RU139571U1 - DEVICE FOR ORIENTATION AND NAVIGATION OF A MOBILE ROBOT TROLLEY WHEN MOVING IT ON A HORIZONTAL SURFACE IN A SPECIFIED ROOM - Google Patents
DEVICE FOR ORIENTATION AND NAVIGATION OF A MOBILE ROBOT TROLLEY WHEN MOVING IT ON A HORIZONTAL SURFACE IN A SPECIFIED ROOM Download PDFInfo
- Publication number
- RU139571U1 RU139571U1 RU2013156490/28U RU2013156490U RU139571U1 RU 139571 U1 RU139571 U1 RU 139571U1 RU 2013156490/28 U RU2013156490/28 U RU 2013156490/28U RU 2013156490 U RU2013156490 U RU 2013156490U RU 139571 U1 RU139571 U1 RU 139571U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- robot
- movement
- trolley
- distance sensors
- ultrasonic distance
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Manipulator (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
Устройство ориентации и навигации тележки мобильного робота при его перемещении по горизонтальной поверхности в заданном помещении в отсутствие других динамически перемещающихся объектов, выполненное с возможностью установки на тележку мобильного робота с электромоторами, содержащее датчики расстояния и электронный блок памяти, вычислений и управления датчиками и движением тележки, отличающееся тем, что устройство включает в себя: четыре ультразвуковых датчика расстояния, расположенных на тележке мобильного робота с учетом возможности измерения расстояния до предметов и стен в помещении в четырех взаимно перпендикулярных направлениях по направлению движения робота, а именно: вперед, назад, вправо и влево; электронный блок памяти, вычислений и управления ультразвуковыми датчиками расстояния и движением тележки; выходы ультразвуковых датчиков расстояния, выполненные с возможностью подключения ко входам электронного блока памяти, вычислений и управления ультразвуковыми датчиками расстояния и движением тележки; выходы электронного блока памяти, вычислений и управления ультразвуковыми датчиками расстояния и движением тележки, выполненные с возможностью подключения входов устройств запуска ультразвуковых датчиков расстояния на измерение расстояния и устройств блока электромоторов тележки; в память электронного блока памяти, вычислений и управления ультразвуковыми датчиками расстояния и движением тележки заложена геометрическая карта-план помещений, содержащая номера всех помещений, доступных для робота, их геометрические размеры, а именно длину и ширину, и координаты проходов между помещеA device for orienting and navigating a mobile robot carriage when moving along a horizontal surface in a given room in the absence of other dynamically moving objects, configured to install a mobile robot car with electric motors on a carriage, comprising distance sensors and an electronic memory unit for calculating and controlling sensors and carriage movement, characterized in that the device includes: four ultrasonic distance sensors located on the trolley of a mobile robot, taking into account the possible awn measure the distance to objects and walls in the room in four directions perpendicular to the direction of movement of the robot, namely: forward, backward, right and left; electronic unit for memory, calculation and control of ultrasonic distance sensors and trolley movement; outputs of ultrasonic distance sensors, configured to connect to the inputs of an electronic memory unit, calculate and control ultrasonic distance sensors and the movement of the trolley; outputs of the electronic block of memory, calculations and control of ultrasonic distance sensors and the movement of the trolley, made with the possibility of connecting the inputs of the triggering devices of ultrasonic distance sensors to measure the distance and devices of the block of electric motors of the trolley; In the memory of the electronic unit for memory, calculations and control of ultrasonic distance sensors and the movement of the trolley, a geometric map-plan of the premises is contained, containing the numbers of all rooms available for the robot, their geometric dimensions, namely the length and width, and the coordinates of the passages between the room
Description
Техническое решение относится к робототехнике, а именно - к устройствам навигации и определения местоположения тележки мобильного робота в плоских декартовых координатах при перемещении тележки робота по горизонтальной поверхности в заданном помещении коридорно-комнатного типа.The technical solution relates to robotics, namely, to navigation devices and determining the location of a mobile robot carriage in flat Cartesian coordinates when moving the robot carriage on a horizontal surface in a given room of a corridor-room type.
