määräävät robotin senhetkisen sijainnin.

Kuvattu sijainninmäärittelyperiaate perustuu siihen, että 6 80803 robotti tuntee oman kulkusuuntaansa suhteessa seiniin 29, 30, 31, 32 siinä huoneessa, jossa se liikkuu, kuvio 6. Robotin, jonka voi esimerkiksi muodostaa itsestäänkulkeva pölyimuri, normaalia käyttäytymistä on, että se siirtyy yhdensuuntaisesti huoneen seinien kanssa, esimerkiksi seinän 30, eteen- ja taaksepäin suuntautuvissa liikkeissä A, B. Jos tällöin robotin jonkin pyörän luisumisen takia se kääntyy siten, että kulkusuunta on esimerkiksi kirjaimella C osoitettu, vastaava virhe ilmestyy IR-vastaanot-tiraen 12 CCD-karttaan (virhekulma p). Nyt voidaan oikea kulma (p = 0) luoda uudelleen vaihtamalla robotin sijainnin suorakulmaiset koordinaatit CCD-karttaesityksen polaarisiksi koordinaateiksi (R,^ ). Tämä voidaan helposti tehdä mikrotietokoneella 24. Jos (x, y) ovat CCD-kartan koordinaatteja IR-diodin valomaksimille, seuraava kaava on voimassa polaaristen koordinaattien määrittelyn mukaan : R = \j x2 ♦ y2 = arctan ^

Kuvion 6 mukaan = p + m, jolloin virhekulma on p ja oikea kulma IR-lähettimeen nähden on m. Määrämäällä robotin kääntymistä mikrotietokoneen 26 avulla kulma P saa halutun suunnankorjauksen.

Jotta voitaisiin tehdä edellä kuvatun mukainen kääntymisen korjaus, on tärkeää, että robotin tahaton kääntyminen havaitaan mahdollisimman pian. Tästä syystä mikrotietokone 24 voi tehdä liikkeiden A ja B aikana vertailuja kul-makoordinaatin toisiaan seuraavien laskenta-arvojen välillä ja poikkeamien esiintyessä aktivoida mikrotietokone 26 antamaan korjauksen kuvatulla tavalla.

7 80803

Huoneessa, jossa on erilaisia IR-säteilijoitä, esimerkiksi sähköisiä säteilijöitä, valaisimia ja vastaavia, voidaan häiriöiden välttämiseksi käyttää moduloitua säteilyä. Kuvio 3 näyttää kaaviomaisesti, kuinka IR-valodiodi 33 ladataan paristosta 34 modulaattorin 35 kautta. Se voi olla jotakin tunnettua tyyppiä. Vastaanotin voidaan tällöin asentaa reagoimaan ainoastaan moduloituun, mieluiten pulssimoduloituun säteilyyn.

Kuvattua järjestelmää voidaan laajentaa siten, että useita IR-säteilylähteitä sijoitetaan eri paikkoihin huoneessa. Tällöin nämä voivat toimia eri tavoin moduloidulla säteilyllä. Suuremmasta sijaintitarkkuudesta saadun edun vastapainona on kuitenkin monimutkaisempi signaalien käsittely .

Lopuksi on olemassa vielä yksi muunnos tästä perustavaa laatua olevasta mittausperiaatteesta nimittäin, että va-lolähettimenä käytetään huoneessa jo olemassa olevaa valoa. Tämä merkitsee sitä, että valolähteitä voi olla useita. Varsinainen tiedonkäsittely on monimutkaisempaa, vaikka tässä yhteydessä on kyse yksinkertaisesta kuvien-käsittelystä, jota kutsutaan kuviontunnistamiseksi. Menetelmässä yhdistetään alunperin tallennettu valokuva ja senhetkinen valokuva kääntämisen (siirtymisen) ja kääntymisen avulla. Tällä tavalla laskettu kääntäminen ja kääntyminen vastaavat robotin liikkumista ja kääntymistä.

Esimerkki siitä, kuinka kuvienkäsittely voidaan suorittaa, kuvataan seuraavassa viitaten kuvioon 7. Kolmeksi valolähteeksi on merkitty LI, L2 ja L3. A osoittaa robotin sijainnin ajankohtana t , ja B sen sijainnin ajankohtana t^. Periaatteen havainnollistamiseksi valoherkkä matriisi on tässä yhteydessä piirretty yhtä suureksi kuin robotti. Tällä tavalla kuvanmuodostus käy paremmin ilmi. Linssi järjestelmän keskikohta suoraan matriisin yläpuo β 80803 lella on merkitty kirjaimella C. Valosäteistä on piirretty ne, jotka lähtevät kolmesta valolähteestä LI - L3 ja kulkevat linssikeskuksen C kautta ennen kuin ne saavuttavat matriisin, katso kuviota 2, josta käy ilmi, että linesikeskukeen kautta kulkevat valosäteet eivät taitu.

