RO126609A2 - Sistem de localizare pentru roboţi mobili şi vehicule autonome - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un sistem de localizare pentru roboţi mobili şi vehicule autonome, bazat pe balize active ultrasonore. Sistemul conform invenţiei cuprinde două subsisteme, dintre care unul este amplasat la sol, iar celălalt este aflat la bordul robotului. Subsistemul (1) de la sol este compus dintr-un număr de minimum două balize (12, 13) active, ultrasonore, şi un dispozitiv de secvenţiere (11), care activează balizele, în aşa fel încât una singură să fie în emisie la un moment dat; subsistemul (2) aflat la bordul robotului se compune din doi senzori (21, 22) care captează semnalul emis de balize (12, 13), un bloc (24) de măsură a timpului de propagare a semnalului sonor şi un bloc (25) de identificare a balizei pe baza unei informaţii conţinute în semnalele emise de balize, orientarea absolută a robotului fiind măsurată cu un girocompas sau cu o busolă electronică (23). Cunoscând coordonatele spaţiale ale balizelor (12, 13), orientarea relativă a acestora faţă de robot, precum şi orientarea absolută a robotului, un microcontroler (26) calculează coordonatele curente ale robotului.

Description

SISTEM DE LOCALIZARE PENTRU ROBOTI MOBILI SI VEHICULE

AUTONOME

Documente citate: US 5682313(A), US2004158354(A1)

Alte documente de referința:

[1] Borenstein J., Everett H. R., and Feng L., Where Am I. Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning, University of Michigan, 1996.

[2] Cohen C. and Koss F.V., A Comprehensive Study of Three Object Triangulation, Proceedings of the SPIE Conference on Mobile Robots, 1993

Domeniul tehnic al invenției

Prezenta invenție se refera la problema localizării roboților mobili, sau a vehiculelor autonome, definita ca proces de estimare a poziției curente a vehiculului, in raport cu o reprezentare interna (harta) a mediului, prin prelucrarea informației obținute de la un set de senzori specifici.

Localizarea este o subproblema distincta a navigației roboților autonomi.

Stadiul actual al tehnicii in domeniul localizării roboților mobili si vehiculelor autonome

Estimarea poziției curente este esențiala in orice proces de conducere a roboților autonomi si, din acest motiv, exista o mare varietate de soluții propuse in ultimii 20 de ani pentru rezolvarea acestei probleme. O prezentare cuprinzătoare a metodelor cunoscute de localizare este disponibila in [1].

Printre cele mai cunoscute metode de localizare se numără triangulatia, bazata pe masurarea poziției unghiulare relative a robotului mobil fata de un număr de (minim) trei repere fixe, identificabile de către senzorii de la bordul robotului, si a căror poziție este cunoscuta. Principalele soluții tehnice derivate din triangulatie sunt descrise in [2],

Problema detectării reperelor fixe de către senzorii aflati la bordul robotului este, in principiu, ușor de rezolvat folosind ca repere o serie de balize active, care emit semnale sonore, optice sau electromagnetice.

In schimb, problema identificării balizelor este mai dificila, iar soluțiile propuse se bazeaza fie pe folosirea unui canal secundar de comunicație (infrarosu, radio, microunde) care transmite date de identificare despre balize, ca in US 5682313 (A), fie pe un mecanism de sincronizare a transmisiei de la balize diferite, ca in US2004158354(A1).

OFICIUL DE STAT PENTRU INVENȚII Șl MĂRCI Cerere de brevet de invenție w_r A o^OO-9 lO^^oZ/

(χ-2 Ο Ο 9 - Ο 1 Ο 2 1 - Ο 4 -12- 2009 (

In toate soluțiile existente, prelucrarea informațiilor de la senzorii folosiți pentru localizare conduce la echipamente hardware relativ complexe si scumpe si la volume de calcule considerabile, care măresc dificultatea implementării componentelor software ale sistemelor de localizare.

Concluzia formulata de Borenstein et. al. in [1], este următoarea:

“Poate cel mai important rezultat obtinut prin analiza vastei literaturi disponibile in domeniul localizării roboților mobili este ca in prezent nu exista o soluție cu adevarat eleganta a problemei”

Descrierea succinta a invenției

Prezenta invenție descrie un sistem de localizare imbunatatit pentru roboti mobili si vehicule autonome, bazat pe detecția semnalelor ultrason emise de un număr de minim doua balize active.

