SE455539B - Elektrooptiskt positionskennande system for ett i plan rorligt foremal, foretredesvis en mobil robot - Google Patents

Description

455 539 blir riktat nedat, varvid stralningsvinkeln är sa vald att stralningsfältet täcker det omrade inom vilket roboten skall förflytta sig. Genom användningen av IR-ljus fas fördelen att man i mottagaren kan maskera bort störande synligt ljus med hjälp av ett enkelt lR-filter 15, fig. 2.

Ljusmottagaren 12 är anordnad pa robotens ovansida och innefattar en konvex lins 16 som fokuserar ljuset fran ljuskällan, representerat av en strale 17, på en platta 18, fig. 2, pa vilken en stor mängd ljuskänsliga element är anordnade. En lämplig typ av platta, benämnd CCD-array (Charged Coupled Device), innefattar en matris av 64 x 64 element eller totalt 4096 stycken. Funktionsprincipen för en sadan CCD-platta är den, att alla elementen, som har kapacitiva egenskaper, uppladdas, varefter de vid belysning urladdas. Genom att mäta hur langt urladdningen skett, kan man för varje element bestämma hur stor strålning som mottagits under en förutbestämd tid. Läget för den pa plattan fokuserade ljusstralen, som har formen av en liten rund fläck, kan fastställas genom bestämning av det element som erhållit mest strålning.

I fig. 4 aterges CCD-plattan med ett block 19 till vilket x-avkodningskretsar 20 och y-avkodningskretsar 21 är kopplade. Genom dessa kretsar erhalles information om vilket ljuskänsligt element som starkast aktiverats av den infallande'lR-stralningen och denna information föres via ledningar 22, 23 till en mikrodator 24 med vars hjälp x- och y-koordinaterna for robotens aktuella position fastställes. Denna mikrodator är via en ledning 25 kopplad till en överordnad mikrodator 26, till vilken även andra ej visade, parallellt arbetande positionskännande system är anslutna.

Under hänvisning till fig. 1 och 5 skall nu en kort redogörelse ges för de geometriska förhållanden som gäller vid det visade positíonskännande systemet. Av- standet mellan rummets tak l3.och dess golv, som betecknas 27, benämneshfl). Ett typiskt värde pa detta avstand är i Sverige 2,40 meter. Ljussändarens 10 avstand fran taket betecknas h(S) medan mottagarens 12 höjd över golvet betecknas h(R). Med de givna definitionerna gäller enligt figuren hm = ma) + hm) + h <1) Typiska värden för h(R) är ca 50 cm och för h(S) 0 - 50 cm. Antag ett medelvärde pa h(S) om 25 cm. Med dessa typiska värden blir h(N)= 240-50-25: 165 cm. Med hän- visning till fig. 2 definieras h(F) som avstandet i mottagaren fran linsplanet 28 till CCD-plattan 18. Detta avstand är ocksa detsamma som linsens brännvidd eller fokal- avstand. En approximation göres genom att infallande ljusstralar fran IR-lysdioden 10 antages vara parallella. ' Det antages vidare att det horisontella avstandet mellan linsens 16 centrum och IR-lysdioden 10 är R medan motsvarande horisontella avstand mellan linsens centrum och ljusfiäckefi ps CCD-plattan 18 är r. ' 455 539 Da stràlen 17 genom linsens centrum inte brytes gäller: ß) = bli) (2) R r eftersom de bada markerade trianglarna med motsvarande sidor är kongruenta. En annan förutsättning är att CCD-plattan skall ligga i linsens fokalplan.

Vid normal robotrörelse pa ett plant golv är h(N) konstant. Da dessutom h(F) alltid är konstant fås: R=kxr (3) där k = ä = konstant Vinkeln v definieras i fig. 5 liksom vinkeln u. Därvid gäller att u + v = 90 grader.

Vidare fas: _ R (4) tan V -FCQ eller v = arctan R HN) I en robot kan man ha en vald geografisk upplösning av 10 cm, dvs. den karta som maste finnas i den överordnade mikrodatorns 26 minne har 1D cm mellan varje geografisk koordinatpunkt i ett x-y-koordinatsystem. Som ovan angivits motsvarar en rimlig storlek pa CCD-plattan totalt 4096 element. Under dessa omständigheter kan en fyrkantig yta av totalt 6,4 x 6,4 m avspeglas i denna CCD-karta. Sett fran origo, dvs. den punkt där IR-sändarens lodlinje träffar golvet, kan f 3,2 meter aterges i x- respektive y-riktning. Detta ger en total vinkelv enligt (4) ovan uppgående till v=arctan 1-3-:625 =ca 63 grader. Totala öppningsvinkeln för mottagaren blir 2x v=l26 grader. Storheternar och h(F) i formel (3) ovan är beroende av CCD- plattans storlek.

