Orientace robotického systému v pracovním prostoru pomocí optických senzorů

Mendelova univerzita v Brně Provozně ekonomická fakulta

Orientace robotického systému v pracovním prostoru pomocí optických senzorů Bakalářská práce

Vedoucí práce: Dr. Radovan Kukla

Tomáš Baďura

Brno 2012

Touto cestou bych rád poděkoval vedoucímu mé bakalářské práce, panu Dr. Ing. Radovanu Kuklovi, za jeho přínosné rady a čas, který mi věnoval. Dále bych chtěl poděkovat Bc. Marcelu Vytečkovi, mému konzultantovi, za připomínky a rady, související s problematikou této práce.

Prohlašuji, že svoji bakalářskou práci na téma „Orientace robotického systému v pracovním prostoru pomocí optických senzorů“ jsem vypracoval samostatně, pod kontrolou vedoucího bakalářské práce, za použití odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. V Brně dne 19. května 2012

__________________

Abstract Baďura, T. The orientation of the robotic system in a workspace with the application of optical sensors. Bachelor thesis. Brno: Mendel university, 2012. This bachelor thesis is focused on the use of infrared technology in everyday life. It deals not only with the transmitters and detectors for infrared signal of robotic system Lego Mindstorms NXT, but also on how to evaluate the position and orientation in space. In the practical part is described the system design for determine the location of mobile robot. The aim of this work is the creation of this system, its evaluation and discussion about possibilities uses. Keywords Infrared technology, signal, sensor, frequency, beacon, integrated circuit, robot, NXT, location, triangulation, trilateration.

Abstrakt Baďura, T. Orientace robotického systému v pracovním prostoru pomocí optických senzorů. Bakalářská práce. Brno: Mendelova univerzita, 2012. Bakalářská práce je zaměřena na využití infračervených technologií v běžném životě. Pojednává se tu nejen o vysílačích a detektorech infračerveného signálu, robotickém systému NXT Lego Mindstorms, ale také o způsobech vyhodnocení polohy a orientace v prostoru. V praktické části je popsán návrh systému pro určení polohy mobilního robota. Cílem práce je také vytvoření tohoto systému, jeho zhodnocení a pojednání o možnostech využití. Klíčová slova Infračervená technologie, signál, senzor, frekvence, maják, integrovaný obvod, robot, NXT, lokalizace, triangulace, trilaterace.

Obsah

5

Obsah 1

2

Úvod a cíl práce 1.1

Úvod ...........................................................................................................7

1.2

Cíl práce .....................................................................................................7

Infračervená technika

8

2.1

Objev infračerveného světla ..................................................................... 8

2.2

Elektromagnetické spektrum ................................................................... 8

2.3

Infračervené záření v praxi ....................................................................... 9

2.3.1

Obor medicíny ................................................................................... 9

2.3.2

Příroda kolem...................................................................................10

2.3.3

Bezdrátová IR komunikace ..............................................................10

2.4

Využití IR senzorů v praxi ....................................................................... 13

2.4.1

Infračervené detektory versus pelistory .......................................... 13

2.4.2

Bezdrátová síť senzorů sleduje obsazení míst v parkovací garáži ... 14

2.4.3

IR technologie jako prevence před teroristickými útoky ................ 15

2.5

Stavebnice LEGO Mindstorms ................................................................ 15

2.5.1

Programovatelná kostka NXT ......................................................... 17

2.5.2

Základní senzory pro NXT ...............................................................18

2.5.3

Servopohony ....................................................................................18

2.6

Infračervené senzory pro systém NXT .................................................... 19

2.6.1

NXT IRSeeker V2 ............................................................................. 19

2.6.2

NXT IRReceiver senzor (NIR 1032) ................................................ 21

2.6.3

NXT IRLink sensor (NIL1046) ........................................................ 21

2.6.4

Infračervený detektor překážek NXT (NXT sumo eyes) ................ 22

2.6.5

IR snímače s vysokou přesností pro systém NXT .......................... 22

2.7

3

7

Navigace .................................................................................................. 23

2.7.1

Globální ........................................................................................... 23

2.7.2

Lokální ............................................................................................ 24

Metodika

25

Obsah

4

6

Praktická část

26

4.1

Návrh IR majáku .................................................................................... 26

4.2

Realizace IR majáku ............................................................................... 28

4.3

Návrh systému pro určení polohy .......................................................... 29

4.4

Realizace systému pro určení polohy ...................................................... 31

4.5

Konstrukce robotického systému ........................................................... 33

4.6

Vytvoření aplikace pro určení polohy robota v pracovním prostoru. .... 34

4.6.1

Program pro trilateraci ................................................................... 35

4.6.2

Program pro triangulaci.................................................................. 39

5

Diskuze

41

6

Závěr

42

7

Literatura

43

A

Seznam obrázků

47

B

Seznam tabulek

48

C

Ukázka programu pro trilateraci

49

D

Ukázka programu pro triangulaci

52

E

Schéma zapojení obvodů

55

F

Fotogalerie

56

G

Seznam použitých součástek

58

Úvod a cíl práce

7

1 Úvod a cíl práce 1.1

Úvod

S robotickými systémy se v běžném životě setkáváme čím dál častěji. Při prvotním návrhu systému je klíčové, zda bude statický, tedy upevněný na jednom místě a vykonávat monotónní činnost, nebo bude mobilní a v prostoru se pohybovat. Mobilní systém je samozřejmě náročnější jak na konstrukci, tak na použité řídicí prvky. Zásadním prvkem pro mobilitu systému je orientace v prostoru. V tomto případě pomocí optických senzorů. Samozřejmě zde hraje roli určitá přesnost a spolehlivost navigace. Její složitost se odvíjí od toho, kde je robot využíván. V neznámém prostředí se mohou vyskytnout nečekané překážky a rušivé vlivy, proto se musí s těmito faktory počítat a robotický systém vybavit širším spektrem senzorů. Uvažujeme-li orientaci ve známém prostředí, jako je místnost či hrací plocha, tudíž známe rozměry pracovního prostoru, překážky, hranice a referenční body. Pak lze systém navigace vytvořit přímo na míru danému prostředí a tudíž co nejvíce eliminovat nepřesnosti. S určitou mírou tolerance se však musí vždy počítat.

1.2 Cíl práce Cílem této práce je navrhnout a vytvořit prvky a program pro orientaci robotického systému v pracovním prostředí pomocí optických senzorů. Při práci budou použity prvky robotického systému Lego Mindstorms. Konkrétně infračervený senzor, programovatelná kostka NXT, servomotory a příslušné konstrukční součásti. Prvky pro orientaci budou tvořit tři synchronizované infračervené majáky. Systém má sloužit při reprezentaci Mendelovy univerzity v robotických soutěžích (např. v mezinárodní soutěži Eurobot). Zahrnuto bude také hodnocení vhodnosti použití vytvořeného orientačního systému.


8

2 Infračervená technika 2.1 Objev infračerveného světla Infračervené světlo bylo objeveno na přelomu 18. a 19. století. Objevitelem se stal rodák z německého Hannoveru, Frederick William Herschel. Byl to známý hudebník a astronom. Mimo jiné objevil v roce 1781 planetu Uran. Roku 1800 prováděl experiment, při němž zjišťoval, kolik tepla prochází různými barevnými filtry při pozorování Slunce. Zdálo se, že různé barvy propouští různou úroveň tepla. Herschel se začal zabývat touto hypotézou. Poté zkoumal průchod slunečního světla skleněným hranolem. Vytvořil tak barevnou duhu a měřil zvlášť teplotu každé barvy. Používal k tomu tří skleněných teploměrů a zjistil, že teploměr položený uvnitř barvy ukazuje vyšší hodnotu, než ostatní teploměry. Ukázalo se také, že teplota stoupá od fialové přes modrou, zelenou, žlutou, oranžovou až k červené. Na základě pozorování těchto pokusů se zaměřil na oblast za červenou barvou a ukázalo se, že teplota je zde nejvyšší. Tyto experimenty ho přivedly na objev infračerveného světla. Další experimenty, které nazval „výhřevné paprsky“ přinesly poznání, že infračervené světlo může být přenášeno, lámáno, absorbováno či odráženo stejně tak, jako světlo viditelné. Výhřevné paprsky byly později přejmenovány na infračervené paprsky nazývané též infračervené záření. Herschelovy pokusy byly zajímavé nejen tím, že objevil infračervenou oblast, ale také tím, že existuje forma světla, která je pouhým okem neviditelná. Herschelův skleněný hranol a zrcadla jsou vystavena v Národním muzeu vědy a průmyslu v Londýně. (Thaller,2000)

