Centrum pro rozvoj výzkumu pokročilých řídicích a senzorických technologií
MĚŘENÍ VELIČIN POHYBU V APLIKACÍCH MOBILNÍ ROBOTIKY
Ing. Tomáš Jílek, Ph.D. (VUT v Brně)
Obsah semináře
úvod metody měření a jejich principy aspekty nasazení komerčních rešení realizované projekty
Úvod a obecné základy
Veličiny pohybu tělesa
translační pohyb v jednotlivých osách pozice rychlost
zrychlení
rotační pohyb kolem jednotlivých os úhly
natočení – yaw(azimut), pitch, roll úhlové rychlosti úhlová zrychlení
Měření pohybu mobilních robotů
nejdůležitější je pozice a orientace (sebelokalizace) využití analýza
dynamiky pohybu mobilního robotu vizualizace robotu v mapě – informace pro operátora autonomie robotu – autonomní pohyb pro splnění cíle georeferencování měřených dat – tvorba map prostředí a vizualizace polí (ionizující záření, chemické znečištění)
Souřadnicové systémy
body frame navázaný
vehicle frame navázaný
na tělo senzoru na měřený objekt
local level frame navázaný
na zemský povrch platnost pro malé území
global frame navázaný
na zemský povrch platnost pro velké území
Globální souřadnicové systémy
způsoby aproximace Země koule,
rotační elipsoid, geoid
pro přesná měření je důležitý způsob jejich fixace k
Zeměkouli (WGS-84) k dané kontinentální desce (např. ETRS-89)
typy souřadnic zeměpisné kartézské
(polární vyjádření)
Měření veličin pohybu
možnosti přímého měření některých veličin jsou omezené často je nutné použít nepřímou metodu měření snímače jsou nepřesné a spolehlivě pracují jen v omezeném rozsahu pracovních podmínek v reálných aplikacích je nutné kombinovat více měřicích metod/principů pro získání vyhovujících výsledků (datová fúze)
Senzory a metody měření
globální družicové navigační systémy (GNSS) inerciální navigační systémy (INS) akcelerometry,
odometrie znalost
gyroskopy
kinematiky kolového podvozku
magnetometry laserové skenery a dálkoměrné kamery kamery pracující ve viditelném spektru
Měřicí principy a metody
GNSS
založen na měření vzdálenosti k družicím kódový
/ fázový způsob měření vzdálenosti
využívá i měření rychlosti pohybu od družic (Doppler) nižší frekvence měření (desítky Hz) absolutní metoda, nevyžaduje dodatečnou úpravu prostředí, vhodná jen pro vnější prostředí, po startu nutná inicializace primárně měří pozici v globálním souřadnicovém systému
GNSS
GPS, GLONASS, Galileo, Compass (Beidou-2) příjem možný ve více frekvenčních pásmech typy řešení pozice
pracovní mód
autonomní (~2 m) diferenciální – využívá korekcí pro kódové měření (~0,3 m) RTK – využívá korekcí pro fázové měření (~1/2 cm + 1 až 2 ppm)
referenční stacionární stanice (base station) referenční pohyblivá stanice (moving base station) mobilní měřicí přijímač (rover)
podpůrné rozšiřující systémy
SBAS – korekce distribuované z družic GBAS – korekce z pozemních referenčních stanic
RTK GNSS přijímač se dvěma anténami
konfigurace vhodná pro mobilní robotiku měření
3D pozice azimut + úhel roll/pitch
Získání korekčních dat z GBAS
vlastní referenční stanice sít referenčních stanic řešení
nejbližší stanice řešení virtuální stanice z nejbližších stanic
komerční provozovatelé CZEPOS,
VRS Now, TopNet
přenos dat GSM,
radiomodem, ~100 – 500 B/s
Družicové rozšiřující systémy (SBAS)
distribuce korekčních dat vyžívající geostacionární družice EGNOS
– služba určená pro zlepšení vlastností GPS v Evropě 0,5/1 m, zdarma Omnistar – celosvětová služba, nutná licence (území, období), až 5/10 cm StarFire – celosvětová služba, nutný proprietární přijímač, licence, až 5/10 cm
Gyroskop
měří úhlovou rychlost pohybu integrací úhlových rychlostí podle času možno získat úhly orientace růst
chyby úhlů orientace s časem