В современной робототехнике одной из актуальных задач является задача разработки способов и устройств автономной «интеллектуальной» навигации роботов. При автономном передвижении робот должен уметь определять свое местоположение на карте местности с заданной точностью и осуществлять управление своим движением без участия человека. Поэтому, актуальной является разработка специализированных «умных» устройств и программных средств, осуществляющих навигацию мобильных роботов. Согласно известному определению, данному в энциклопедическом интернет-ресурсе «Википедия», навигация - это процесс управления некоторым объектом, имеющим собственные методы передвижения, в определенном пространстве передвижения. Чтобы осуществлять такое управление, роботу необходимо иметь указание цели движения, некий алгоритм осуществления движений, карту местности, очерчивающую возможные пути передвижения, а также устройство, способное определять ориентацию робота и его текущее местоположение на карте. В общем случае такая задача сегодня полностью не решена, и единого, универсального способа и устройства для ориентации и навигации мобильного автономного робота в любом возможном пространстве перемещений пока не создано.In modern robotics, one of the urgent tasks is the task of developing methods and devices for autonomous “intelligent” navigation of robots. With autonomous movement, the robot must be able to determine its location on the map with a given accuracy and to control its movement without human intervention. Therefore, the development of specialized “smart” devices and software tools for navigating mobile robots is relevant. According to the well-known definition given in the Wikipedia Internet encyclopedic resource, navigation is the process of managing some object that has its own methods of movement in a certain space of movement. In order to carry out such control, the robot must have an indication of the purpose of the movement, a certain algorithm for performing movements, a map of the area outlining possible ways of movement, and also a device capable of determining the orientation of the robot and its current location on the map. In the general case, this problem has not been completely solved today, and a single, universal method and device for orienting and navigating a mobile autonomous robot in any possible space of movements has not yet been created.
Данное техническое решение предназначено для решения одного из частных случаев этой общей задачи - случая перемещения мобильного робота в помещении коридорно-комнатного типа (квартира, офис, больничные палаты и т.п.) по горизонтальной поверхности одного этажа в отсутствие динамически перемещающихся других объектов (людей, механизмов) в поле зрения робота.This technical solution is intended to solve one of the particular cases of this general problem - the case of moving a mobile robot in a room-type room (apartment, office, hospital wards, etc.) on the horizontal surface of one floor in the absence of dynamically moving other objects (people , mechanisms) in the field of view of the robot.
Сегодня известно много способов и устройств для автономной ориентации и навигации мобильных роботов и робототехнических автоматизированных систем (автокаров, автомобилей и т.п.) в пространстве. Широко известен, например, способ ориентации и навигации с использованием систем спутниковой связи - Глонасс, GPS и др. (см. Бобровский, С.Н. Навигация мобильных роботов // Журн. PC Week. - 2004. - №9. - С. 60-63). Однако гражданским организациям доступны GPS-приемники, способные определять местоположение объекта только с погрешностью около 5 м, не точнее, что неприемлемо в условиях бытовых, больничных и/или офисных помещений с соизмеримыми линейными размерами.Today, there are many methods and devices for the autonomous orientation and navigation of mobile robots and robotic automated systems (autocars, cars, etc.) in space. It is widely known, for example, the method of orientation and navigation using satellite communication systems - Glonass, GPS, etc. (see Bobrovsky, S.N. Navigation of mobile robots // Journal. PC Week. - 2004. - No. 9. - C. 60-63). However, civilian organizations have access to GPS receivers capable of determining the location of an object only with an error of about 5 m, not more precisely, which is unacceptable in the conditions of domestic, hospital and / or office premises with comparable linear dimensions.
Известно устройство, сочетающее в себе лазерный сканер и систему GPS навигации для уточнения координат положения объекта в координатной сетке GPS (заявка US 2006106533). Лазерный сканер работает по принципу лазерного локатора и время от времени уточняет координаты робота в сетке GPS. Однако это устройство очень дорогое по стоимости, тяжелое и сложное по своей конструкции и, кроме того, оно не обеспечивает определения угла поворота тележки робота в пространстве координат, не содержит карты местности, т.е. не может привязать местоположение робота к плану помещения, а система GPS часто не работает внутри помещений. Поэтому, в целом, данное устройство не применимо внутри помещений.A device is known that combines a laser scanner and a GPS navigation system to clarify the coordinates of the position of an object in the GPS coordinate grid (application US 2006106533). The laser scanner works on the principle of a laser locator and from time to time updates the coordinates of the robot in the GPS grid. However, this device is very expensive in cost, heavy and complex in its construction and, in addition, it does not provide for determining the angle of rotation of the robot cart in the coordinate space, does not contain a map of the area, i.e. cannot link the location of the robot to the floor plan, and the GPS system often does not work indoors. Therefore, in general, this device is not applicable indoors.
Известно также устройство, основанное на использовании только одного лазерного сканера-локатора (патент US 4918607), работающего по принципу определения расстояния по запаздыванию обратно отраженного оптического сигнала. Лазерный сканер-локатор размещается на вращающейся платформе на поверхности тележки робота и сканирует все пространство вокруг робота во время его движения, определяя расстояние до отражающих свет объектов на пути движения робота. Но это устройство тоже очень дорогое по стоимости, не содержит карты местности и имеет дополнительный существенный недостаток, связанный с невозможностью получить нужный по мощности обратно отраженный световой сигнал от черных поверхностей и зеркальных поверхностей, расположенных под углом к оси сканирующего луча лазера. Более того, луч лазера и/или его отражение во время движения робота могут попасть в глаз человека, что недопустимо с точки зрения техники безопасности. Поэтому данное устройство также малоприменимо в условиях бытовых, больничных и/или офисных помещений.It is also known a device based on the use of only one laser scanner-locator (US patent 4918607), operating on the principle of determining the distance from the delay of the backward reflected optical signal. The laser locator scanner is located on a rotating platform on the surface of the robot cart and scans the entire space around the robot during its movement, determining the distance to light-reflecting objects in the path of the robot. But this device is also very expensive in cost, does not contain a terrain map and has an additional significant drawback associated with the inability to obtain the required back-reflected light signal from black surfaces and mirror surfaces located at an angle to the axis of the scanning laser beam. Moreover, the laser beam and / or its reflection during the movement of the robot can get into the human eye, which is unacceptable from the point of view of safety. Therefore, this device is also not applicable in the conditions of domestic, hospital and / or office premises.
