NO872021L - Posisjonsfoelersystem for bevegelig maal. - Google Patents

Abstract

Ved et elektro-optisk posisjonsfølersystem for en i et plan bevegelig gjenstand (11) er minst en lyskilde (10) fast anordnet på en slik måte at strålingsfeltet dekker det område innenfor hvilket gjenstanden (11) er innrettet til å bevege seg. Gjenstander som eksempelvis kan utgjøres av en mobil robot er forsynt med en matrise (18) av strålingsfølsomme elementer innrettet til å motta stråling fra lyskilden (10). En 1 i.tiseanordnirig (12) fokuserer den innfallende stråling-til en lysflekk på matrisen (18) som derved avgir motsvarende elektriske signaler. Der er anordnet organer (20, 21) for å avføle matrisen (18) for fastsettelse av lysflekkens posisjon ut i fra det element som entydig reagerer på den innfallende stråling. Videre er der anordnet organer (24) som ut i fra posisjonen for det sterkest reagerende element beregner koordinatene for den bevegelige gjenstands posisjon i bevegelsesplanet.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et elektro-optisk posisjonsfølersystem for et bevegelig mål, fortrinnsvis en mobil robot, av den art som er angitt i den innledende del av patentkrav 1.

For at en bevegelig robot skal kunne navigere selvstendig er det meget viktig at den alltid vet om sin egen posisjon med forholdsvis stor nøyaktighet. I et datalager i roboten finnes der derfor lagret et kart over det område som roboten skal bevege seg i. Et slikt kart kan f.eks. fremskaffes ved hjelp av en roterende ultralydradar. Ved refleksjon mot værelsesveggene og faste gjenstander kan områdets begrensnings1 injer og faste hindre innføres på kartet.

Foruten å ha kjennskap til områdets beskaffenhet i form

av det beskrivende kart, må roboten også kjenne til sin egen momentane posisjon i værelset eller rommet. Slik informasjon kan fremskaffes fra den nevnte radaranordning. Dette system har midlertid sin begrensninger og det er derfor verdifullt å få komletterende informasjon fra et paralellt, på en annen måte arbeidende system. En måte er at man ved hjelp av passende givere registrerer den strekning som roboten forflytter seg, såvel som bevegelsesretningen fra et gitt referansepunkt i rommet. Ulempen med et slikt system er at en akkumulert feil har en tendens til å opptre, noe som i alvorlig grad nedsetter nøyaktigheten for den posisjon som er bestemt for roboten.

Oppfinnelsen har til hensikt å avhjelpe den angitte mangel og fremskaffe et posisjonsfølende system som alene eller sammen med et avstandsmålende system kan komplettere det nevnte radarsystem. Hensikten oppnår man ved et system som oppviser de i patentkravene angitte særtrekk.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet nærmere i tilslutning til et utførelseseksmpel og under henvisning til de vedføyde

tegningsfigurer.

Fig. 1 viser skjematisk et elektro-optisk posisjonerings-system med fast monterte lyssendere og på en mobil robot anordnet lysmottager. Fig. 2 viser skjematisk en detalj ved lysmottageren i følge fig.l.

Fig. 3 er et blokkskjema over en lyssender.

Fig. 4 er et blokkskjema over elektronisk utstyr i lyssmottågeren. Fig. 5 er et diagram som gjengir det geometriske forhold som utnyttes ved posisjonsberegningen. Fig. 6 anskueliggjør bevegelsesområdet for roboten innlagt i et koordinatsystem, og gjengir hvordan en dreiningsfeil hos roboten blir korrigert.

Fig ... 7 viser et utførelseseksempel på tre lysekilder.

Det på fig. 1 anskueliggjorte posisjonsavfølende system innbefatter en fast montert lyssender (10) og en på en mobil robot (11) montert lysmottager (12). Lyssenderen (10) utgjøres av en lysdiode av IR-typen som er montert i eller på noe avstand fra taket (13) i et værelse hvor roboten skal bevege seg. Ved eksempelet er lysdioden montert på en i taket fast anordnet lampearmatur (14). Lysdioden er slik montert at strålingsfeltet blir rettet nedover, noe som innebærer at strålingsvinkelen er slik valgt at srålningsfeltet dekker det område som roboten skal forflylle seg i. Ved anvendelse av IR-lys får man den fordel at man i mottakeren kan maskere bort forstyrrende synlig lys ved hjelp av et enkelt IR-filter (15), se fig. 2.