Akcelerometr
měří výslednici zrychlení, které na něj působí 2 režimy zpracování dat získání
orientace – ve stavech bez významné velikosti dynamického zrychlení, rozklad vektoru G úhly
pitch + roll nelze získat azimut pozice
– dvojí integrace zrychlení vyvolaného pohybem
Akcelerometr – translační pohyb
základní zpracování dat pro získání veličin translačního pohybu
IMU/AHRS/INS
IMU (Inertial Measurement Unit) pouze
AHRS (Attitude Heading Reference Unit) IMU
měřicí jednotka (akcelerometry + gyroskopy)
+ zpracování dat = kompletní orientace (3 úhly)
INS (Inertial Navigation Unit) AHRS
+ externí reference polohy kompletní navigační řešení pozice,
rychlost, zrychlení úhly orientace, úhlové rychlosti
vysoká obnovovací frekvence (stovky Hz)
AHRS
referencování úhlů pitch, roll z
akcelerometru
referencování úhlu yaw z
magnetometru z trajektorie pohybu získané z GNSS nutný
dvě
podvozek s holonomním omezením
GNSS antény
Magnetometr
pomocí tříosého magnetometru lze získat průmět vektoru intenzity magnetického pole Země do jednotlivých na sebe kolmých os problém závislosti inklinace (-65° v ČR) a deklinace (+5° v ČR) na zeměpisné poloze měření ovlivňováno magneticky měkkými i tvrdými materiály a elmg. rušením
Odometrie
princip výpočtu při pohybu z bodu A do bodu B
Kinematika podvozku
výpočty platné pouze pro daný typ podvozku nutná kalibrace konstant/funkcí modelu
Laserové skenování
měření vzdáleností překážek v jednotlivých měřených bodech hledání transformace (translace a rotace) mezi dvěma skeny minimalizace chybové funkce
řešení pomocí iteračních metod
suma vzdáleností mezi korespondujícími si body ICP, IMRP, IDC, atd.
bez známé mapy prostředí – dead-reckoning metoda se známou mapou prostředí – absolutní metoda
Vlastnosti metod - shrnutí
počet měřených os u jednotlivých veličin cílové prostředí – vnitřní/vnější měření v referencovaném souřadnicovém systému velikost pokrývané oblasti se zaručenou funkčností zpracování v reálném čase/postprocessing (ne)vyžadování modifikace prostředí (ne)vyžadování externí informace o prostředí schopnost vypořádat se s dynamickým prostředím pasivní/aktivní režim měření výpočetní náročnost – jednokrokový/iterační výpočet
Možnosti zpracování – shrnutí
Enkodéry – poloha kol (φ1,
φ2) → (x, y, α) →
y, α) ←
→ (vx, vy, ωα) →
𝑑𝑡
→ (ax, ay, εα)
ⅆ𝑡 ← (vx, vy, ωα) ← (ω1, ω2) →
(vx, vy, ωα) →
𝑑 𝑑𝑡
→ (ax, ay, εα)
Magnetometr – vektor intenzity magn. pole (Hx,
𝑑𝑡
𝑑
Tachodynamo – rychlost kol (x,
𝑑
Hy, Hz) → (|H|, α, β) →
𝑑 𝑑𝑡
→ (ωα, ωβ) →
𝑑 𝑑𝑡
→ (εα, εβ)
Gyroskop – úhlová rychlost (α,
β, γ) ← ⅆ𝑡 ← (ωα, ωβ, ωγ) →
𝑑 𝑑𝑡
→ (εα, εβ, εγ)
Možnosti zpracování – shrnutí
Akcelerometr – vektor celkového zrychlení (x,
y, z) ← ⅆ𝑡 ← (vx, vy, vz) ← ⅆ𝑡 ← (ax, ay, az)
(ax, ay, az)
GNSS – polohový vektor (x,
→ (|A|, α, β)
y, z) →
𝑑 𝑑𝑡
→ (vx, vy, vz) →
𝑑𝑡
→ (ax, ay, az)
Diferenciální GNSS – 2x polohový vektor (x1, y1, z1), (x2, y2, z2) 𝑑 → → (εα, εβ) 𝑑𝑡
𝑑
→ (|A|, α, β) →
𝑑 𝑑𝑡
→ (ωα, ωβ) →
Laserový skener – mračno bodů (|Mi,1|, λi,1, φi,1),
(|Mi,2|, λi,2, φi,2) → (x, y, z, α, β, γ)
Možnosti současných systémů
Důležité parametry systémů
obnovovací frekvence výstupních dat zpoždění výstupních údajů konektivita do nadřazeného systému CAN,
Ethernet, RS-232/485, USB
přesnost a pracovní podmínky pro její dosažení poskytované údaje (aktuální přesnost, atd.) koncepční řešení rozměry, hmotnost, spotřeba, cena options, licence, upgrade fw, servis, exportní omezení
Důležité parametry systémů
implementované zpracování umístění
přístroje na měřeném objektu odhad aktuální přesnosti
miniaturní x velké INS možnost integrace externích dat GNSS,
odometr, barometr, atd.