Известны и более безопасные методы и устройства локации - методы и устройства, основанные на использовании ультразвуковых локаторов и систем пассивного технического зрения (видеокамер).Safer methods and devices of location are also known - methods and devices based on the use of ultrasonic locators and passive vision systems (video cameras).
Известно устройство мобильного робота (патент RU 274543), на самодвижущейся тележке которого установлен приемник и передатчик ультразвукового сигнала для обнаружения препятствия на пути движения робота. Но это устройство только определяет наличие препятствия по линии движения робота и не определяет местоположения робота в координатах карты местности. Отсутствует у робота и собственно карта местности для навигации его движения, поэтому такой робот просто будет передвигаться по свободным от препятствий проходам методом произвольного блуждания, как это делает большинство известных домашних роботов-пылесосов.A device of a mobile robot is known (patent RU 274543), on a self-propelled cart of which a receiver and an ultrasonic signal transmitter are installed to detect an obstacle in the way of the movement of the robot. But this device only determines the presence of an obstacle along the line of movement of the robot and does not determine the location of the robot in the coordinates of the terrain map. The robot also does not have a terrain map for navigating its movement, therefore such a robot will simply move along the obstacle-free passages by the random walk method, as most well-known home vacuum cleaner robots do.
Известны также Ультразвуковой технологический мобильный робот (свидетельство на полезную модель RU 5541) и система управления мобильным роботом (патент на полезную модель RU 83858), которые содержат набор ультразвуковых датчиков с приемниками и излучателями ультразвука. Однако эти системы очень дороги, т.к. их предложенная конструкция и алгоритм обработки сигналов требуют применения сложных узлов для обеспечения ориентации робота - блока когнитивной графики, блока базы данных и блока оценки произвольного контура в случае Ультразвукового робота по свидетельству RU 5541, а также нейронной сети-классификатора с блоком нечеткой логики и электронным компасом в случае системы управления мобильным роботом по патенту RU 83858.Also known are the Ultrasonic technological mobile robot (certificate for utility model RU 5541) and the mobile robot control system (patent for utility model RU 83858), which contain a set of ultrasonic sensors with receivers and emitters of ultrasound. However, these systems are very expensive because their proposed design and signal processing algorithm require the use of complex nodes to ensure the orientation of the robot - a cognitive graphics unit, a database unit and an arbitrary loop evaluation unit in the case of an Ultrasonic robot according to the certificate of RU 5541, as well as a neural network-classifier with a fuzzy logic unit and an electronic compass in the case of a mobile robot control system according to patent RU 83858.
С использованием системы пассивного технического зрения известен способ корректировки курса мобильного робота на основе устройства для определения текущего местоположения робота (патент RU 2210492), которое содержит обзорную телекамеру с видеоплатой, подсоединенной к компьютеру для распознавания базовых знаков на потолке. Изобретение позволяет определять местоположения робота по базовым знакам на потолке, т.е. определять его примерное нахождение в той или иной части помещения, а также корректировать направление его движения при обнаружении препятствия. Недостаток этого способа и устройства - необходимое дополнительное размещение на потолках помещений специальных знаков, что не позволяет использовать робот в неподготовленном помещении. Кроме того, данный способ и устройство не позволяют вычислять декартовы координаты робота и его угол поворота на карте местности.Using a passive vision system, a method is known for adjusting the course of a mobile robot based on a device for determining the current location of the robot (patent RU 2210492), which contains an overview camera with a video card connected to a computer for recognizing basic characters on the ceiling. The invention allows to determine the location of the robot by the basic signs on the ceiling, i.e. determine its approximate location in a particular part of the room, as well as adjust the direction of its movement when an obstacle is detected. The disadvantage of this method and device is the necessary additional placement of special signs on the ceilings of the premises, which does not allow the robot to be used in an unprepared room. In addition, this method and device do not allow to calculate the Cartesian coordinates of the robot and its angle of rotation on the map of the area.