Lysmottakeren (12) er anordnet på robotens overside og innbefatter en koveks linse (16) som fokuserer lyset fra lyskilden, representert av en stråle (17), på en plate (18), fig. 2, på hvilken der er anordnet en flerhet av lysfølsomme elementer. En passende platetype er benevnt CCD-array (Changed Coupled Device), og omfatter en matrise på 64 x 64 elementer eller totalt 4096 enheter. Funksjonsprinsippet for en slik CCD-plate er at alle elementer som har kapasitive egenskaper, opplades, hvoretter de ved belysning blir utladet. Ved måling av hvor langt utladningen er kommet, kan man for hvert element bestemme hvor stor stråling som er mottatt i løpet av en forutbestemt tid. Stillingen for den på platen fokuserte lysstråle som har form av en liten rund flekk, kan fastlegges ved bestemmelse av edt element som har mottatt mest stråling.

På fig. 4 er CCD-platen gjengitt i form av en blokk (19) som der er koblet X-dekodekretser (20) og Y-dekodekretser (21) til. Ved hjelp av disse kretser skaffes der informasjon om hvilket lyssfølsomt element som er sterkest aktivert av den innfallne IR-strålning og denne informasjon føres via ledninger (22, 23) til en mikrodator (24), ved viss hjelp man fastlegger X- og Y-koordinatene for robotens aktuelle posisjon. Denne mikrodator er via en ledning (25) koblet til en overordnet mikrodator (26), til hvilken også andre (ikke viste) paralellt arbeidene posisjonsavfølende systemer er tilsluttet.

I det der henvises til figurene 1 og 5 vil der nå bli gitt en kort redegjørelse for de geometriske forhold som gjelder ved det viste posisjonsavfølende system. Avstanden mellom værelsestaket (13) og gulvet som er betegnet med (27), er betegnet h(T). En typisk verdi på denne avstand er i Sverige 2,4 meter. Lyssenderen (10) har en avstand fra taket som er betegnet med h(S), mens mottageren (12) har en høyde over gulvet betegnet med h(R). Med de gitte definisjoner gjelder i følge figuren

Typiske verdier for h(R) er 50 cm og for h(S) 0-50 cm. Man antar en middelverdi for h(S) på 25 cm. Med disse typiske verdier blir h(N)0240-50-25=165cm. Under henvisning til figur 2 er h(F) definert som avstanden i mottageren fra linseplanet (28) til CCD-platen (18). Denne avstand er også den samme som linsens brennvidde eller fokal avstand. Man danner en approksimasjon ved å anta at innfallende lysstråler fra IR-lysdioden (10) er paralelle.

Videre antar man at den horisontale avstand mellom sentrum for linsen (16) og IR-lysdioden (10) er R, mens motsvarende horisontale avstand mellom linsens sentrum og lysflekken på CCD-platen (18) er r.

Fordi strålen (17) gjennom linsens sentrum ikke blir brutt, gjelder:

fordi de to markerte triangler med motsvarende sider er kongruendte. En annen forutsetning er at CCD-platen skal ligge i linsens fokalplan.

Ved normal robotbevegelse på en plant gulv er h(N) konstant. Fordi også h(F) alltid er konstant får man:

Vinkelen v defineres<p>å fig. 5 som vinkelen u. Derved gjelder at u + v = 90 grader.

Videre får man:

I en robot kan man ha en valgt geografisk oppløsning på 10 c, dvs. det kart som måtte finnes i lageret hos de ovverordnede mikrodator (26) har 10 cm mellom hvert geografisk koordinatpunkt i et x-y- koordinatsystem. Som angitt ovenfor motsvarer en rimelig størrelse på CCD-platen tolalt 4096 elementer. Under disse omstendigheter kan en firkantet flate på totalt 6,4 x 6,4 meter avspeiles i dette CCD-kartet. Sett fra origo, dvs. fra det punkt hvor IR-senderens loddlinje treffer gulvet kan + /- 3,2 meter gjengis i x-respektive y-retningen. Dette gir en total vinkel v i følge (4) ovenfor, oppover til v = arkustangens -p3 -g2-j- = ca 63 grader. Total oppløs-ningsvinkel for mottakeren blir 2 x v = 126 grader. Størrelsene r og h(F) i ligning (3) ovenfor er avhengig av størrelsen av CCD-platen.

Ved oppstarting må roboten først kalibrere sin IR-mottaker (12). Det foregår slik at roboten forflytter seg til et punkt der linsens sentreum i mottakeren (12) falelr sammen med loddlinjen for IR-senderen (v = 0 grader). Deretter forflytter roboten seg f.eks. en meter i en eller annen retning, hvorved motsvarende strekning måles utifrå de strekninger som robotens hjul (36) har rullet. Ved måling hvor mange elementer fra CCD-platens midtpunkt som lysflekken forflytter seg, kan men lett beregne konstanten i henhold til ovenstående ligning (3). Denne verdi av konstanten k andvendes deretter ved alle videre beregninger av de koordinater som bestemmer robotens aktuelle posisjon.