2.2 Elektromagnetické spektrum Lidské oči jsou detektory, které jsou schopné zachytit viditelné světelné vlny. Viditelné světlo je jedním z typu záření, které dokáže proniknout atmosférou a být detekováno na zemském povrchu. Oko vidí pouze malou část z celého spektra záření na naší Zemi. Toto záření je nazývané elektromagnetické spektrum a zahrnuje záření gama, rentgenové, ultrafialové, viditelné, infračervené (dále IR), mikrovlnné a rádiové (obr. č. 1). Rozdílem mezi těmito typy je různá vlnová délka a frekvence. Lidské oko je schopné vidět barvu o vlnové délce od 400 do 700 nm. Od gama záření směrem k rádiovým vlnám vlnová délka roste a frekvence klesá. Všechny tyto typy záření se šíří rychlostí světla, tj. 300 000 000 m ∙ s-1. Viditelné světlo, rádiové, infračervené vlny a část ultrafialového záření dopadá na zemský povrch také z vesmíru. Naštěstí pro nás, většinu životu nebezpečného záření blokuje atmosférická vrstva. IR záření má hodnoty pohybující se mezi 700 až 1400 nm. Leží tak mezi viditelnou a mikrovlnou částí elektromagnetického spektra.


9

Čím větší vlnová délka, tím menší frekvence, proto infra1 oblast. IR oblast je rozdělena do tří kategorií: blízká, střední a vzdálená IR. Blízká oblast ukazuje na část spektra, které je blíže viditelnému záření. Je obsaženo ve slunečním světle. Je pronikavé, málo se pohlcuje ve vodě a proniká až do podkoží. Zdrojem střední oblasti jsou různé typy žárovek, zářivek a výbojek, proniká sklem a téměř úplně se absorbuje ve vodě. Vzdálená oblast je produkována různými topnými tělesy, pohlcuje se vodou i sklem. Primárním zdrojem IR je teplo nebo tepelné záření. Toto záření je produkováno pohybem atomů a molekul uvnitř objektu. Čím vyšší teplota, tím více se atomy a molekuly pohybují a produkují více IR záření. Každý objekt, který má teplotu vyšší než absolutní nula (-459,67 °F, -273,15 °C nebo 0 K) vyzařuje IR záření. Při absolutní nule přestane veškerý pohyb atomů a molekul. I když se nám některé objekty, jako je například kostka ledu, jeví velmi chladné, vyzařují IR světlo. Dokud není objekt dostatečně horký, aby byl viděn ve viditelné oblasti, vyzařuje IR. Čím teplejší, tím více IR. Člověk při normální teplotě vyzařuje nejvíce IR světla s vlnovou délkou kolem 10 μm. (Hurt, Keller, 2000)

Obr. 1

Elektromagnetické a viditelné spektrum (Hurt, Keller, 2000)

2.3 Infračervené záření v praxi 2.3.1

Obor medicíny

Velký prostor k rozvoji dostalo IR světlo v oblasti medicíny a zdravovědy. Jelikož IR záření je běžně součástí slunečního svitu, využívá se především k regeneraci a rehabilitaci lidského těla. IR světlo vnímáme na těle jako zdroj tepla, tím dochází k lepšímu prokrvení dané oblasti – roztažitelnost a ztuhlost kloubních pouzder, působí protizánětlivě, snižuje bolestivost, pomáhá při hojení po traumatech a ve fázích při hojení po operacích, ovlivňuje citlivost receptorů reagujících na teplo a chlad. Zvýšené prokrvení vyvolané působením IR vede rovněž ke zrychlení metabolismu v exponované oblasti a může tudíž podpořit odbourávání tukové tkáně. Celkově lze konstatovat, že IR světlo zlepšuje subjek1

Termín „infra“ pochází z latiny a znamená „pod“.


10

tivní pocit jedince a jeho psychický stav. Zářiče v lékařské praxi musí být vždy v souladu s návodem k použití. Důraz je kladen na způsob uložení a zapojení přístroje a jeho umístění ve vztahu k jednotlivým částem těla. Důležité je individuální nastavení parametrů funkcí zařízení podle zdravotního stavu uživatele a způsobu použití. Nastavitelnými parametry u tohoto zdroje infračerveného záření jsou intenzita IR záření a čas (doba působení IR záření o nastavené intenzitě). Nesmí vznikat pocit pálení, přílišného a nepříjemně vnímaného tepla, či jiného diskomfortu. Proto je používání přístroje kontraindikováno u pacientů s poruchou tepelné citlivosti, nebo při celkově snížené schopnosti vnímání. Rozlišují se:  Nízká intenzita (nejdelší vlnová délka, nejnižší míra tepelného působení, nejhlubší pronikání do tkání, teplota 18–32 °C po dobu až 6 hodin při denním aplikování po dobu 3 týdnů).  Střední intenzita – menší míra pronikání do hloubky, teplota 33–38 °C. Určena například k prohřátí při akutním prochlazení organismu a k rychlé regeneraci po dobu max. 2 hodin.  Vysoká intenzita – nejkratší vlnová délka, teplota 39–41 °C, nejmenší hloubka průniku do tkání. Určeno pro rychlé prohřátí po dobu maximálně 45 minut. (Násirová, 2000) 2.3.2

Příroda kolem

Infračervené záření vyzařují všechna tělesa. I naše tělo září, v porovnání se Sluncem ovšem na větších vlnových délkách (cca 10-6 m). Lidské oko není citlivé na tyto vlnové délky, protože samo lidské tělo a tedy i nitro oka září. Oko by tudíž bylo oslepeno svým vlastním zářením. V přírodě mají některé druhy hadů vedle „obyčejných“ očí i detektory infračerveného záření. Uvádí se, že tyto detektory jsou citlivější, než jakékoliv jiné detektory infračerveného záření vyrobené člověkem. Citlivost zasahuje až do vlnové délky 10-6 m a princip jejich činnosti není dosud zcela jasný. V žádném případě se však tyto druhé oči ani nepřibližují schopnostem očí pracujících ve viditelném světle. Infračervené oči hada nevytváří obraz na sítnici jako oko, ale poskytují omezené prostorové rozlišení podobným způsobem, jako složené oko hmyzu. Infračervených detektorů je na hlavě hada několik a každé vidí jen omezený prostorový úhel. Tak had získá velmi přibližnou představu o zdrojích IR záření v jeho blízkosti. Těmito zdroji mohou být teplokrevní živočichové – hadem lovená kořist. Had je schopen odlišit živé (tj. teplé) tělo od mrtvého na vzdálenost 0,1 m. (Vlachová, 2008) 2.3.3

Bezdrátová IR komunikace

K obecnému popisu bezdrátové komunikace běžně patří termíny jako vysílač, přijímač, zesilovač. V každém typu komunikace musí být informace z jednoho místa odeslána a v jiném místě zase přijata (obr. č. 2). Vysílač má jistý vstup


11

(hlasová stopa či tok bitů) a následně pošle vlnu signálu pomocí odpovídajícího výstupního zařízení. Elektromagnetické vlny jsou zachyceny přijímačem, ten je načte a zpracovává informace v původní podobě. Podle použitého přenosového protokolu může zařízení přijímat, vysílat nebo vykonávat obě tyto činnosti najednou. V infračervené komunikaci se používá jako přenosové médium světelných vln v IR oblasti. Komunikace může být uskutečněna mezi dvěma přenosnými zařízeními (notebook, mobilní telefon či digitální osobní asistent) nebo mezi přenosným a statickým zařízením (osobní počítač) pomocí přístupového bodu.