Наиболее близким по своим эксплуатационным характеристикам к заявляемому техническому решению является способ визуального контроля ориентации тележки мобильного робота при его перемещении по горизонтальной поверхности в заданном помещении, изложенный в описании к патенту на изобретение RU 2307730. Этот способ реализуется следующим образом. На тележке мобильного робота устанавливается на одной высоте два различных источника излучения (лампочки). На горизонтальной поверхности местности, по которой ожидается передвижение робота, создается система неподвижных реперных точек и неподвижно устанавливается видеокамера. Для каждой реперной точки на матрице изображения видеокамеры определяется усредненное точечное изображение источника излучения. По изображениям текущих положений источников излучения по мере движения робота вначале определяют ближайшие к ним изображения реперных точек, не лежащих на одной прямой, по которым затем производят интерполирование положений источников излучения в плоской системе координат, а также определяют угловое положение тележки мобильного робота. Это изобретение обеспечивает автоматическое уточненное определение плоских декартовых координат и углового положения тележки мобильного робота при его перемещении по горизонтальной поверхности в заданном помещении.The closest in its operational characteristics to the claimed technical solution is a method for visually controlling the orientation of a mobile robot carriage when moving it on a horizontal surface in a given room, described in the description of patent for invention RU 2307730. This method is implemented as follows. Two different radiation sources (bulbs) are mounted on the trolley of a mobile robot at the same height. On the horizontal surface of the terrain where the robot is expected to move, a system of fixed reference points is created and a video camera is fixedly mounted. For each reference point on the image matrix of the video camera, an average point image of the radiation source is determined. From the images of the current positions of the radiation sources as the robot moves, first determine the images of the reference points that are not lying on one straight line, which then interpolate the positions of the radiation sources in a flat coordinate system, and also determine the angular position of the mobile robot carriage. This invention provides automatic accurate determination of the flat Cartesian coordinates and the angular position of the mobile robot carriage when moving along a horizontal surface in a given room.
Недостатком этого способа является то, что необходимо создание специальных реперных точек в помещении, а видеокамера не размещена на тележке робота, т.е. использование робота возможно только в одной специально подготовленной комнате в поле зрения видеокамеры, либо все помещения, доступные для движения роботу, необходимо оснащать реперными точками и видеокамерами, что дорого и требует прокладки дополнительных коммуникаций (проводов связи видеокамер с компьютером, кабелей питания видеокамер и т.п.).The disadvantage of this method is that it is necessary to create special reference points in the room, and the video camera is not placed on the robot trolley, i.e. the use of the robot is possible only in one specially prepared room in the field of view of the video camera, or all rooms accessible for movement by the robot must be equipped with reference points and video cameras, which is expensive and requires the installation of additional communications (wires connecting the cameras to the computer, power cables for the cameras, etc.) P.).
В соответствии с этим поставлена задача, направленная на устранение всех вышеуказанных недостатков. Авторами предлагается недорогое, безопасное и мобильное решение для устройства ориентации и навигации тележки мобильного робота при его перемещении в заданном помещении по горизонтальной поверхности, которое могло бы располагаться полностью на тележке мобильного робота, которое не использует опасное лазерное излучение, не требует создания в помещениях никаких дополнительных реперных точек, маяков, разметок, знаков, но функционально позволяет с заданной точностью, достаточной для практического применения, с учетом возможных погрешностей измерения каждого датчика определять координаты робота на карте местности и его угловое положение в случае потери ориентации.In accordance with this, the task is set to eliminate all the above disadvantages. The authors propose an inexpensive, safe and mobile solution for the device of orientation and navigation of the mobile robot cart when it is moving in a given room on a horizontal surface, which could be located completely on the mobile robot cart that does not use hazardous laser radiation, does not require any additional premises fixed points, beacons, markings, signs, but functionally allows with a given accuracy sufficient for practical use, taking into account possible errors measurement methods of each sensor, determine the coordinates of the robot on the map of the area and its angular position in case of loss of orientation.