Vid uppstartning maste roboten först kalibrera sin lR-mottagare 12. Det gar till så att roboten förflyttar sig till 'en punkt där linsens centrum i mottagaren 12 sammanfaller med IR-sändarens lodlinje (v=0grader). Sedan förflyttar sig roboten exempelvis en meter i nagon riktning, varvid motsvarande sträcka uppmätes utifrân de sträckor som robotens hjul 36 rullat. Genom att mäta hur manga element fran CCD-plattans mittpunkt som ljusfläcken förflyttats kan lätt konstanten-k beräknas enligt formeln (3) ovan. Detta värde pa konstanten k användes sedan vid alla fortsatta beräkningar måla koordjnafter som bestämmer robotens aktuella position.

Den beskrivna positionsbestämningsprincipen bygger pa att roboten känner sin egen rörelseriktning i förhållande till väggarna 29, 30, 31, 32 i det rum i vilket den rör sig, fig. 6. Ett normalt beteende för en robot, som exempelvis kan utgöras av en självgående dammsugare, är att den förflyttas parallellt med en av rummets väggar, i exemplet väggen 30, i fram- och atergaende rörelser A, B. Om därvid på grund av 455 539 slirning hos nagot av robotens hjul denna vrider sig sa att rörelseriktningen blir exempelvis den vid C angivna, uppkommer ett motsvarande fel i IR-mottagarens 12 CCD-karta (felvinkeln p). Här kan den rätta vinkeln (p = D) aterskapas genom att de rätvinkliga koordinaterna för robotens position omvandlas till polära koordinater (R, “P ) i CCD-kartans representation. Detta kan lätt utföras i mikrodatorn 24.

Om (x, y) är CCD-kartans koordinater för ljusmaximum fran IR-dioden sa gäller enligt definitionen för polära koordinater R: VXZ-f-yz (p = arctan š Enligt fig. 6 är CP = p+m, där felvinkeln är p och den rätta vinkeln mot IR- sändaren m. Genom att via mikrodatorn 26 beordra vridning av roboten vinkeln P fas önskad riktningskorrektion.

För att kunna utföra vridningskorrektionen enligt ovan är det viktigt att oavsiktlig vridning av roboten snarast upptäckas. Mikrodatorn 24 kan därför under rörelserna A ochB utföra jämförelser mellan pa varandra följande beräkningsvärden pa vinkel- koordinaten (f och vid uppkommande avvikelser aktivera mikrodatorn 26 att beordra korrektion pa det beskrivna sättet.

I ett rum med olika IR-stralare, exempelvis elektriska radiatorer, lampor och liknande, kan man för att undvika störningar arbeta med modulerad strålning. F ig. 3 visar schematiskt hur en lR-lysdiod 33 matas från ett batteri 34 via en modulator 35.

Denna kan vara av nagot känt slag. Mottagaren kan därvid utföras att reagera enbart pa modulerad, företrädesvis pulsmodulerad strålning.

Det beskrivna systemet kan utökas sa att flera IR-stralningskällor placeras pa olika platser i rummet. Dessa kan da arbeta med pa olika sätt modulerad stralning.

Fördelen av större lägesnoggrannhet motverkas dock av en mer komplex signal- behandling. _ Slutligen finnes ytterligare en variant av denna grundläggande mätprincip, nämligen att man som ljussändare använder befintligt ljus i rummet. Detta innebär att det kan finnas ett flertal ljuskällor. Själva informationsbehandlingen blir mera komplex, da det här mera handlar om en enklare form av bildbehandling, kallad mönster- igenkänhing. Det gäller att sammanföra en initialt lagrad ljusbild med den ñrmentana ljusbilden genom translation (förflyttning) och vridning. Den sålunda framräknade translationen och vridningen motsvarar robotens rörelse och vridning.

Ett exempel pa hur bildbehandlingen kan ga till skall nu beskrivas under hänvisning till fig. 7. De tre ljuskällorna benämnas Ll, L2 och L3. A betecknar robotens position vid tiden tl och B dess läge vid tidpunkten t2. För att askadliggöra principen har den ljuskänsliga matrisen här ritats lika stor som roboten. Härigenom framgar bildskapandet 455 539 bättre. Linssystemets centrum rakt ovanför matrisen betecknas med C. Ljusstralar har ritats ut som utgar fran de tre ljuskällorna Ll - L3 och som passerar linscentrum C innan de nar matrisen, se fig. 2, där det framgar att ljusstralar genom linscentrum ej avböjes.

Den triangel som de tre ljuskällorna Ll - L3 utgör kommer nu att avbildas i spegelvänd form pa matrisen. I robotens lägeA utgör triange1nAl,A2, A3 denna spegelvända avbildning, i läge B är det triangeln Bl, B2, B3.

