Mobilszerkezetek mechatronikája Gépészeti rész: Elektronikai rész:
(Dr. Ruszinkó)
Motorvezérlés: üzemanyag befecskendezés vezérlése Menetvezérlés: kipörgésgátlás, csúszásgátlás.
. . .
- Járműmechatronika-
(Kerekes)
Navigációs rendszerek:
(Nagy)
-lokalizáció, GPS, parkolás. Ütközésgátlás,… -Intelligens navigációs rendszerek.
Navigációval kapcsolatos alapfogalmak Kitűzendő célok: robotpilóta (sofőr), emberi felügyelettel. Lokalizáció:
Navigáció:
Használatos érzékelők:
•Pozícionálás
•Lokális pályatervezés
•Odométerek
•Relatív (odométerek)
•Parkolás
•Abszolút (lokalizáció) •Globális pályatervezés •Lokalizálás
•Radar, Lidar rendszerek •Giroszkópok
•Navigációs berendezések •GPS vevők
•Trianguláció •Trilateráció •GPS lokalizálás •Modell illesztéses
Intelligens navigációs rendszer •Az amerikai ITS infrastruktúra •Digitális térképek •AVL technikák •GPS DR szenzorfúzió •Fejlődési irányok
Alapvető távolságmérési eljárások TOF mó módszer:
Fáziseltolá ziseltolásos mó módszer:
Egy megjelölt hullám repülési sebességéből kerül kiszámolásra az akadálytól (ami visszaveri a megjelölt hullámot) mért távolság.
A visszavert hullám fáziseltolásából kerül kiszámolásra az akadálytól mért távolság
1 d v.t ; 2
4d c c d ; (ha ) d ; 4 f 4f Ahol:
Ahol: d – a számolt távolság t- repülési idő v – sebesség (hang / fény)
- fázistolás d – a számolt távolság - hullámhossz f- frekvencia c - fénysebesség
Pozícionálás Relatív:
x (i ) ; tf dx x dt ; dt t0
RENDSZERES hibák
SZTOCHASZTIKUS hibák Egyenetlen talaj
Különböző kerékátmérő A valós kerékátmérő Váratlan akadály a talajon különbözik a névlegestől Kerékcsúszás: •csúszós padló A valós tengelytávolság •gyorsulás, kanyar különbözik a névlegestől •külső erőbehatás •kerék és a padló érintkezése nem egyenletes,… Rossz kerék-geometria (összefutás/átmérő) Véges kódtárcsa felbontás Véges mintavételezés a kódolóról
Pozícionálás Abszolút (lokalizáció): (Helyzetünk meghatározása egy –vagy több ismert pozícióhoz képest) •Mesterséges, illetve természetes markerektől való helymeghatározás •Természetes markerek: A környezet kiemelkedő pontjai
•Mesterséges markerek: Világító tornyok, GPS műholdak, rádió-telefon jelátjátszó tornyok, ….
Háromszögelés Trilateráció: A pozíciót három jeladótól mért távolság alapján számítjuk ki.
Trianguláció: A három jeladót különböző szögek alatt látjuk (1, 2, 3). A pozíció a három szög adataiból kerül kiszámításra. (olcsó, de rotációs mérőfejet igényel)
Háromszögelés Trianguláció 2 markertől:
Trianguláció 3 markertől:
A két marker (ebben az esetben aktív jeladók) pozíciója P1, P2, és amit keresünk, a robot pozíciója X, (illetve X’, mivel csak két markertől mértünk). Amennyiben d1, d2, a markerektől mért távolságok, és P1 az origóban van, P2 pedig az (a,0) koordinátákon, akkor a mobilrobot x, és y koordinátái:
x = (a2+d12-d22) / 2a y = (d12 – x2)½
Először vegyünk egy speciális esetet, mikor a markereink (2 marker), egy köríven helyezkednek el (a ábra → egyértelmű a pozícionálás). Ebben az esetben a D1 távolság, és a robot z1, z2 távolsága a markerektől, a következőképpen számolható: D12 = z12+z22-2|z1||z2|cos() Amennyiben 3 markerünk látható a környezetben (b ábra), akkor az egyenletek a következőképpen alakulnak: D12 = z12+z22-2|z1||z2|cos() D22 = z22+z32-2|z2||z3|cos() D32 = z12+z32-2|z1||z3|cos(+) Amiből kiszámolhatóak a z1, z2, z3 távolságok, és ebből a robot pozíciója és orientációja.
GPS lokalizálás A rendszer 3 fő szegmense: •Műholdak •Földi állomások •Felhasználó
GPS -szel kapcsolatos alapfogalmak
•Geometriai alapok (mérések alapjai - távolságmérés) •Holdak azonosítása (legfontosabb GPS jelek) •GPS hibái (felhasználótól függetlenhibák, szándékos zavarás)
Modell illesztéses lokalizálás Ebben az esetben a fedélzeti érzékelők alapján (kamera) kapott információk kerülnek összehasonlításra egy, a környezetről készült térképpel, vagy a világmodellből kiszámított pozícióval. Ezt a módszert térkép alapú pozícionálásnak is emlegetik.