Semnalele acustice emise de balize, au frecvente ultrasonore, in jurul valorii de 40KHz si sunt modulate in amplitudine cu un semnal DTMF (Dual Tone Multi Frecquency), de joasa frecventa, care conține informația necesara pentru identificarea balizelor. Codarea DTMF are avantajul unei forte bune imunități la perturbatii si interferențe.

La nivelul robotului mobil, semnalele acustice emise de balize sunt captate de doi senzori si sunt prevăzute circuite speciale pentru masurarea timpului de propagare a undei sonore pe distanta, cunoscuta, dintre cei doi senzori.

Pornind de la timpul de propagare a undei sonore intre cei doi senzori, un microcontroller calculează poziția unghiulara relativa (azimutul) balizei fata de robot.

In paralel, se extrage semnalul DTMF din unda sonora recepționată si se reconstituie din acesta informația de identificare a balizei active.

Orientarea absoluta a vehiculului se masoara independent cu un girocompas, sau cu o busola electronica.

Microcontrollerul de localizare fuzionează informația furnizata de girocompas si informația privind azimutul a cel puțin doua balize, ale căror coordonate sunt cunoscute, pentru a calcula coordonatele curente ale vehiculului.

Avantajele sistemului propus

- Folosește un singur canal, unidirecțional, pentru comunicația intre robotul autonom si balizele active, ceea ce conduce la reducerea costurilor si la creșterea imunității fata de perturbatii.

-2009-01021-0 4 -12- 2009

- Poate fi implementat folosind microcontrollere cu cost redus si cu consum redus de energie.

- Pe ansamblu, soluția propusa poate contribui la reducerea costurilor de producție a unor roboti de serviciu destinați, de exemplu, funcției de asistenți robotici personali pentru persoane in varsta sau cu diverse dizabilitati.

Descrierea succinta a desenelor

Figura 1 prezintă structura generala a sistemului.

Fugura 2 ilustrează principiul geometric al determinării poziției robotului R, in funcție de coordonatele balizelor B1, B2 si de unghiurile azimutale a,,a₂ale balizelor fata de orientarea curenta 6_R a robotului.

Figura 3 ilustrează principiul determinării orientării relative a balizei B fata de robot, cu ajutorul a doi senzori S1, S2, aflati la distanta a unul fata de celalat. Cu aceste notatii, azimutul balizei fata de robot se poate calcula cu relația (1) • ( a = arcsin --- (1) ( a ) unde c este viteza sunetului, iar Δί este timpul de propagare a sunetului pe distanta a, intre cei doi senzori.

Figura 4 prezintă structura unei balize active cu identificare DTMF.

Figura 5 prezintă circuitele pentru masurarea timpului de propagare a semnalului ultrasonor pe distanta dintre cei doi senzori de la bordul robotului.

Figura 6 prezintă schema logica a detectorului de precedenta a semnalelor DP.

Figura 7 prezintă circuitele folosite pentru extragerea informației de identificare a balizei din semnalul ultrasonor.

Descrierea detaliata a implementării preferate

Structura generala a sistemului este prezentata in figura 1. In aceasta configurație, echipamentul aflat la sol (1) cuprinde balizele active B1, B2 (12) si (13), precum si un dispozitiv de secventiere DS (11), care activeaza periodic transmitatoarele ultrason ale fiecărei balize in asa fel incat o singura baliza sa fie activa (in emisie) la un moment dat.

Echipamentul aflat la bordul robotului (2) cuprinde senzorii S1, S2 (21) si (22), blocul de măsură a timpului de propagare a semnalului intre cei doi senzori TPI (24), circuitele de extragere a codului de identificare asociat cu fiecare baliza, IB (25), dispozitivul pentru masurarea orientării absolute, MOA (23) si un microcontroller MC

^2009-01021-0 4 -12- 2009 (26), care prelucrează datele furnizate de restul circuitelor si calculează coordonatele poziției curente.

Structura unei balize active este prezentata in figura 4. Semnalul generat de oscilatorul OSC (41), cu frecventa de aproximativ 40KHz, este modulat in amplitudine de circuitul M.A. (43) cu semnalul de joasa frecventa generat de un generator DTMF (42), care conține codul unic de identificare a balizei, exprimat sub forma unui digit hexazecimal. Semnalele emise de balize sunt trenuri de impulsuri cu durata de aproximativ 100 milisecunde, urmate de o pauza de o secunda.

Semnalul modulat in aplitudine rezultat este amplificat de circutul (44) si aplicat unui traductor (45), care convertește energia electrica intr-o unda ultrasonora.