Det beskrevne posisjonsbestemmelsesprinsipp bygger på at roboten kjenner sin egen bevegelsesretning i forhold til veggene (29, 30, 31, 32) i det værelset som den beveger seg i, se fig. 6. En normal oppførsel for en robot, som f.eks. kan utgjøres av en automatisk støvsuger, er at den forflyttes paralellt med en av rommets vegger, ved eksempelet veggen (30), i en foroverrettet og bakover-rettet bevegelse henholdsvis A og B. Om derimot på grunn av sluring hos noen av robothjulene, roboten vrir seg slik at bevegelsesretningen eksempelvis blir som angitt ved C, oppstår en tilsvarende feil i CCD-kartet i IR-mottakeren (12) (feilvinkel p). Her kan den riktige vinkel (p = 0) gjensakffes ved at de rettvinklede koordinater for robotens posisjon omformes til polare koordinater (r, i CCD-kartets representasjon. Dette kan lett utføres i mikrodatoren (24). Dersom CCD-kartets koordinater er (x,y) for lysmaksimum fra IR-dioden, så gjelder i henhold til definisjonen for polare koordinater

I henhold til figur 6 er ® = p + m, hvor feilvinkelen p er den rette vinkel mot IR-senderen m. Ved at man via mikrodatoren (26) beordrer viridning av robotvinkelen p, oppnår man ønsket retningskorreksjon.

For å kunne utføre vridningskorreksjonen i følge ovennevnte, er det viktig at en ikke påtenkt vridning av roboten oppdages så snart som mulig. Mikrodatoren (26) kan derfor under bevegelsene A og B utføre sammenligninger mellom de påhverandre følgende beregningsvredier av vinkelkoordinaten fl) , og ved eventuelle avvik aktivere mikrodatoren (26) til å beordre korreksjon på den omtalte måte .

I et værelse med forskjellige IR-kilder, f.eks. elektrisk radiatorer, lamper o.l. kan man for å unngå forstyrrelser arbeide med modulert stråling. Fig. 3 viser skjematisk hvordan en IR-lysdiode (33) mates av et batteri (34) via en modulator (35). Denne kan være av en hvilken som helst kjent art. Mottageren kan derved utføres slik at den reagerer bare på modulert, fortrinnsvis pulsmodulert stråling.

Det beskrevne system kan økes slik at flere IR-strålnings-kilder plasseres på forskjellige steder i værelset. Disse kan da arbeide med på ulike måter modulert strålning. Fordelene av større plasseringsnøyaktighet motvirkes imidliertid av en mer kompleks signalbehandling.

Sluttelig finnes ytterligere en variant av dette grunnleggende holdeprinsipp, nemlig at man som lyssender anvender det lys som befinner seg i værelset. Det innebærer at der kan finnes en flerhet av lyskilder. Selve informasjonsbehandlingen blir mer kompleks fordi det her er tale om en enklere form for billedbehandling, kallt mønstergjenkjenning. Det gjelder å sammenholde et til å begynne med lagret lysbilde med de momentane lysbilder ved translasjon (forflyttning) og vridning. Den således beregnede translasjon og vridning motsvarer roborens bevegelse og dreining.

Et eksempel på hvordan billedbehandlingen kan finne sted, vil nå bli beskrevet under henvisning til figur 7. De tre lyskilder er betegnet (Li, L2 og L3). (A) betegner robotens posisjon ved tidspunktet (Tl) og B robotens posisjon ved tidspunktet (T2). For å anskueliggjøre prinsippet er den lysfølsomme matrise her tegnet likestor som roboten. Derved fremgår det dannede bilde bedre. Linsesystemets sentrum like ovenfor matrisen er betegnet med (C). Der er inntegnet lysstråler som utgår fra de tre lyskilder (L1-L3), og som passerer linsesentrum (C) før de når matrisen, se fig. 2, hvor det fremgår at lysstråler gjennom linsesentrum ikke avbøyes.

Det triangel som de tre lyskilder(L1-L3) utgjør, vil nå bli avbildet i speilvendt form på matrisen. I robotens stilling (A) utgjør triangelet (Al, A2, A3) denne speilvendte avbildning, og i stilling (B) er avbildningen lik triangelet (Bl, B2, B3).