Obr. 2

Typický bezdrátový IR přenos (J. B. Carruthers, 2002)

Bezdrátové IR komunikace mají následující použití:  Krátkodobé bezdrátové propojení z důvodu výměny informací (vizitky, plány, soubory, …).  Bezdrátové lokální sítě (WLAN2) poskytující síťové propojení uvnitř budov. IR zde může být jako doplněk pro mobilní zařízení.  Building-to-building připojení pro vysokou rychlost přístupu ve městě či v areálu kampusu.  Bezdrátové vstupní a kontrolní zařízení jako počítačové myši, klávesnice, dálkové ovládače či dálkové elektronické klíče. Další důležitý způsob, jak charakterizovat IR propojení je typ přenosu. Nejčastěji se používá přenos point-to-point (obr. č. 3). Tento systém vyžaduje přímou viditelnost mezi vysílačem a přijímačem. Tzv. Line-of-sight3 musí být čistá, bez překážek a většina světla musí směřovat k přijímači. Dalším typem je difúzní systém, při němž je spojení mezi vysílačem a přijímačem vždy udržováno pomocí odrazu světla od lesklých povrchů, stěn či nábytku. Přijímač s vysílačem nejsou v přímém kontaktu, tudíž přijímač musí mít široký úhel v zorném poli záběru signálu. Komunikace je vhodná pro bezdrátové LAN aplikace.

2 WLAN (Wireless Local Area Network) je technologie, která umožňuje vybudovat bezdrátové datové sítě s uspokojivými parametry, relativně velkým dosahem a nízkými náklady. 3 LOS – přímá viditelnost, cesta mezi vysílačem a přijímačem.


Obr. 3

12

Běžné typy IR komunikačních systémů. (J. B. Carruthers, 2002)

Vysílač převádí elektrický signál na optický signál. Nejvhodnější je použití IR light-emitting diode nebo polovodičové laserové diody. LED mají širší přenosový vzor ve tvaru kuželu a tak jsou vhodnější pro nepřímé spojení. Z hlediska bezpečnosti pro lidské oko jsou též výhodnější, neboť laserové diody mají velmi úzký světelný paprsek. Přijímač nebo detektor převádí optický signál na elektrický tak, že zachytí tok fotonů na povrch detektoru. Ideální jsou křemíkové diody, z důvodu dobré kvantové účinnosti v požadovaném pásmu. Při používání IR komunikačních systémů se vyskytují dva faktory bezpečnosti. Nebezpečí poškození očí - sítnice oka je citlivá na světlo v tomto pásmu, protože IR oblast je mimo viditelnou část spektra a tudíž oko není schopné se přirozeným reflexem bránit tak, že zavře víčko. Bezpečnost je tedy zaručena používáním paprsků podle standardů IEC a ANSI. Dalším faktorem je nebezpečí poškození kůže – avšak při dodržení výše uvedených standardů nehrozí žádné nebezpečí, ani při dlouhodobém vystavení se IR paprskům. Naše těla jsou přirozeně vystavována mnohem většímu IR záření, než je z komunikačních systémů. (J. B. Carruthers, 2002) Výhody IR technologií:  Nízké požadavky na napájení (notebooky, telefony, …)  Nízká cena obvodů pro kódování signálů  Jednoduchá integrace do obvodu elektronického výrobku  Vysoká bezpečnost – paprsek světla zaručuje, že nedojde k rozptýlení signálu do okolí  Mezinárodní funkční omezení a standardy (InfraRed Data Association) zaručují funkčnost na různých místech po celém světě  Odolnost proti rušení  Nízká hmotnost přijímačů a vysílačů


13

Nevýhody IR technologií:  Přijímač a vysílač musí být při komunikaci v přímé viditelnosti  Běžné materiály jako lidé, zdi, rostliny blokují přenos IR signálu  Citlivé na okolní vlivy (počasí, prach)  Nižší přenosová rychlost než u jiných elektromagnetických přenosů  Krátký dosah signálu (Kaine-Krolak, 1995) Dnes se stalo samozřejmostí, že IR technologie uplatňujeme k ovládání příslušenství kolem domů (okna, dveře, vrata u garáže, žaluzie, spínače světel, výtahy), zamykání automobilů, televizorů, dotykové interaktivní obrazovky či pokročilé počítačové programy, periferie k osobním počítačům (myši, klávesnice, tiskárny, audio výstupy, …), nouzové reakce zařízení, bezpečnostní systémy, navigační systémy, značení, hračky. IR technologie je však použita také pro kontrolu environmentálních systémů nebo pro usnadnění života lidí s postižením. Například při výuce znakové řeči nebo pro lepší orientaci zrakově postižených lidí na ulici. (Kaine-Krolak, 1995)

2.4 Využití IR senzorů v praxi 2.4.1

Infračervené detektory versus pelistory

Někteří výrobci přístrojů pro detekci hořlavých plynů a par osazují své přístroje IR senzory namísto pelistorů4. Jako důvody se uvádějí náchylnost pelistorů k „otravě“ katalytickými jedy a nezbytný protiexplozní uzávěr měřicí komory senzoru. Optické IR senzory, které se používají alternativně místo pelistorů, se označují jako PRS (Pellistor Replacement Sensor). Infračervené záření prochází měřicí kyvetou, do které difunduje měřený plyn. Po průchodu plynem dopadá na polopropustné zrcadlo a jde zčásti přes interferenční filtr na měřicí detektor a zčásti přes další filtr na referenční detektor (obr. č. 4). Čím delší je optická dráha paprsku v měřené látce, tím větší je i citlivost detekce. Proto se optická dráha paprsku v kyvetě prodlužuje jeho několikanásobným odrazem od zrcadel v měřicí komoře. Interferenční filtry zařazené před detektory vymezují příslušné pásmo infračerveného záření, ve kterém buď dochází k absorpci záření příslušnou látkou, anebo naopak k absorpci nedochází. IR detektory mají široké rozmezí měřicích rozsahů a vyznačují se velkou selektivitou. Protože u IR senzorů nehrozí nebezpečí poklesu citlivosti, mohou být intervaly mezi kalibracemi delší a požadavky na údržbu budou u IR senzorů menší než u pelistorů. Senzor může 4 Pelistor - nejstarší typ chemického senzoru používaného v samočinných analyzátorech plynů. Jedná se v podstatě o jistý druh kalorimetrického senzoru, kdy koncentrace plynu je měřena na základě množství tepla uvolněného při řízené spalovací reakci. (Kadlec, 2004)


14

být vybaven diagnostickými obvody pro signalizaci poruchy zářiče nebo znečištění optiky. V IR oblasti spektra absorbují molekuly, které vykazují trvalý dipólmoment, tj. plyny složené nejméně ze dvou druhů atomů. Sem patří z hořlavých plynů např. CO a páry organických látek. Souměrné molekuly (H2, O2, N2) IR záření neabsorbují, takže např. hořlavý a výbušný vodík nelze IR senzorem detekovat ani měřit. Kromě toho může docházet i k orosení optiky, kterou je proto někdy nutné vyhřívat. Z uvedeného je tedy patrné, že IR senzory mají vedle nesporných předností i své nevýhody a proto uživatel musí své rozhodnutí při výběru senzoru vhodného pro detekci hořlavých plynů pečlivě uvážit. (Kadlec, 2004)

Obr. 4

Schéma IR senzoru (Kadlec, 2004)

2.4.2

Bezdrátová síť senzorů sleduje obsazení míst v parkovací garáži

K monitorování parkovišť se používá mnoha různých systémů instalovaných již během výstavby parkovacího zařízení. Tyto systémy obvykle vyžadují složitou instalaci a jimi zaznamenávané informace lze využívat pouze lokálně. Systém založený na NI WSN má schopnost archivovat zjištěná data. Tyto informace jsou dostupné on-line prostřednictvím počítačů a mobilních telefonů. Aby bylo možné poskytovat zájemcům o parkování užitečné informace, eviduje systém celkový počet míst i počty míst v jednotlivých zónách. Proto byly umístěny senzory u všech vjezdů, výjezdů i na místa přejezdu mezi jednotlivými zónami. Senzory sledující místa přejezdu mezi jednotlivými zónami detekují provoz a jeho směr, aby byl monitorován přesun vozidel mezi zónami. Takto získané údaje jsou přenášeny do centrální stanice, která veškerá příchozí data analyzuje a v reálném čase informuje, kolik je v jednotlivých zónách volných parkovacích míst. Pro primární detekci vozidel byly použity pasivní infračervené (PIR) senzory. Senzory detekují změny v infračerveném záření černého tělesa, které objekty vydávají. Pro svůj provoz potřebují jen málo energie, protože detekce probíhá bez jakéhokoliv buzení. Poskytují také digitální výstup, který může být konfigurován buď