La nivelul robotului (figura 5), unda sonora generata de baliza este detectata cu ajutorul senzorilor (21) si (22). Semnalul electric generat de senzori este amplificat cu circuitele (51) si (52), filtrat de filtrele trece banda (53) si (54), apoi este convertit in impulsuri dreptunghiulare de formatoarele de impulsuri (55) si (56).

Masurarea timpului de propagare a semnalului sonor se face cu ajutorul numărătorului reversibil (58), care numără pe un ceas de referința REF. CLOCK, generat de microcontrollerul (26). Sensul de numărare este determinat de detectorul de precedenta DP (57), a cărui schema logica este prezentata in figura 6.

Acesta primește la intrare semnalele C1 si C2, generate de formatoarele de impulsuri (55) si (56), care sunt trenuri de impulsuri decalate in timp cu Δί - timpul de propagare al unei ultrasonore pe distanta dintre cei doi senzori.

Semnalele C1 si C2 sunt aplicate bistabililor (61) si respectiv (62). Stările bistabililor sunt decodificate de decodificatorul (63) impulsuri de validare pentru porțile AND (64) si (65), care generează ceasuri distincte de numărare directa si inversa pentru numărătorul reversibil (58).

Valoarea timpului de propagare a semnalului intre cei doi senzori este calculata de microcontrollerul (26) cu relația (2):

Δ/ = NT_ref (2) in care N este valoarea conținuta de numărătorul (58) la sfârșitul unui ciclu de măsură, iar T_ref este perioada ceasului de referința.

Cunoscând St, se poate calcula azimutul sursei de semnal in raport cu orientarea curenta a robotului, cu relația (1).

Un ciclu de măsură începe întotdeauna cu un semnal RESET, generat de microcontroller, care inițializează la zero numărătorul (58) si bistabilii (61) si (62) si se

λ- 2 Ο Ο 9 - Ο 1 Ο 2 1 - Ο 4 -12- 2009 încheie prin generarea unui semnal READY (63), care informează microcontrollerul ca numărătorul conține date valide.

Valorile pozitive ale parametrului N corespund unor valori pozitive ale azimutului sursei de semnal in raport cu orientarea curenta a robotului- in sens trigonometric.

In figura 7 este prezentat circuitul pentru extragerea informației de identificare a ablizei din semnalul recepționat de senzorul (22).

După amplificarea cu circuitul (52), semnalul este aplicat la intrarea unui demodulator AM (71) care extrage semnalul de joasa frecventa DTMF. Acesta este decodificat cu circuitul (72), care furnizează microcontrollerului (26) codul de patru biți al identificatorului balizei BEACON ID, insotit de un semnal de STROBE.

Claims (5)

1. REVENDICĂRI

   1. Un sistem de localizare care include:

   - un robot mobil, sau un alt vehicul autonom, care se poate deplasa intr-un spațiu determinat;

   - un număr de balize active, amplasate in mediu in poziții determinate, care emit la momente de timp controlate, semnale de referința sub forma unor unde ultrasonore,

   - cel puțin doi senzori, amplasați la bordul robotului, capabili sa detecteze undele ultrasonore emise de balize,

   - o unitate prevăzută cu un microcontroller pentru calculul orientării relative a balizelor fata de poziția curenta a robotului, bazate pe masurarea timpului de propagare a undei sonore pe distanta dintre senzori, caracterizat prin aceea ca:

   - informația de identificare a balizelor este codificata DTMF si transmisa folosind drept purtătoare chiar unda ultrasonora de referința;

   - sunt prevăzute circuite pentru extragerea informației de identificare a balizelor, prin decodificarea semnalului DTMF, modulat pe semnalul ultrasonor de referința
2. 2. Un sistem de localizare ca in revendicarea 1, care conține in plus un dispozitiv pentru masurarea orientării absolute, sub forma unui girocompas, sau a unei busole electronice, si/sau encodere pentru estimarea variațiilor de poziție si orientare intre doua determinări succesive ale poziției.
3. 3. Un sistem de localizare ca in revendicarea 1, in care semnelele de referința emise de balizele active sunt unde electromagnetice din spectrul microundelor.
4. 4. Un sistem de localizare ca in revendicarea 1, in care semnalele de referința emise de balizele active sunt semnale optice cu frecvente in spectrul infrarosu.
5. 5. Un sistem de localizare ca in revendicarea 1, care cuprinde in plus filtre Kalman pentru eliminarea zgomotului care afecteaza semnalele recepționate de la balize.