Предлагаемое устройство схематично показано на Фиг. 1. Предлагаемое устройство 1, размещаемое на тележке мобильного робота 2 с электромоторами 2а и 3б, содержит 4 стандартных и недорогих ультразвуковых датчика расстояния 4а, 4б, 4в, 4г, например, типа HCSR04 (см. Product User's Manual «Ultrasonic Sensor HCSR04» / Cytron Technologies Sdn. Bhd., Skudai, Malaysia, цена в 2013 г. около 5 USD за датчик), расположенных на тележке мобильного робота (сокращенно - тележке робота) с учетом возможности измерения расстояния до предметов и стен в помещении в 4-х взаимно перпендикулярных направлениях по направлению движения робота - вперед, назад, вправо, влево. Также предлагаемое устройство 1 содержит электронный блок памяти, вычислений и управления ультразвуковыми датчиками расстояния и движением тележки (сокращенно - бортовой компьютер) 5, в который заложена геометрическая карта-план помещений и алгоритм управления перемещением робота. Выходы ультразвуковых датчиков расстояния выполнены с возможностью подключения ко входам бортового компьютера 5а, а выходы бортового компьютера 5б выполнены с возможностью подключения входов устройств управления ультразвуковыми датчиками, а именно устройств запуска датчиков на измерение, и устройств блока электромоторов тележки, также управляемых по командам с бортового компьютера. Геометрическая карта-план помещений при этом содержится в блоке памяти компьютера и представляет собой список объектов - комнат и коридоров помещений - с присвоенными им характерными отличительными признаками: условными номерами (названиями), геометрическими размерами - шириной (W) и длиной (L) каждого помещения в метрах, номером соседнего помещения с которыми данное помещение соединено входом, а также левыми {X;Y}L и правыми {X;Y}R координатами входа в помещение относительно декартовых осей X и Y, расположенных по двум примыкающим друг к другу стенкам помещения - передней (X) и левой (Y) соответственно.The proposed device is shown schematically in FIG. 1. The proposed
Принцип формирования геометрической карты-плана помещений и принимаемая система координат для них поясняются на Фиг. 2 на примере двух помещений - коридора и комнаты (любое другое количество помещений, их другая конфигурация и геометрия легко обобщаются и реализуются на основе этого примера по аналогии). Каждое помещение - комната 1 и коридор 2 - имеют свою систему координат {X1;Y1} и {X2;Y2}, а также свою ширину и длину {W1,L1} и {W2,L2} соответственно. Проход 3 из коридора 2 в комнату 1 задается координатами {X1LY1=0}L, и {X1R;Y1=0}R в системе координат комнаты 1, которые могут быть легко пересчитаны и в систему координат коридора 2, т.к. известны ширина коридора W2 и смещение D1-2 координаты {X1=0} относительно {X2=0}. Комната и коридор могут дополнительно содержать мебель 4, координаты которой на карте не задаются. Тележка робота, содержащая предлагаемое устройство 5 в начальный момент времени осуществляет свое движение, например, по коридору 2 вправо со скоростью V. При этом в оперативной памяти бортового компьютера предлагаемого устройства в качестве текущей переменной местоположения выступает номер помещения, в котором оно находится (номер 2 в данном случае), а длина (L2) и ширина (W2) этого помещения известны устройству из карты-плана помещений. Предлагаемое устройство при движении тележки робота работает и реализует свои функции следующим образом. В случае простого прямолинейного движения тележки робота, содержащей предлагаемое устройство (Фиг. 3) бортовой компьютер постоянно в цикле выдает сигнал запуска измерений на каждый датчик и опрашивает все свои датчики, получая информацию о расстояниях до стен вперед (rf), назад (rb), вправо {rr) и влево (rl). Поскольку каждое измерение ri не может быть выполнено абсолютно точно и обычно содержит некоторую погрешность (неточность) измерений Δri текущие координаты тележки робота в системе координат {X2;Y2}для уменьшения ошибки ориентации определяются как среднее арифметическое по результатам 2-х измерений:The principle of forming a geometric map-plan of the premises and the adopted coordinate system for them are explained in FIG. 2 by the example of two rooms - a corridor and a room (any other number of rooms, their other configuration and geometry are easily generalized and implemented on the basis of this example by analogy). Each room -
1-е измерение: ,1st dimension: ,
где Δrb и Δrr - возможные (типовые) погрешности измерений расстояний назад (b) и вправо (r) (определяются при испытаниях тележки робота, содержащей предлагаемое устройство);where Δr b and Δr r are the possible (typical) errors of measuring the distances back (b) and to the right (r) (they are determined during testing of a robot carriage containing the proposed device);
2-е измерение:2nd dimension:
, ,
где Δrl и Δrf - возможные (типовые) погрешности измерений расстояний вперед (f) и влево (l) (также определяются при испытаниях тележки робота, содержащей предлагаемое устройство);where Δr l and Δrf are the possible (typical) errors of measuring the distances forward (f) and to the left (l) (also determined by testing a robot carriage containing the proposed device);
и усреднение:and averaging:
. .