15

na výstupní pulzy během souvislé detekce pohybu, nebo nabývat hodnot logické jedničky při detekci souvislého pohybu a logické nuly, není-li pohyb detekován. Centrální stanici v jednom ze dvou kiosků parkovacího zařízení tvoří vestavná řídicí jednotka, jež je napájena ze sítě. Tato stanice je prostřednictvím Ethernetu připojena k dopravní síti. Z důvodu bezpečnostní strategie nejsou data přístupná mimo tuto síť, pro ukládání dat lze přistupovat k záložnímu databázovému serveru. (Iam, 2011) 2.4.3

IR technologie jako prevence před teroristickými útoky

V bostonském technologickém institutu se rozhodli, využít IR kamer pro zjištění netěsností ve fasádách budov. Tudíž zjištění míst, kudy uniká nejvíce tepla. Tato místa se mohou stát potencionálním místem pro chemický útok teroristů. Za pomocí 3D modelů budov z aplikace Google Earth a nasnímaných záběrů z IR kamer, které musely být zkalibrovány a geometricky upraveny (obr. č. 5). Vědci poté vytvořili kompletní model, kde zjistili místa s největším únikem tepla. Především to byly oblasti okolo oken a místa s tenkou izolací. IR snímání budov je tedy vhodné pro zjištění slabých stránek budov a tudíž prevencí před chemickými a biologickými útoky. (Nguyen, 2011)

Obr. 5

3D modely budov s překrytím záběrů z IR kamer (Nguyen, 2011)

2.5 Stavebnice LEGO Mindstorms Robotický systém LEGO Mindstorms NXT 2.0 představuje jednoduchý prostředek k seznámení se s robotikou a jejími základními principy konstrukce a programování. Stavebnici lze kombinovat s prvky LEGO system a LEGO technic. Bez použití jakéhokoli nářadí můžeme sestavit modely pro různé aplikace. Základním prvkem stavebnice je programovatelný mikropočítač – tzv. kostka. Pro vstup do mikropočítače systém využívá informací ze senzorů. V základní sadě stavebnice jsou čtyři senzory (obr. č. 6). Existuje však celá řada snímačů od externích firem.


16

Infračervené snímače od firmy Hitechnic budou popsány v samostatné kapitole. Mobilitu robotického systému zajišťují standardní NXT servomotory, nebo modelářské servopohony. Stavebnice je vhodná zejména pro výukové účely. Pro programování lze využít tři vývojová prostředí.  NXT-G – prostředí drag and drop5, sestavení funkčních bloků vykonávajících určitou činnost. Bloky se skládají do posloupností a iterací. Založeno na prostředí LabView. Nelze provádět složitější operace. Prostředí je poměrně intuitivní a vhodné pro vyzkoušení jednotlivých prvků stavebnice.  NXC – Not Exactly C je jazyk podobný jazyku C, postavený na kompilátoru NBC. Pro využití tohoto software není nutné měnit firmware v programovatelné kostce.  leJOS NXT – programování v jazyce Java. Kvalitně zpracovaná dokumentace, podpora mnoha funkcí a předdefinovaných metod z Javy. Nutnost nahrát do NXT Java firmware, který vytvoří tzv. virtuální stroj uvnitř kostky.

Obr. 6

Základní příslušenství ke kostce NXT. (Educatech, 2012)

Drag and drop – v překladu „Táhni a pusť“. Jedná se o přesun či kopírování souborů a složek v operačních systémech Windows pomocí počítačové myši. V tomto případě jednotlivých funkčních bloků. 5


2.5.1

17

Programovatelná kostka NXT

Programovatelná kostka je mozkem celé stavebnice. Obsahuje v sobě 32bitový mikroprocesor a 8bitový koprocesor, dále 256Kbit flash a 64Kbit RAM paměť (obr. č. 7). Na čelní straně kostky je umístěn jednobarevný maticový LCD displej o rozměrech 100 × 64 bodů, na kterém lze zobrazit text či jednoduché obrazce. Pod displejem jsou čtyři ovládací tlačítka (dvě pro posun v menu, hlavní velké tlačítko sloužící jako enter a menší pro návrat o krok zpět). Pro komunikaci s počítačem je možné využít USB konektor nebo bezdrátové rozhraní Bluetooth (12 Mbit/s). Díky Bluetooth mohou kostky komunikovat i mezi sebou (uplatnění při složitých aplikacích s více senzory).

Obr. 7

Vnitřní bloky programovatelné kostky. (Jakeš, 2012)

Kostka je vybavena z jedné strany čtyřmi vstupními porty pro senzory a z druhé třemi výstupními porty pro motory, serva nebo žárovky (obr. č. 8). Všechny periferie se připojují pomocí sběrnice I2C6 a upraveného telefonního konektoru RJ-127, kde pojistka konektoru je posunuta doprava.

6 Sběrnice I2C (I2C-bus, Inter-IC-bus) je dvouvodičové datové propojení mezi jedním nebo několika procesory (Masters) a speciálními periferními součástkami . Všechny součástky jsou připojeny na téže sběrnici a jsou cíleně vybírány svými adresami. Adresy i data se přenášejí týmiž vodiči. 7 Standardní konektor pro telefonní linku, v kabelu je použito 6 vodičů.(Blozis, 2003)


Obr. 8

Programovatelná kostka. (AIMFORTHESTARS, 2011)

2.5.2

Základní senzory pro NXT

18

 Světelný senzor – modul, který umožňuje robotu vidění. Měří intenzitu světla v místnosti, má zabudované osvětlení a lze měřit úroveň odrazu světla od jednotlivých povrchů. Dokáže rozlišit světlo, tmu, ale i skupiny barev jednotlivých povrchů. Intenzita odstínů světla je udávána v procentech. Lze s ním přečíst čárový kód, či jej použít v aplikaci jízda po čáře.  Zvukový senzor – vyhodnocuje v procentech intenzitu zvuku v okolí, která je pro lidské ucho nejvíce citlivá. 100 % se rovná 90 dB, což je jedoucí vlak. 10– 30 % je normální konverzace.  Dotykový senzor – předává informaci o tom, zda byl stlačen či nikoliv. Nemá žádné dílčí polohy, intenzitu určíme pouze konstrukcí robota. Používá se ke zjištění fyzického kontaktu s jiným předmětem (doraz, překážka, …).  Ultrazvukový senzor pracuje na principu intenzity odraženého signálu, obsahuje tedy jak přijímač, tak vysílač. Z intenzity vypočítává vzdálenost od předmětu, ta může být až 2,55 m, přesnost se udává do 3 × 10-3 m. Lze využít pro soustavná nebo jednotlivá měření. Při použití více ultrazvukových senzorů dochází k nechtěnému rušení signálu. (LEGO, 2012) 2.5.3

Servopohony

 Servomotor od NXT má v sobě zabudován rotační snímač. Ten zaznamenává celé otáčky motoru nebo stupně pootočení s přesností na jeden stupeň. Softwarově lze upravit rychlost otáčení motoru, pro plynulou jízdu je zapotřebí rychlost obou motorů synchronizovat. Motorem lze otočit o libovolný počet stupňů či otáček v obou směrech nebo jej lze v určité poloze zastavit (Lego, 2012)


19

 Modelářské servopohony disponují větší silou a přesností než motory NXT. Jsou rozšiřujícím modelem pro systém NXT. Připojují se stejným kabelem k NXT kostce jako běžné servomotory. Existuje více typů, které se dělí dle síly a tudíž i externího napájení. Průměrné modelářské servo váží 0,043 kg, je napájeno 4,8 V, jednu otáčku vykoná za 2 s a točivý moment je 3 kg/0,01 m. (Mindsensors, 2011)

2.6 Infračervené senzory pro systém NXT 2.6.1

NXT IRSeeker V2

Infračervený senzor verze V2 je víceprvkový detektor, který identifikuje signály z různých zdrojů (obr. č 9). Zdrojem může být fotbalový míč od firmy HiTechnic, který má průměr 0.075 m, obsahuje 20 IR diod a pro jeho napájení slouží 4 AAA baterie. Tento míč je ideální pro robotické soutěže ve fotbale. Dalšími zdroji může být dálkový ovladač k televizoru, sluneční záření či speciální infračervené osvětlení. Tahle verze senzoru se liší tím, že dokáže detekovat signály ve dvou režimech a to modulovaném (AC) a nemodulovaném (DC).