Kolmen valolähteen LI - L3 muodostama kolmio muodostuu nyt käänteisenä matriisille. Robotin sijainti A muodostaa kolmion AI, A2, A3 tässä käänteisessä kuvassa, ja sijainnissa B kolmio on B1, B2, B3.

Konkreettisemmin varsinainen kuvienkäsittely voidaan tehdä seuraavalla tavalla. Paikanmäärityksen jokaisessa sijainnissa on ensin saatava selville tietyt avaintiedot. Tapauksessa A ne ovat pisteiden AI, A2 ja A3 matriisin x-ja y-koordinaatit. Olettakaamme, että sijainti A on alkupiste. Nämä avaintiedot talletetaan mikroprosessoriin. Sijainnista B tallennetaan samalla tavalla pisteiden Bl, B2 ja B3 x- ja y-koordinaatit. Yksi tapa yhdistää nämä kaksi kuvaa on vertailla molempia koordinaattiryhmiä. Tällöin havaitaan, että pisteiden siirtyminen sijainnista ·; B sijaintiin A (Bl - AI, B2 - A2, B3 - A3) on suhteessa robotin siirtymiseen. TäBsä tapauksessa on tehty ainoastaan yksi varsinainen käännös periaatteen havainnollistamiseksi. Jos robotti on myös kääntynyt siirtyessään sijainnista A sijaintiin B, kääntyminen voidaan määritellä samalla tavalla.

Claims (4)

1. Sähköoptinen eijainnintunnistusjärjestelmä yhdessä tasossa liikkuvalle esineelle (11), etenkin liikkuvalle robotille, jossa ainakin yksi valolähde (10) on asennettu lähettämään valoa, jonka ottaa vastaan esineeseen asennettu valo-vastaanotin linssijärjestelmän (12) kautta, jolloin valolähde (10) on kiinteästi asennettu siten, että sen säteilykenttä kattaa koko sen alueen, jolla esineen (11) on tarkoitus liikkua, ja valovastaanotin sisältää matriisin (18), jossa on sä-teilyherkkiä elementtejä, joihin valolähteestä (10) tuleva valo linssi järjestelmässä (12) keskitetään valotäpläksi, ja valotäplän valaisemat säteilyherkät elementit on asennettu lähettämään vastaavia sähkösignaaleja, jonka lisäksi välineet (20, 21) on asennettu valvomaan matriisia (18) valotäplän sijainnin määrittelemiseksi sen elementin perusteella, joka selvimmin reagoi tulevaan säteilyyn, ja välineet (24) on asennettu laskemaan esineen sijainti suhteessa valolähteeseen, tunnettu siitä, että välineet (24) esineen sijainnin laskemiseksi on sovitettu matriisin (18) mainitun selvimmin reagoivan elementin sijainnin perusteella laskemaan ja ilmoittamaan esineen sijaintikoordinaatit polaarisessa muodossa, ja että lisäksi välineet on sovitettu esineen liikkuessa ennalta määriteltyyn suuntaan toistuvasti vertaamaan polaarisen kulmakoordinaatin jokaista arvoa lähimpään edelliseen arvoon, jolloin tarkoituksena on havaita ja korjata esineen mahdollinen kääntyminen suhteessa ennalta määriteltyyn suuntaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että esineen 1iikkumistaso sijaitsee huoneessa tai vastaavassa, jossa on katto (13), ja että säteilyherkkien elementtien matriisi (18) on asennettu ottamaan vastaan säteilyä useista huoneeseen sijoitetuista valolähteistä (LI, L2, L3), jolloin järjestelmä sisältää tallennuslaitteen, joka on asennettu tallentamaan sen kuvan (AI, A2, A3), jonka valolähteet antavat matriisiin, kun esine on alkupisteessä, ja lisäksi laitteen, joka on asennettu esineen siirtyessä liikku- ίο 80 803 mistasossa vertaamaan jokaista valolähteiden matriisille (16) muodostamaa hetkellistä kuvaa (Bl, B2, B3) alunperin tallennettuun kuvaan (AI, A2, A3) ja määrittelemään vertailun perusteella esineen hetkellisen sijainnin.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se sisältää laitteen, joka on asennettu vertaamaan valolähteiden (LI, L2, L3) hetkellistä kuvaa (Bl, B2, B3) alunperin tallennettuun kuvaan (AI, A2, A3) sen perusteella, kuinka hetkellinen kuva on siirtynyt ja kääntynyt suhteessa alunperin tailennetttuun kuvaan, minkä lisäksi laite on asennettu määrittelemään esineen hetkellinen sijainti tarvittavien siirtymismatkojen perusteella suhteessa kääntymiskulmaan.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että valolähteet muodostavat huoneen valaistukseen tarkoitetut valolähteet.