При этом дополнительно в каждом цикле измерений контролируются соотношения:In addition, in each measurement cycle, the ratios are controlled:
, ,
где ΔL2 и ΔW2 - допустимые погрешности измерений геометрических размеров помещений (задаются разработчиком робота). Проверка условий (5) и (6) постоянно «подтверждает» тележке робота ее местоположение на карте - факт нахождения в коридоре 2 с геометрическими размерами L2 и W2 с учетом возможных погрешностей измерений. Размерами самого робота в данном алгоритме пренебрегаем. Считаем, что все расстояния датчиками определяются с учетом известных габаритов робота, т.е. все расстояния отсчитываются от центра масс робота.where ΔL 2 and ΔW 2 are the permissible errors in measuring the geometric dimensions of the premises (set by the robot developer). Checking conditions (5) and (6) constantly “confirms” the robot cart its location on the map - the fact of being in
Далее, если роботу требуется перейти в помещение 1, то в один из моментов времени своего движения он окажется в положении справа от прохода (Фиг. 4). Проход в рамках описания принципа работы данного технического решения предполагается всегда свободным, т.е. дверь отсутствует. В этот момент времени показания боковых ультразвуковых датчиков расстояния предлагаемого устройства в сумме перестанут удовлетворять условию (6). Это произойдет даже в случае, если справа от устройства по «глухой» стене окажется какой-либо небольшой предмет-препятствие 4d, меняющий показания rr, как это показано на Фиг. 4. Все равно сумма расстояний rr и rl окажется много больше ширины коридора W2±ΔW2. Это будет означать, что согласно карте местности слева от тележки робота обнаружен проход в помещение 1. В этом случае предлагаемое устройство запоминает текущие величины расстояний rr=r1∗ и rl=r2∗, поворачивает тележку с роботом влево на 90° так, что становятся верными вместо них значения rb=r1∗ и rf=r2∗ и центрует свое положение по оси X по центру прохода, основываясь на известных из карты местности координатах прохода {X1L;Y1=0}L и {X1R;Y1=0}R в системе координат комнаты 1, а также на известном из карты смещении начала координат системы {X1;Y1} относительно системы {X2;Y2}. Координата X2 робота в этом случае будет определяться простым соотношением:Further, if the robot needs to go to
После этого тележка с роботом 5 въезжает в помещение 1 на глубину S (Фиг. 5), предлагаемое устройство контролирует и определяет глубину S по показаниям rb и rf аналогично алгоритму по формулам (1)-(4), а именно:After that, the carriage with the
S определяется как среднее арифметическое из двух измерений:S is defined as the arithmetic mean of two dimensions:
1-е измерение: ,1st dimension: ,
где (rb±Δrb) - текущий результат измерений расстояния назад;where (r b ± Δr b ) is the current measurement result of the distance back;
2-е измерение: 2nd dimension:
где (rf+Δrf) - текущий результат измерений расстояния вперед;where (r f + Δr f ) is the current measurement result of the distance forward;
и усреднение: .and averaging: .
Сам момент пересечения линии прохода 3 определяется тележкой робота, содержащей предлагаемое устройство 5, по резкому уменьшению, а затем резкому увеличению показаний боковых ультразвуковых датчиков расстояний - в момент пересечения прохода они в сумме покажут его ширину. В этот момент времени координата Y1 тележки робота в системе координат комнаты 1 принимается равной нулю (принимается Y1=0) и запоминаются показания rb=r3∗ и rf=r4∗.The moment of crossing the line of
Следующим этапом предлагаемому устройству необходимо определить значение своей координаты Y1, т.к. в данном примере только из смещения S за счет наличия мебели 4a и 4d (см. Фиг. 5) нельзя прямо вычислить координату Y1, а значение координаты XI уже известно из условия входа тележки с роботом 5 в комнату 1 прямо по центру прохода 3, т.е. из (7) прямо следует:The next step, the proposed device must determine the value of its coordinate Y1, because in this example, only from the offset S due to the presence of
. .
Предложенное техническое решение позволяет легко выполнить и эту операцию. Координата YI тележки с роботом, которая «вошла» в комнату за счет смещения S, определяется снова как среднее арифметическое из двух измерений и вычислений:The proposed technical solution makes it easy to perform this operation. The YI coordinate of the trolley with the robot, which “entered” the room due to the displacement S, is defined again as the arithmetic mean of two measurements and calculations:
1-е измерение: ,1st dimension: ,
где (rb±Δrb) - текущий результат измерений расстояния назад в положении S;where (r b ± Δr b ) is the current measurement result of the distance back in position S;
1-е измерение: ,1st dimension: ,
где (rf±Δrf) - текущий результат измерений расстояния вперед в положении S;where (r f ± Δr f ) is the current measurement result of the forward distance in position S;
и усреднение: .and averaging: .
Далее предлагаемому устройству необходимо проверить размеры комнаты 1 по показаниям ультразвуковых датчиков расстояния и сравнить их с известными значениями из карты по аналогии с проверкой соотношений (5) и (6), чтобы убедиться, что оно действительно находится в нужном помещении - в комнате 1. Однако может оказаться, что сзади, спереди и/или сбоку от тележки с роботом, как показано на Фиг. 5, находятся еще и другие предметы мебели или другие препятствия/предметы, не позволяющие в этом положении тележке с роботом сразу измерить размер помещения с заданной точностью. Тогда тележка с роботом 5 начинает поворачиваться вокруг своей оси, например, вправо на угол φ, как это показано на Фиг. 6 и Фиг. 7, производя измерения и вычисляя размер комнаты из простых геометрических формул. Сравнивая вычисленные размеры с известными из карты размерами в зависимости от угла поворота робота можно рано или поздно, проводя сканирования с несколькими разными углами φ, получить совпадение с размерами из карты с заданной точностью, если тележка с роботом действительно находится в выбранном помещении с номером 1 (размеры помещений 1 и 2 не совпадают), или не получить совпадений никогда, если тележка с роботом находится в другом помещении - помещении 2. Здесь при сканировании по углу φ может быть несколько вариантов измерения расстояний, изображенных, например, на Фиг 6 и Фиг. 7 и, соответственно, несколько вариантов вычислений. Однако все эти варианты очевидны, набор их конечен, поэтому все вычисления для всех вариантов легко могут быть выполнены бортовым компьютером предлагаемого устройства, базируясь на школьном курсе геометрии, т.е. практическая применимость данного алгоритма очевидна. Например, для Фиг. 6 ширина комнаты, определяемая какFurther, the proposed device must check the size of
, ,
где φ-θ=90°, даст правильный результат в пределах допустимой заданной погрешности ΔW1. Для Фиг. 6. длина комнаты, определяемая какwhere φ-θ = 90 °, will give the correct result within the allowable specified error ΔW 1 . For FIG. 6. room length, defined as
даст правильный результат в пределах допустимой заданной погрешности ΔL1.will give the correct result within the allowable specified error ΔL 1 .