Obr. 9

IR SeekerV2. (Hitechnic, 2012)

 Modulace Mode (AC) – senzor používá pokročilé digitální zpracování signálu a detekuje obdélníkové impulzy o frekvenci 1200 Hz s určitou mírou tolerance. Ostatní signály se snaží odfiltrovat. Tento mód je vhodný pro odstranění rušivých signálů, mezi které patří sluneční záření, vyzářené světlo z monitorů či zářivkové osvětlení.  Un-Modulace Mode (DC) – senzor detekuje veškeré infračervené signály, tudíž i nechtěné, proto je takový režim nevhodný pro použití v systému navigace. Kryt senzoru má konstantní poloměr oblouku a koncový výčnělek nad přijímačem má za úkol zvýšit směrovou výkonnost tím, že minimalizuje rušivé světelné signály vstupující do senzoru. (Hitechnic, 2012)


20

IR Senzor V2 snímá zóny symetricky kolem sebe v devíti oblastech (obr. č 10). Tyto zóny popisují oblasti přímého snímání a překrytého snímání, neboť v senzoru je rozmístěno pět detektorů.

Obr. 10

Rozdělení směrů detektorů v senzoru. (FTC, 2009)

Metoda pro získání nejpřesnější hodnoty úhlu je použití průniku intenzity signálu ze dvou detektorů (obr. č 11). Dochází zde k přírůstku kolem jednoho stupně, protože dochází ke zkreslení signálu při průchodu objektivem do senzoru a také vychýlení mezi emitorem a detektorem. Při určování polohy pomocí úhlů a intenzity svitu z IR majáku je tedy vhodné použít těchto vysílačů více, aby došlo k eliminaci přírůstkové chyby. (FTC 2009)

Obr. 11

Zóny snímání jednotlivých detektorů. (FTC, 2009)


2.6.2

21

NXT IRReceiver senzor (NIR 1032)

Přijímač dokáže detekovat infračervené světelné zdroje a určuje směr a relativní sílu infračerveného světla. IRReceiver (obr. č 12) dekóduje řídící povely a funkce z dálkového ovladače (obr. č 12) a dokáže tak řídit přímo NXT motory nebo ovládat ostatní funkce v programu. Datový hub obsahuje deset portů (připojovací port, ovládací port, síla a směr motorů, brzdy motorů a další různá nastavení). (Hitechnic, 2012)

Obr. 12

NXT IRReceiver senzor a dálkový ovladač. (Hitechnic, 2012)

2.6.3

NXT IRLink sensor (NIL1046)

Tento senzor je vhodný pro ovládání LEGO R/C vlaků a dalších motorizovaných prvků od společnosti Mindstorms NXT. IRLink využívá infračervené signály pro komunikaci s vlaky. Umožňuje tedy ovládat jejich motory, řídit rychlost a směr pohybu. Programuje se v prostředí NXT-G a za pomocí regulátorů a řídicích jednotek lze jednotlivé motory zastavit, převinout či pustit vzad nebo vpřed. (Hitechnic, 2012)


2.6.4

22

Infračervený detektor překážek NXT (NXT sumo eyes)

Senzor je schopný detekovat překážky ve dvou délkových rozsazích a třech směrech. Poloměr menší vzdálenosti je 0,15 m, větší pak do 0,3 m (obr. č. 13). Zorné pole je rozděleno po dvaceti stupních na oblast levou, středovou a pravou. Detektor pracuje na triangulačním principu pro měření vzdálenosti. (Mindsensors, 2011)

Obr. 13

Schéma detekce signálu. (Mindsensors, 2011)

2.6.5

IR snímače s vysokou přesností pro systém NXT

Snímače pro detekci překážek v různých vzdálenostech:  krátký dosah (0,06 – 0,3 m),  střední dosah (0,1 – 0,8 m)  dlouhý dosah (0,3 – 1,5 m). Vyznačují se velkou přesností v milimetrech, k tomu slouží i vestavěná kalibrace. Připojují se k NXT pomocí digitální sběrnice I2C. Maximální odběr proudu je 38 mA při 4,7 V. Když se senzor nevyužívá, může být vypnut a šetřit tak baterii.

Obr. 14

IR snímač pro velkou vzdálenost. (Mindsensors, 2011)


23

2.7 Navigace Vyžadujeme-li po mobilním robotickém systému byť jen jednoduchou schopnost autonomního chování, musí být robot vybaven navigačním subsystémem. Mezi základní úkony navigace patří poskytnutí informací potřebných pro přemístění se z bodu A do bodu B. Dalšími specifiky je vyhnutí se překážkám či ujetí nejmenší možné vzdálenosti v co nejkratším čase. Pro určení ideální trajektorie slouží plánovací algoritmy. Robot tedy potřebuje získat od senzorického subsystému adekvátní informace o své poloze vůči globálnímu, případně lokálnímu souřadnému systému. Navigační systém se obvykle dělí na dvě úrovně. 2.7.1

Globální

Jejím úkolem je dopravit robota z výchozího do cílového bodu, s využitím optimální trajektorie. Pod pojmem globální se většina lidí představí GPS8. Jde však o souřadný systém zvolený na úrovni pracovního prostoru, tudíž například místnosti či herní plochy. Bývá však často situován shodně s geografickým severem. Globální navigační systém můžeme rozdělit na dva typy: 1. Relativní navigace Založena na principu měření přírůstků změny polohy a orientace robotu. Změna je vztažena k počáteční pozici robotu anebo k pozici, kde byla naposledy určena absolutní poloha. Nevýhodou je stálé přičítání chyby polohy způsobené přítomností chyby v jednotlivých měřeních. Z tohoto důvodu se metoda používá jen pro relativně krátké trajektorie. V praxi je vhodné ji kombinovat se systémem absolutní navigace. V této kombinaci se eliminují náhodné chyby absolutní navigace a robot je relativně nezávislý na absolutním systému navigace.  Odometrie – jde o metodu, která patří do relativní navigace. Řídicí systém robotu obsahuje kinematický model robotu, a tudíž dokáže určit změnu polohy na základě stavu akčních členů (např.: kola robotu). Metoda nejčastěji používaná u kolových robotů. V případě robotu bez kol, je tato navigace zatížena chybou a tudíž nepoužitelná nebo použitelná jen na kratší vzdálenosti. K tomuto účelu bývá často využíváno inkrementálních senzorů. Přesnost je zde limitována stanovením rozměrů jednotlivých kol. Nejjednodušším modelem je diferenčně řízený robot (dvě nezávisle poháněná kola umístěná uprostřed osy robotu). Vypočítává se pozice středu os robotu a její posuny v souřadném systému. Další systém řízení podvozku je Ackermanův. Tento typ je tvořen hnacími a řídicími koly.  Inertní navigace – pracuje na principu měření zrychlení robotu. Využívá kombinaci akcelerometrů (pro měření lineárních zrychlení) a gyroskopu (pro měření úhlových zrychlení). Z nich je pomocí dvojí integrace určena 8