Mer konkret kan selve billedbehandlingen finne sted på følgende måte. Ved hver stilling for posisjonsbestemmelse må man først få frem visse nøkkeldata. I tilfellet (A) gjelder det matrisens x- og y-koordinater for punktene (A, A2 og A3). Man antar at posisjon (A) er referanseposisjonen. Dennes nøkkeldata lagres i mikroprosessore. I stilling (B) lagres på samme måte x- og y- koordinatene for punktene (Bl, B2 og B3). En måte å nå sammenføre disse to bilder på, er å sammenligne de to grupper av koordinater. Da finner man at forflyttningen av punktene fra stilling (B) til stilling (A) (Bl-Al, B2-A2, B3-A3) er proporsonal med robotens forflyttning. I dette tilfelle er det bare utført en ren translasjon for anskueliggjøring av det foreliggende prinsipp. Dersom roboten under forflyttningen fra posisjon (A) til posisjon (B) også dreies, kan dreiningen bestemmes på lignende måte .

Claims (9)

1. Elektro-optisk posisjonsfølersystem for en gjenstand (11) som beveger seg i et plan, fortrinnsvis en mobil robot, i det minst en lyskilde (10) er fast anordnet og innrettet til å utsende lys som blir mottatt av en på gjenstanden anordnet lysmottaker via en linseanordning (12) , i det der er innrettet et organ (24) for å beregne gjenstandens posisjon i forhold til lyskilden, karakterisert ved at lyskilden (10) er slik anordnet at strålingsfeltet dekker hele det område innenfor hvilket gjenstanden (11) er innrettet til å bevege seg, og at lysmottageren omfatter en matrise av stålingsfølsomme elementer, mot hvilke fra lyskilden (10) innfallende lys av 1inseanordningen (12) blir fokusert til en lysflekk, slik at de strålingsfølsomme elementer som belyses av lysflekken, er innrettet til å avgi motsvarende elektriske signaler, samtidig som der er innrettet organer (20, 21) for avføling av matrisen (18) for å fastlegge lysflekkens posisjon ut i fra det element som entydig reagerer på den innfallende stråling, slik at organene (24) for beregning av gjenstandens posisjon er innrettet til ut i fra posisjonen av det nevnte, entydigst reagerende element i matrisen (18) beregner koordinatene for gjenstandens posisjon i bevegelsesplanet.

2. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at bevegelsesplanet utgjøres av gulvet i et værelse, i det lyskilden (10) er anordnet i eller på noe avstand fra væreisestaket (13).

3. System som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at lyskilden (10) utgjøres av en lysdiode av IR-typen.

4. System som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at matrisen (18) av lysfølsomme elementer utgjøres av en CCD-grupp

5. System som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at organene (24) for beregning av gjenstandens posisjonskoordinater, utgjøres av en mikrodator.

6. System som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at organene (24) for beregning av gjenstandens posisjonskoordinater er innrettet til å angi gjenstandens posisjon i polarform, mens organene er anordnet til under de forhold at gjenstanden beveger seg i en forutbestemt retning, gjentar sammenligningen av hver verdi av den polare vinkel-koordinat med den nærmeste foregående verdi i den hensikt å oppdatere og korrigere for eventuelle vridninger av gjenstanden i forhold til den forhåndsbestemte retning.

7. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at bevegelsesplanet for gjenstanden befinner seg i et værelse eller lignende med et tak (13) og at matrisen (18) av strålingsfølsomme elementer er innrettet til å motta stråling fra flere i værelset anordnede lyskilder (Li, L2, L3), i det systemet innbefatter lagringsorganer som er innrettet til å danne det blide av (Al, A2, A3) som lyskildene gir på matrisen når gjenstanden befinner seg i en referanseposisjon, samt at ytterligere organer er innrettet til under gjenstandens forflyttning i bevegelse-planet å sammenligne hvert momentanbilde (Bl, B2, B3) av lyskildene på matrisen (18) med det opprinnelig lagrede bilde (Al, A2, A3) og ut i fra sammenligningen å bestemme gjenstandens momentane posisjon.

8. System som angitt i krav 7, karakterisert ved at det innbefatter organer som er innrettet til å sammenligne de momentane bilder (Bl, B2, B3) av lyskildene (LI. L2, L3) med det opprinnelig lagrede (Al, A2, A3) ved forskyvning og vridning av det momentane bildet til overensstemmelse med det opprinnelig lagrede, i det organene er innrettet til ut i fra den nødvendige for-skyvningsstrekning respektive vridningsvinkel å bestemme gjenstandens momentane posisjon.

9. System som angitt i krav 7 eller 8, karakterisert ved at lyskildene utgjøres av lyskilder innrettet for vaerelsesbelysning.