В случае наличия препятствия на пути какого-либо направления измерений, размеры, вычисленные с помощью этого направления, окажутся несовпадающими с размерами помещения, указанными на карте. В этом случае принимается решение о номере комнаты по вычислениям по другим размерам, либо тележка робота поворачивается на другой угол, проводя новые вычисления под новым углом, до получения надежных совпадений, либо до полного своего поворота вокруг оси на 360°. В последнем случае, если не удалось получить при полном повороте достоверных совпадений ни в каких измерениях, делается вывод об ошибке текущего номера помещения.If there is an obstacle in the path of any direction of measurement, the dimensions calculated using this direction will not coincide with the dimensions of the room indicated on the map. In this case, a decision is made on the room number according to calculations for other sizes, or the robot carriage is rotated to a different angle, performing new calculations at a new angle, until reliable matches are obtained, or until its rotation around the axis by 360 ° is complete. In the latter case, if it was not possible to obtain reliable matches in any measurements with a complete turn, a conclusion is made about the error of the current room number.
Этот же алгоритм простых геометрических расчетов позволяет тележке робота 5, если она «потеряла» ориентацию, полностью определить заново свои координаты (x,y) и угол поворота (φ) в любом помещении, зная только номер помещения, в котором она находится, и его линейные геометрические размеры (ширину W и длину L) (Фиг. 8). Это выполняется по следующему алгоритму.The same algorithm of simple geometric calculations allows the trolley of the
На основании показаний ультразвуковых датчиков расстояния составляется функция ошибки E(x,y,θ), определенная для каждой точки комнаты и каждого угла поворота робота φ с учетом φ+θ=90°. Функция ошибки представляет собой сумму квадратов отклонений показаний датчиков rf, rb, rr, rl от истинных расстояний до стен Rf, Rb, Rr, Rl по направлениям измерений:Based on the readings of ultrasonic distance sensors, an error function E (x, y, θ) is compiled, determined for each room point and each angle of rotation of the robot φ, taking into account φ + θ = 90 °. The error function is the sum of the squares of the deviations of the readings of the sensors r f , r b , r r , r l from the true distances to the walls R f , R b , R r , R l in the measurement directions:
. .
Истинные расстояния до стен определяются из общих геометрических соотношений следующим образом:The true distances to the walls are determined from the general geometric relationships as follows:
, ,
где I[a,b](θ) - индикатор множества [a,b] такой, что:where I [a, b] (θ) is an indicator of the set [a, b] such that:
где Z - множество всех целых чисел.where Z is the set of all integers.
Далее одним из известных численных методов, например, методом градиентного спуска (см. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985.), находится минимум функции ошибки по (17) при каком-то конкретном наборе координат. Эти координатыNext, one of the known numerical methods, for example, the gradient descent method (see Gill F., Murray W., Wright M. Practical optimization. Transl. From English. - M .: Mir, 1985.), is the minimum of the error function by ( 17) for some specific set of coordinates. These coordinates
и являются решением задачи определения координат тележки робота в любой заданной комнате с помощью предложенного устройства.and are the solution to the problem of determining the coordinates of the robot cart in any given room using the proposed device.