Global possition system


24

změna polohy robotu. V nízkých rychlostech mobilních robotů je jejich použití problémové. Velikost signálu z akcelerometru je srovnatelná s vibracemi při najetí robotu na překážku. Použití tam, kde není možné uplatnit systém absolutní navigace. S rozvojem optických gyroskopů, které dosahují vysoké přesnosti, se tato metoda začala využívat více. 2. Absolutní navigace Základním úkolem absolutní navigace je přesné stanovení polohy robotu vůči referenčním bodům. Dvě nejčastěji využívané metody jsou trilaterace a triangulace.  Trilaterace definuje polohu robota na základě naměřených vzdáleností od referenčních bodů (např.: infračervených majáků). Po zjištění těchto vzdáleností je schopen dopočítat své souřadnice.  Triangulace definuje polohu robota pomocí měření tří úhlů mezi referenčními body a robotickým systémem. Měření může být realizováno mnoha způsoby. Nejběžnější je elektromagnetické záření, laserové paprsky nebo akustické signály. Lze pracovat buď s vysílačem na robotu a několika přijímači umístěnými v okolí nebo naopak (několik vysílačů - majáků a jeden přijímač). Princip majáků lze využít při větším počtu robotů. Druhým úkolem absolutní navigace je orientace. K jejímu měření slouží systémy k určení polohy robotu, kombinace těchto systémů s relativní navigací nebo použití samostatného systému pro měření orientace. Měření orientace touto metodou spočívá v přemístění robotu pomocí metody relativní navigace po dráze, jejíž délka zohledňuje chybu obou systémů navigace. Z rozdílu polohy se stanoví orientace robotu. Hlavní nevýhodou této metody je sčítání chyb obou metod a nutnost robota přemístit, aby byl schopen určovat orientaci. Lepší způsob se jeví použití kompasu, který dokáže měřit kdekoliv na celé planetě. Měření je vůči magnetickému poli Země. Je spolehlivý a cenově dostupný. Jako všude, i zde je jistá nevýhoda a to ta, že je náchylný na okolní magnetická pole. Na základě matematického modelu a slunečního záření je schopen určit datum a čas. (Novák, 2007) 2.7.2

Lokální

Je nadřazen globálnímu systému a určen pro detekci a vyhnutí se kolizím s překážkami. Systém pracuje se souřadným systémem robota, tedy například senzor na robotu má určitý délkový rozsah, ve kterém detekuje překážku a systém navigace tomu musí být přizpůsoben, aby mohl včas rozhodovat při možné kolizi s překážkou. Z toho vyplývá, že o výběru senzorů nerozhodují pouze jejich vlastnosti, ale i fyzické rozměry robotu. (Novák, 2007)

Metodika

25

3 Metodika Aby bylo možné uskutečnit orientaci robotického systému v prostoru za pomoci optických senzorů, je nutné mít zkonstruovaného robota s odpovídajícími senzory a řídicími prvky, vymezený prostor, ve kterém se bude robot pohybovat a zdroje signálu, kterými bude jeho orientace řízena. Jako zdroje signálu slouží infračervené majáky. Jde o malé elektronické obvody s astabilním klopným obvodem a třemi infračervenými diodami. Frekvence každého obvodu je nastavena za pomoci vhodné kombinace odporů a kondenzátorů na modulovaných 1200 Hz. Synchronizace mezi majáky je zajištěna Johnsonovým čítačem. Celý systém je napájen 12V stabilizovaným zdrojem napětí. Majáky jsou propojené kabely s řídicím obvodem (čítačem) a umístěny na stožárech ze stavebnice Lego. Robotický systém je postaven ze stavebnice Lego Mindstorms. Obsahuje programovatelnou NXT kostku, ke které jsou za pomoci I2C sběrnice připojeny dva servomotory a jeden infračervený senzor. Programy pro orientaci v prostoru jsou realizovány v programovacím jazyce Java, za použití nástroje LeJOS a vývojového prostředí Eclipse. LeJOS obsahuje předdefinované třídy pro práci se senzory a vůbec celým prostředím Mindstorms. Jedna aplikace využívá principů trilaterace a druhá triangulace.

Praktická část

26

4 Praktická část 4.1 Návrh IR majáku Senzor použitý pro příjem IR signálu je schopný detekovat signál v modulovaném a nemodulovaném režimu. Modulovaný režim snímá kmity o frekvenci 1200 Hz. Je zde zahrnuta i jistá míra tolerance. Pro větší přesnost bylo rozhodnuto použití právě tohoto modulovaného režimu, tudíž se tahle podmínka stala výchozí pro návrh blikajícího IR majáku. Prvotním úkolem bylo navrhnout schéma zapojení spolehlivého kmitavého (oscilujícího) obvodu na frekvenci 1200 Hz, tedy blikače s infračervenými světelnými diodami. Nejprve bylo experimentováno s integrovaným obvodem MH7400, který obsahuje čtveřici dvouvstupových logických pozitivních členů NAND. Toto zapojení se jevilo jako nespolehlivé, obvod se nesepnul vždy po připojení napájení a výstupní frekvence blikání neodpovídala požadované frekvenci. Spolehlivým řešením pro tuto aplikaci se ukázalo zapojení astabilního klopného obvodu s integrovaným obvodem NE555 (obr. č. 15). NE555 má 8 vývodů, vývod č. 1 je záporný napájecí, č. 8 kladný napájecí, č. 2 trigger – spouštění druhého komparátoru, č. 3 výstup obvodu, č. 4 je reset obvodu (ovládá klopný obvod nezávisle na vstupech), č. 5 Ctrl – ovládá překlápění komparátorů, č. 6 vstup prvního komparátoru, č. 7 vybíjení – kolektor tranzistoru. Základní zapojení astabilního klopného obvodu.

Obr. 15

Základní zapojení astabilního klopného obvodu.

Praktická část

27

Astabilní obvod vyrábí obdélníkový průběh napětí. To je digitální vlna s ostrými přechody mezi nízkou (0V) a vysokou (+Vcc) úrovní napětí. Navíc časové intervaly nízké a vysoké úrovně mohou být rozdílné. Zapojení se nazývá astabilní, protože výstupní signál není stabilně ani v jednom stavu, ale neustále se mění mezi nízkou a vysokou úrovní. Rezistory by měly být v rozmezí 1 kΩ až 1 MΩ. Vhodné je zvolit však nejprve kondenzátor C1, protože kondenzátory se na rozdíl od rezistorů nevyrábějí v příliš velkých řadách. Po sepnutí obvodu je výstup ve vysoké úrovní (na úrovni Vcc) a přes sériově zapojené rezistory R1 a R2 začne být nabíjen kondenzátor C1. Dosáhne-li napětí na kondenzátoru 2/3 napájecího napětí (prahová hodnota) dojde k překlopení vnitřního klopného obvodu, výstup se překlopí na nízkou úroveň a kondenzátor se začne vybíjet. Nyní je kondenzátor vybíjen pouze přes rezistor R2 a pin č. 7 (555) a to až do doby, kdy napětí na kondenzátoru klesne pod úroveň 1/3 napájecího napětí. V tu chvíli dojde opět k překlopení vnitřního klopného obvodu a stejně tak i výstupu zpět do vysoké úrovně a celý cyklus se tak opakuje. (Pandatron, 2008)

Obr. 16

Průběh napětí na výstupu obvodu a na kondenzátoru C1. (Pandatron, 2008)

Praktická část

28

4.2 Realizace IR majáku Realizace vychází ze základního zapojení astabilního klopného obvodu. Je nutné znát hodnoty těchto veličin a prvků: T = perioda [s] f = frekvence [Hz] R1, R2 = rezistory [Ω] C1, C2 = kondenzátory [F] Doba periody T byla stanovena z převrácené hodnoty frekvence

Tudíž T = 8,33 × 10-4 s. Dále bylo nutné dopočítat hodnoty součástek pro požadovanou periodu. Kondenzátor C1 je vybrán poměrově (tab. č. 1).

Tab. 1

Frekvence AKO při různé kombinaci součástek.

C1 1 nF 10 nF 100 nF 1 μF 10 μF

R2 = 10 k R1 = 1 k 68 kHz 6,8 kHz 680 Hz 68 Hz 6,8 Hz

R2 = 100 k R1 = 10 k 6,8 kHz 680 Hz 68 Hz 6,8 Hz 0,68 Hz

R2 = 1 M R1 = 100 k 680 Hz 68 Hz 6,8 Hz 0,68 Hz 0,068 Hz

Jelikož frekvenci kmitání 1200 Hz neodpovídá žádná z uvedených ideálních kombinací kondenzátoru a odporů, musely být tyto hodnoty dopočítány. Kondenzátor je vybrán vždy z příslušné vyšší řady. Při přepočítání hodnoty frekvence obvodu s hodnotou použitého kondenzátoru 0,47 μF, se frekvence dostala na 1230 Hz. Rezistory se vyrábí ve více hodnotových řadách, tudíž se zpravidla počítají později. Dle rovnice pro periodu byly vypočteny hodnoty: R1 = 470 Ω,R2 = 1 kΩ, C1 = 0,47 μF a C2 standardně zvolen 10 nF. K infračervené diodě byl do série s katodou umístěn předřadný rezistor o velikosti 1kΩ aby nedošlo k přepálení. Pro plnohodnotnou funkčnost tohoto obvodu stačilo 5V napájení za stabilizovaného zdroje. Pomocí digitálního osciloskopu byla naměřena na vývodech diody perioda kmitání obvodu. (obr. č. 17).