Használatos érzékelők Odométerek: kerékhez (tengelyhez) csatolt inkrementális kódadók, különböző felbontással. (lásd előzőek)
•Szonár rendszerek – ultrahanggal működnek
A távolság kiszámolása: (ideális – zavarásmentes környezetben) (vUS – hangsebesség)
1 d vUS .t 2
Használatos érzékelők •Radar rendszerek - rádiófrekvenciás jelekkel működnek. Sebességmérésre használatos radar rendszer:
Sebességmérés (V=?) mikrohullámú rádiófrekvencia (RADAR) segítségével: VD:
számolt Doppler sebesség
c:
fénysebesség
FD:
megfigyelt fáziseltolás
F0:
frekvencia
Lehetséges hibák: - talajegyenletség;
VD cFD V cos 2 F0 cos
- oldalról visszavert hullámok
Használatos érzékelők - Lidar Az infra érzékelők általában két részből állnak: egy infra fényt kibocsátó LED diódából, adó, (a kibocsátott fény hullámhossza adott), és az adott hullámhosszra érzékeny foto-diódából (vagy foto-tranzisztorból) ami nem más mint egy vevő. A foto-diódák előnye a foto-ellenállásokkal szemben, hogy: nagyobb az érzékenységük, lineárisak, és gyorsabbak. Kihasználva az érzékenységüket és gyorsaságukat (ebből kifolyólag strukturált fény kezelésére is alkalmasak) kedvezően ki lehet használni őket a távirányításhoz.
A strukturált optikai teszt-jel felépítése: 0
tp,I – bemenő pulzus-szélesség tp,O - kimenő pulzus-szélesség f0 – vivő-frekvencia = 1/0 - fáziskésés
Használatos érzékelők - giroszkópok •FELOSZTÁS: - mechanikus giroszkóp (2 tengelyes tér-giroszkóp) - piezzo elektromos elven működő giroszkóp - optikai giroszkópok : lézeres giroszkópok – drágák (repülőkben) interferométeres – olcsóbbak (autókban)
Piezzo - giroszkóp A piezzo –elektromos vibráló giroszkóp a Coriolis erők kihasználásán alapszik. Tipikus működés és kivitelezés: Egy háromszög alakú prizma 3 sarkában egy-egy piezzo-elektromos jeladód helyeznek el, melyek közül egyiket valamilyen ismert, állandó frekvenciával (általában 8KHz – Gyrostar) gerjesztik. A másik kettő pedig érzékeli ezen frekvencián jövő lökéseket, intenzitásukat. Amennyiben a prizmát a hosszanti tengelye körül forgatjuk, az érzékelt lökések intenzitása (a Coriolis erők hatására) változik. Az eredmény a két piezzo érzékelő által gerjesztett analóg feszültség. Ez van összehasonlítva a bemenő (a gerjesztett jeladó) feszültségével. A feszültségkülönbség és a forgás között lineáris összefüggés van.
Használatos érzékelők – száloptikás interferométer A száloptika olyan vékony üveghuzal, mely belső része nco, burkolata pedig ncl törésmutatóval rendelkezik. Mivel a belső rész törésmutatója nagyobb a külső rész törésmutatójánál (nco > ncl) azok a sugarak melyek a huzal tengelyével qc-nél kisebb szöget zárnak be (NA = sinqc = (nco2 - ncl2)½ ) a teljes visszaverődés következtében elvileg csillapítás nélkül terjednek végig az üvegvezetéken. További feltételek az üvegszállal szemben, hogy ne vezessen különböző szög alatt beeső, tehát különböző utakat megtevő sugarakat, azaz, hogy legyen egy módusú, ami a vezeték magjának keresztmetszet csökkentésével érhető el, a mag átmérője meg kell, hogy közelítse a fény hullámhosszát, a másik feltétel pedig, hogy őrizze meg a fény eredeti polaritását, a mag anyagának megfelelő megválasztásával realizálható. A 6.72 ábra felhasználásával tekintsük át a műszer működési elvét. A szilárdtest lézer fényforrásból a fény az első "csatolóba" lép, majd a polarizátoron keresztül a második "csatolóba" jut. A második csatoló két azonos intenzitású nyalábra bontja a fényt, melyek egymással szemben haladnak a száloptikai tekercsben. A fordított irányban haladó fény átmegy a piezo elektromos modulátoron, mely szinuszosan változó fázis-modulációt hoz létre. A tekercsen végighaladva a két fénysugár a második csatolóban egyesül és a létrejött fáziskülönbség függvényében az interferencia vagy erősíti vagy gyöngíti az egyesült fény intenzitását. Az eredő fény a polarizátoron keresztül az első csatolóba jut, mely egy részét a fotodetektorba vezeti, ahol a pillanatnyi fény intenzitás elektromos jellé alakul. A száloptikai tekercsben létrejövő úgy nevezett Sagnac féle fáziseltolódás: DS = 2pLDW/cl, ahol : L - a vezeték hossza a tekercsben; D - a tekercs effektív átmérője; l - a fény közép hullámhossza; c - a fény sebessége vákuumban; W - a tekercs tengelye körüli szögsebesség. Amint látjuk annál nagyobb a fáziseltolódás (tehát a mérési pontosság is) minél nagyobb a tekercs átmérője és a szál hossza. Az első növelésének határt szabnak a műszer beépítési méretei, a másiknak a szálban gyakorlatilag mindég fellépő csillapítás (1 dB/km) és a költségek. A korai rendszerekben néhány km hosszú szálat is alkalmaztak. Manapság már rövidebb szállal is el tudják érni a megkívánt pontosságot, a reciprok folyamban alkalmazott fázis-moduláció következtében, a 6.74 ábrán látható műszerben pld. 75 méter hosszú szál van. A fázis-modulációnak nem csak az a haszna, hogy jelentősen növeli a fázismérés pontosságát, de az is, hogy lehetővé teszi a baloldali és a jobboldali elfordulások megkülönböztetését. A szögsebesség szorozva a vizsgált időintervallummal megadja a relatív elfordulást, folyamatosan összegezve a relatív elfordulásokat megkapjuk a kiinduló helyzethez mért irányszög változást.