Таким образом, предложенное техническое решение функционально позволяет с заданной точностью, достаточной для практического применения, определять координаты тележки робота на карте местности и ее угловое положение при перемещении тележки робота по горизонтальной поверхности в заданном помещении коридорно-комнатного типа.Thus, the proposed technical solution functionally allows, with a given accuracy, sufficient for practical use, to determine the coordinates of the robot cart on the map and its angular position when moving the robot cart on a horizontal surface in a given room of the corridor-room type.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013156490/28U RU139571U1 (en) | 2013-12-19 | 2013-12-19 | DEVICE FOR ORIENTATION AND NAVIGATION OF A MOBILE ROBOT TROLLEY WHEN MOVING IT ON A HORIZONTAL SURFACE IN A SPECIFIED ROOM |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013156490/28U RU139571U1 (en) | 2013-12-19 | 2013-12-19 | DEVICE FOR ORIENTATION AND NAVIGATION OF A MOBILE ROBOT TROLLEY WHEN MOVING IT ON A HORIZONTAL SURFACE IN A SPECIFIED ROOM |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU139571U1 true RU139571U1 (en) | 2014-04-20 |
Family
ID=50481411
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013156490/28U RU139571U1 (en) | 2013-12-19 | 2013-12-19 | DEVICE FOR ORIENTATION AND NAVIGATION OF A MOBILE ROBOT TROLLEY WHEN MOVING IT ON A HORIZONTAL SURFACE IN A SPECIFIED ROOM |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU139571U1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107206810A (en) * | 2015-01-30 | 2017-09-26 | 惠普发展公司,有限责任合伙企业 | Mobile printing |
RU178222U1 (en) * | 2017-03-15 | 2018-03-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Mobile robot |
RU2669200C2 (en) * | 2014-06-05 | 2018-10-09 | Софтбэнк Роботикс Юроп | Obstacle detection device with crossing planes and method of detecting thereby |
RU2670826C1 (en) * | 2017-08-24 | 2018-10-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования " Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Method and mobile robot device for passing closed contours and labyrinths |
RU2708287C1 (en) * | 2017-04-25 | 2019-12-05 | Бейджин Сяоми Мобайл Софтвэре Ко., Лтд. | Method and device for drawing room layout |
-
2013
- 2013-12-19 RU RU2013156490/28U patent/RU139571U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669200C2 (en) * | 2014-06-05 | 2018-10-09 | Софтбэнк Роботикс Юроп | Obstacle detection device with crossing planes and method of detecting thereby |
US10481270B2 (en) | 2014-06-05 | 2019-11-19 | Softbank Robotics Europe | Device for detecting an obstacle by means of intersecting planes and detection method using such a device |
CN107206810A (en) * | 2015-01-30 | 2017-09-26 | 惠普发展公司,有限责任合伙企业 | Mobile printing |
US10052883B2 (en) | 2015-01-30 | 2018-08-21 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Mobile printing |
RU178222U1 (en) * | 2017-03-15 | 2018-03-28 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Mobile robot |
RU2708287C1 (en) * | 2017-04-25 | 2019-12-05 | Бейджин Сяоми Мобайл Софтвэре Ко., Лтд. | Method and device for drawing room layout |
RU2670826C1 (en) * | 2017-08-24 | 2018-10-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования " Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Method and mobile robot device for passing closed contours and labyrinths |
RU2670826C9 (en) * | 2017-08-24 | 2018-11-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования " Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Method and mobile robot device for passing closed contours and labyrinths |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20210154840A1 (en) | Movement Planning For Autonomous Robots | |
RU139571U1 (en) | DEVICE FOR ORIENTATION AND NAVIGATION OF A MOBILE ROBOT TROLLEY WHEN MOVING IT ON A HORIZONTAL SURFACE IN A SPECIFIED ROOM | |
JP2020509500A (en) | Control method of autonomous mobile robot | |
US20200233061A1 (en) | Method and system for creating an inverse sensor model and method for detecting obstacles | |
US20230064071A1 (en) | System for 3d surveying by an autonomous robotic vehicle using lidar-slam and an estimated point distribution map for path planning | |
Zaki et al. | Microcontroller-based mobile robot positioning and obstacle avoidance | |
Beom et al. | Mobile robot localization using a single rotating sonar and two passive cylindrical beacons | |
Andersen et al. | Navigation using range images on a mobile robot | |
CN116629106A (en) | Quasi-digital twin method, system, equipment and medium for mobile robot operation scene | |
Khurana et al. | An improved method for extrinsic calibration of tilting 2D LRF | |
Yee et al. | Autonomous mobile robot navigation using 2D LiDAR and inclined laser rangefinder to avoid a lower object | |
Shioya et al. | Minimal Autonomous Mover-MG-11 for Tsukuba Challenge– | |
JP2019113934A (en) | Moving body | |
KR20230082885A (en) | Performance evaluation methods and perfromace evaluation system for autonomous driving robot | |
US10990104B2 (en) | Systems and methods including motorized apparatus for calibrating sensors | |
Almanza-Ojeda et al. | Occupancy map construction for indoor robot navigation | |
Park et al. | Multilevel localization for mobile sensor network platforms | |
Xu et al. | Sensor fusion and positioning of the mobile robot LiAS | |
JP2021114222A (en) | Robot system and method of estimating its position | |
US20240151837A1 (en) | Method and system for calibrating a light-curtain | |
JP7369375B1 (en) | Management support system for buildings or civil engineering structures | |
Hsia et al. | Motion guidance of mobile robot using laser range finder | |
Bhave et al. | Automating the Operation of a 3D-Printed Unmanned Ground Vehicle in Indoor Environments | |
CN111966109B (en) | Inspection robot positioning method and device based on flexible direct current converter station valve hall | |
Hyun et al. | The use of laser structured light for 3D surface measurement and inspection |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20161220 |