Praktická část

Obr. 17

29

Průběh skutečné frekvence obvodu

4.3 Návrh systému pro určení polohy Pro určování polohy na Zemi pomocí systému GPS je nutné, aby přijímač získával informace alespoň ze tří družic obíhajících naši Zemi. Družice svým letem přesně kopírují přednastavené trajektorie. Tyto družice vysílají informace o své poloze a čase v daném okamžiku, kdy jsou o to požádány. Přijímač je pak schopen s přesností na desítky až jednotky metrů určit svou polohu. I v této aplikaci je nutností přijímat infračervený signál ze tří majáků. Aby však bylo možno rozlišit, ze kterého majáku se právě signál přijímá, je zapotřebí provést synchronizaci mezi těmito majáky. Jako nejvhodnější řešení synchronizace byla zvolena možnost, že každý maják bude vysílat (blikat) určitou dobu. Načasování bylo zvoleno tak, že první maják vysílá 1 sekundu, druhý 3 sekundy a třetí 5 sekund. Doba jednoho cyklu činní 9 sekund. Tento princip postupného časování se podařil realizovat pomocí Johnsonova čítače (integrovaný obvod 4017). Johnsonův čítač vychází z kruhového čítače, kdy je na vstup prvního klopného obvodu přiveden negovaný výstup posledního klopného obvodu (obr. č. 18). V počátečním okamžiku je na jednotlivých výstupech Qn čítače hodnota 0000. Po příchodu prvního pulsu hodinového signálu je na vstup prvního klopného obvodu přivedena negovaná hodnota posledního KO, tedy 1. Tato logická 1 je s každým dalším hodinovým signálem posouvána až do okamžiku, kdy je přivedena na vstup posledního klopného obvodu. Ten změní svou hodnotu na negovaném vstupu na logickou 0 a celá situace se opět opakuje pro logickou 0 (tab. č. 2). Johnsonův čítač má 10 logických výstupů, 2 napájecí piny, hodinový vstup pro nastavení časování spínání jednotlivých logických výstupů, resetovací pin pro obnovení cyklu spínání mezi vývody.

Praktická část Tab. 2

Pravdivostní hodnoty výstupů Johnsonova čítače.

Posun 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Obr. 18

30

KO 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1

KO 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0

KO 2 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0

Vnitřní zapojení Johnsonova čítače (Pandatron, 2008)

KO 3 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

Praktická část

31

4.4 Realizace systému pro určení polohy Astabilním klopným obvodem s NE555 (obr. č. 15) byla Johnsonovu čítači nastavena perioda spínání mezi jednotlivými vývody na 1 sekundu. Toho se docílilo spojením výstupního pinu č. 3 z NE555 se vstupním časovacím pinem CLOCK č. 14 IO 4017. Výpočet doby kmitání na 1 sekundu pomocí již použitých vzorců (). K nastavení majáků na zvolenou dobu spínání (1, 3 a 5 sekund (obr. č. 19, 20, 21)) již stačilo vývody z Johnsonova čítače vhodně propojit s každým majákem. K resetovacímu pinu (č. 4) prvního majáku tak putuje informace z výstupu Q0. Ke druhému majáku putují informace ze spojených vývodů Q1, Q2, Q3 a ke třetímu informace z vývodů Q4, Q5, Q6, Q7 a Q8. Takhle jsou zajištěny periody spínání jednotlivých majáků. Majáky jsou tedy kabelově propojeny s tímto řídícím obvodem. V kabelu ke každému majáku vedou tři vodiče. Jeden vodič nese tyto informace o spínání z Johnsonova čítače a další dva jsou napájecí, tudíž +12 V a zemnící vodič.

Obr. 19

Doba sepnutí prvního majáku.

Obr. 20

Doba sepnutí druhého majáku.

Praktická část

Obr. 21

32

Doba sepnutí třetího majáku.

Jednotlivé obvody byly nejprve zapojeny a odzkoušeny na tzv. nepájivém kontaktním poli (obr. č. 22). Tento typ pole je vhodný na prototypování elektronických obvodů. Pole, na kterém bylo zkoušeno, mělo 840 slotů na vývody součástek a je uzpůsobeno tak, že okrajové části jsou propojeny vertikálně a slouží pro přívod napájení. Střední část pole je rozděleno na dva bloky, V každém řádku je 10 slotů a po 5 slotech jsou horizontálně propojeny. Řádky jsou označeny čísly (1–63) sloupce pak písmeny (a–j). Střední mezera je širší, neboť je rozměrově přizpůsobena pro integrované obvody.

Obr. 22

Kontaktní pole.

Po odladění obvodů a vyzkoušení vhodnosti součástek na nepájivém, kontaktním poli byly součástky připájeny na desky z epoxidového sklolaminátu. Tahle deska je předvrtána s určitým rastrem a pocínována. Byly tedy vytvořeny čtyři destičky s plošnými spoji. Jedna obsahuje řídicí obvod (AKO + Johnsonův čítač). Její rozměr je 5 × 10-2 na 7 × 10-2 m. Na zbylých třech jsou majáky

Praktická část

33

(AKO + 3 IR led diody). Jejich fyzické rozměry jsou 5 × 10-2 na 2,5 × 10-2 m. Řídící obvod je umístěn v kartonové krabičce s vypínačem, který slouží k přerušení vstupu elektrického proudu do obvodů. Uvnitř krabičky jsou umístěny svorky pro připojení bateriového zdroje a z boční strany krabičky jsou svorky (v podobě elektrikářské čokolády) pro připojení napájení ze stabilizovaného zdroje napětí (Tesla BK 126). Celou aparaturu je nutno napájet 12V stejnosměrného napětí. Pro astabilní klopné obvody je postačující již zmiňovaných 5 V, ale pro řídicí obvod je toto napájení nedostačující. Při experimentech s nižším napětím integrovaný obvod 4017 nespínal své výstupy v nastaveném časovém intervalu, resp. do majáků přicházely různé hodnoty napětí a oscilátory nefungovaly správně. Z důvodu použití vyššího napájení a nutnosti odfiltrování rušení, je u každého integrovaného obvodu umístěn malý 10 nF keramický kondenzátor.

Obr. 23

Fyzický vzhled majáku s IR diodami.

4.5 Konstrukce robotického systému Původní záměr téhle lokalizační aplikace bylo její využití v rámci soutěže Eurobot. Při soutěži je konstrukce robotického systému poměrně složitá. Kostra robotu obsahuje nosné, kovové prvky. Je vybaven mnoha senzory pro detekci nárazu, ujetí vzdálenosti apod. Obsahuje často barevnou kameru pro snímání předmětů, motory pro otáčení senzorů a servopohony pro pohyb kol nebo pro sevření čelistí při úkolech, kde je třeba přemístit nějaký předmět. Obvykle bývá využito 2–3 NXT kostek. K jedné kostce lze pomocí multiplexoru připojit tři motory a čtyři senzory. Jelikož z konání této akce sešlo, robotický systém byl pro experimentování zkonstruován jedním z nejběžnějších způsobů. Pohon kol je vyřešen dvěma klasickými motory od společnosti Lego Mindstorms a v zadní části systému je umístěno otočné kolečko pro otočení celého systému prakticky

Praktická část

34

v jednom bodě. Zadní opěrné kolečko působí minimálním odporem vůči podložce. Tahle konstrukce robotu se nazývá tribot (obr. č. 24). Nad motory je umístěna NXT kostka a přímo nad středem osy kol (tedy nad středem otáčení) je IR senzor (IRSeekerV2).

Obr. 24

Konstrukce robota a stojany s majáky.