AHRS/INS
dostupná data surová
měřená data ze senzorů kalibrovaná a kompenzovaná data z senzorů výsledná data (např. úhly) po fúzi
vyjádření orientace Eulerovy
úhly, rotační matice, kvaternion
miniaturní – MEMS hmotnost:
desítky g, spotřeba: do 1 W, rozměry: cm
přesné – FOG/RLG hmotnost:
jednotky kg, spotřeba: desítky W, rozměry: dm
Trimble BD982
GPS + GLONASS + Galileo + Compass přijímač příjem ve třech frekvenčních pásmech dva anténní vstupy přesnost: 8/15 mm, 0,1° @ RTK doba výpočtu: <20 ms max. frekvence měření: 50 Hz hmotnost: 92 g spotřeba: 2,3 W rozměry 100 x 85 x 12 mm rozhraní: Ethernet, CAN, RS-232, UART
iMAR iTraceRT-F400E
kombinovaný systém INS/GNSS FOG gyroskop (0,75 °/h) servoakcelerometr (2 mg) GNSS karty s RTK režimem hradlové pole pro zpracování měřených dat procesorová deska pro externí komunikaci Ethernet, CAN, RS-xxx, USB
xSens MTi-G
kombinace GNSS (GPS) a IMU statická přesnost: <0,5° (roll/pitch), <1° (yaw) dynamická přesnost: <1° (RMS) rozlišení: 0,05° max. rychlost poskytování dat: 120/512 Hz přesnost polohy: 2,5 m (CEP)
Velodyne HDL-64E
počet laserů/detektorů: 64/64 počet měřených bodů: 1,3 milionu/s zorné pole: 360°/27° (horiz./vert.) limit měření vzdálenosti: 50 až 120 m frekvence měření: 5 až 15 Hz přesnost měření: 2 cm, 0,1° (1σ) vlnová délka laserů: 905 nm spotřeba: 30 W rozhraní: Ethernet 100M bit/s, RS-232
Klíčové aspekty volby systému
volba pracovních podmínek (otevřený terén, les, atd.) požadavky na přesnost měření veličin obnovovací frekvence real-time – zpoždění výpočtu, komunikace volba vhodného modelu zařízení vyšší
model nemusí umožňovat možnosti nižšího (např. Xsens)
Nasazení systému v aplikaci
časová synchronizace dat s ostatními systémy unifikace dat jednotný
vehicle frame pro všechny systémy
kompenzace
odchylek montáže měřicích zařízení specifické transformace body frame → vehicle frame jednotný
postup rotací při použití Eulerových úhlů totožný použitý výsledný souřadnicový systém totožný typ souřadnic (kartézské/polární)
inicializace a kalibrace systému po startu např.
je vyžadován přesný čas z GNSS
Závěr
současné pokročilé systémy umožňují dosáhnout vysokých přesností předměty současného výzkumu
zvýšení robustnosti měřicího systému rozšíření pracovních podmínek, ve kterých má systém vyhovující přesnost
nutná volba vhodného principu měření a zpracování pro danou aplikaci brát na vědomí slabá místa metod (např. EMI u RTK GNSS) malé kolové mobilní roboty
nejperspektivnější: spolehlivá RTK GNSS + levná INS + odometry
Děkuji za pozornost.