Mera konkret kan själva bildbehandlingen ga till pa följande sätt. Vid varje läge för positionsbestämning maste man först fa fram vissa nyckeldata. l fallet A gäller det matrisens x- och y-koordinater för punkterna Al, A2 och A3. Antag att lägetA är referensläget. Dessa nyckeldata lagras av mikroprocessorn. I läge B lagras pa samma sätt x- och y-koordinaterna för punkterna Bl, BZ och B3. Ett sätt att nu sammanföra dessa tva bilder är att jämföra de bada grupperna av koordinater. Da finner man att förflyttningen av punkterna i läge B till läge A (Bl - Al, B2 - A2, B3 - A3) är pro- portionelljmot robotens förflyttning. I detta fall är endast en ren translation utförd för att askadliggöra principen. Om roboten under förflyttningen fran läget A till läget B även vridits kan vridningen bestämmas pa likartat sätt.

Claims (9)

455 539 b Patentkrav
1. l. Elektro-optiskt positionskännande system för ett i ett plan rörligt föremal (11), företrädesvis en mobil robot, varvid minst en ljuskälla (10) är fast anordnad och inrättad att utsända ljus som mottages av en pa föremalet anordnad ljusmottagare via en linsanordning (12), varjämte organ (24) är inrättade att beräkna föremalets position i förhållande till ljuskällan, k ä n n e t e c k n a t därav, att ljuskällan (10) är sa anordnad att dess stralningsfält täcker hela det område inom vilket föremålet (11) är avsett att röra sig och att ljusmottagaren innefattar en matris (18) av stralningskänslíga element mot vilken fran ljuskällan (10) infallande ljus av linsanordningen (12) fokuseras till en ljusfläck, varvid de av de stralningskänsliga elementen som belyses av ljusfläcken är inrättade att avge motsvarande elektriska signaler, varjämte organ (20,21) är inrättade att avkänna matrisen (l8) för att fastställa ljusfläckens position utifran det element som entydigast reagerar pa den infallande strålningen, varvid organen (24) för beräkning av föremalets position är inrättade att utifran positionen för det nämnda, entydigast reagerande elementet i matrisen (18) beräkna koordinaterna för föremalets position i rörelseplanet. _
2. 2. System enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t därav, att rörelseplanet utgöres av golvet i ett rum, varvid ljuskällan (10) är anordnad i eller pa nagot avstand fran rummets tak (13).
3. 3. System enligt patentkravet 1 eller 2 , k ä n n e t e c k n a t därav, att ljuskällan (10) utgöres av en lysdiod av IR-typ.
4. 4. System enligt nagot av föregaende patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att matrisen (18) av ljuskänsliga element utgöres av en CCD-array.
5. 5. System enligt nagot av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att organen (24) för beräkning av föremalets positionskoordinater utgöres av en mikrodator.
6. 6. System enligt nagot av föregaende patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att organen (24) för beräkning av föremalets positionskoordinater är inrättade att angiva dessa i polär form, varjämte organ är anordnade att under det att föremålet rör sig i en förutbestämd riktning upprepat jämföra varje värde pa den polära vinkelkoordinaten med närmast föregående värde i syfte att upptäcka och korrigera för eventuell vridning av föremalet relativt den förutbestämda riktningen.
7. 7. System enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att rörelseplanet för föremålet är beläget i ett rum eller dylikt med ett tak (13) och att matrisen (18) av stralningskänsliga element är inrättad att mottaga strålning fran flerabi rummet anordnade ljuskällor (L1,L2,L3), varvid systemet innefattar lagringsorgan inrättade att lagra den bild (Al,A2,A3) som ljuskällorna ger pa matrisen när föremålet befinner sig i en referensposition och vidare organ inrättade att under föremalets förflyttning i rörelseplanet jämföra varje momentan bild (Bl,B2,B3) av ljuskällorna pa matrisen (18) 1-1, du , ,f, 455 539 med den ursprungligen lagrade bilden (Al,A2,A3) och utifrân jämförelsen bestämma föremàlets momentana position.
8. 8. System enligt patentkravet 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att det innefattar organ inrättade att jämföra den momentana bilden (Bl,B2,B3) av ljuskällorna (Ll,L2,L3) med den ursprungligen lagrade (Al,A2,A3) genom förskjutning och vridning av den momentana bilden till överensstämmelse med den ursprungligen lagrade, varjämte organ är inrättade att utifrân den erforderliga förskjutningssträckan respektive vridnings- vinkeln bestämma föremâlets momentana position.
9. 9. System enligt patentkravet 7 eller 8, k ä n n e t e c k n a t därav, att ljuskällorna utgöres av för rummets belysning avsedda ljuskällor.