4.6 Vytvoření aplikace pro určení polohy robota v pracovním prostoru. Při konstrukci majáků a ověřování, zda IR senzor na jejich, pro lidské oko neviditelné světlo, reaguje, bylo využíváno jednoduchého blokového prostředí Lego Mindstorms NXT (prostředí dodávané přímo se stavebnicí Lego Mindstorms). Samotná aplikace pro určení polohy robotu v pracovním prostoru je napsána v programovacím jazyce Java. Jako vývojové prostředí bylo využito Eclipse a firmwaru leJOS pro obsluhu funkcí jazyku Java. Lejos nabízí pro obsluhu IR senzoru tyto předdefinované metody:  setMode – nastavuje režim senzoru, zda bude reagovat na AC - modulovaný (1200Hz) nebo DC - nemodulovaný signál.  getDirection – udává číslo směru, ze kterého přijímá IR signál. Směry jsou 1–9, v případě, že je nulový, tak signál není detekován.  HasDirection – pravdivostní hodnota proměnné, zda senzor přijímá či nepřijímá signál.

Praktická část

35

 getAngle – vrátí úhel, pod kterým je detekován signál (-180 to 180) nebo N v případě absence signálu.  getSensorValue – udává hodnotu přijatého signálu z daného směru, jako parametr je nutné této funkci zadat číslo směru (1–5). Hodnota je v rozmezí 0–255 a jedná se o intenzitu snímaného signálu.  getSensorValues – stejná funkce jako getSenzorValue jen s tím rozdílem, že vyhodnotí intenzitu ve všech pěti směrech senzoru současně a hodnoty zapíše do pole.  getAverage – udává průměrnou hodnotu přijatého signálu z daného směru, jako parametr je nutné této funkci zadat číslo směru (1–5). Hodnota je v rozmezí 0–255. Funguje jen pro nemodulovaný signál.  toString – převádí sílu signálu na řetězcovou reprezentaci. Jak již bylo uvedeno v teoretické části, vypočítání souřadnic robotického systému je úkolem globální navigace. Zde je využito metod absolutní navigace. Jedna aplikace využívá metodu trilaterace a druhá metodu triangulace. 4.6.1

Program pro trilateraci

Trilaterace definuje polohu robota na základě naměřených vzdáleností od referenčních bodů (v tomto případě infračervených majáků). Program vychází z metody getSenzorValue, která určuje intenzitu signálu. Následující graf zobrazuje závislost intenzity na vzdálenosti (obr. č. 25). Při minimální vzdálenosti senzoru od zdroje signálu dostáváme hodnotu kolem 140, při vzdalování dochází k velmi intenzivnímu poklesu intenzity. Ve vzdálenosti jeden metr je tato hodnota téměř nulová.

Praktická část

Obr. 25

Graf intenzity záření v závislosti nevzdálenosti od zdroje signálu.

Obr. 26

Interpolovaná křivka závislosti.

36

Původní koncept byl takový, že IR senzor načte ze svých pěti přijímacích směrů intenzitu IR záření a s těmito hodnotami se bude dále operovat. Zde se projevil problém se základním prvkem navigačního systému a to s IR LED diodami. Světlo vyzářené tímto zdrojem má kuželový tvar a intenzita světla uprostřed je jiná než na okrajích kuželu. Bylo rozhodnuto zrušit cyklus spínání, neboť načasování nebylo pro tuto aplikace příliš vhodné. Došlo tedy k úpravě schématu zapojení. Do řídicího obvodu byl přidán přepínač režimů blikání majáků. Jeden režim je již zmiňovaný cyklus trvající 9 sekund a druhý režim nabízí stálé svícení všech majáků současně. Odpadl problém časování, ale bylo zjištěno, že v místě překrytí signálů ze dvou majáků je intenzita záření větší, než v přímém směru k jednomu majáku (obr. č. 27).

Praktická část

Obr. 27

37

Detekce signálu z více zdrojů současně.

Detektor č. 2 (obr. č. 27) vykazuje v tomto případě vyšší intenzitu, než detektor č. 1, který je v přímém směru. Opět tedy nebylo možné nechat IR senzor načíst intenzitu záření ze všech svých detektorů. Experimentálně bylo zjištěno, že nejspolehlivější detekce signálu je ve třetím detekčním poli, tedy v přímém směru senzoru. Z tohoto důvodu je aplikace vyřešena tak, že se celý robotický systém natočí ke každému majáku. Do datového pole uloží několik hodnot přijatých ze směru 3. detektoru. Z těchto hodnot je vybrána ta největší. Tohle se provede u každého majáku a získají se tak hodnoty pro výpočet souřadnic (obr. č. 28). Spuštění zdrojů IR signálu Spuštění robotického systému Detekce intenzity signálu z 1. majáku

Výběr nejpřesněji načtených hodnot

Detekce intenzity signálu z 2. majáku

Výpočet souřadnic

Detekce intenzity signálu z 3. majáku Obr. 28

Zobrazení souřadnic

Diagram pro výpočet souřadnic metodou trilaterace.

Praktická část

38

Do výpočtů (obr. č. 29) se však musí dosadit hodnoty vzdálenosti v centimetrech podle interpolační křivky intenzity IR záření (obr. č. 26).

Obr. 29

Schéma trilaterace.

Vzorce pro výpočet souřadnic pomocí metody trilaterace. x, y … souřadnice d, i, j … vzájemná pozice majáků r1, r2, r3 … poloměry kružnic (intenzita záření)

Ukázka programu v jazyce Java s příslušným komentářem je umístěn v sekci přílohy na konci tohoto dokumentu, kompletní program pak na přiloženém CD.

Praktická část

4.6.2

39

Program pro triangulaci

Triangulace definuje polohu robota pomocí měření tří úhlů mezi referenčními body a robotickým systémem. Lze pracovat buď s vysílačem na robotu a několika přijímači umístěnými v okolí, nebo naopak několik vysílačů – majáků a jeden přijímač. Princip majáků lze využít při větším počtu robotů. Tvorba aplikace vychází z metody senzoru getAngle, která udává úhel, pod kterým je signál detekován a to v rozmezí od -120° do 120° (obr. č. 30). V případě, že signál nepřijímá, vrátí hodnotu NaN což je speciální typ proměnné float. Zde je využito režimu postupného blikání majáků v cyklu. Vycházíme z toho, že je známá vzdálenost mezi majáky. Metoda určení úhlu, ze kterého je signál přijat vykazuje hodnoty s přesností po 30° ale jak vyplývá ze sinové či kosinové věty pro různostranný trojúhelník, nestačí znát jen úhel a stranu. Proto musí být do aplikace zahrnuta další metoda použitá již v předchozím případě a to getSenzorValue pro určení vzdálenosti od referenčního bodu (obr. č. 31).

Obr. 30

Detekce úhlu příjmu signálu.

Sinová věta

Kosinová věta

Praktická část

40

Výška trojúhelníku:

Spuštění zdrojů IR signálu Spuštění robotického systému

Detekce intenzity signálu z nejbližšího majáku

Detekce úhlu signálu z 1. majáku

Výpočet souřadnic


Zobrazení souřadnic


Hodnoty jsou načteny a liší se NE

Obr. 31

ANO

Diagram pro výpočet souřadnic metodou triangulace.

Ukázka programu v jazyce Java s příslušným komentářem je umístěn v sekci přílohy na konci tohoto dokumentu, kompletní program pak na přiloženém CD.

Diskuze

41

5 Diskuze V lokalizaci jde především o přesné vyhodnocení souřadnic objektu s minimální možnou odchylkou od reality. Podstatou vyhodnocení polohy je detekce signálu z vysílačů. Reálné nastavení frekvence vysílačů odpovídá požadavkům, avšak potýkáme se zde s problémem intenzity světla emitovaného diodami. IR senzor od společnosti Hitechnic vyhodnocuje intenzitu signálu v rozsahu 0–255. Při experimentování bylo dosaženo maximální možné intenzity pouze kolem 140 a s rostoucí vzdáleností intenzita rapidně klesá. Ve vzdálenosti přibližně 0,4 m od zdroje je pokles intenzity 90% a od 1 m je IR signál téměř zanedbatelný. Přitom samotná detekce signálu senzorem je patrná na vzdálenost až 4 m. K převedení jednotek intenzity na jednotky délky je vhodné použít metody aproximace. Jako možné zdokonalení se nabízí buzení diod vyšším proudem za použití výkonového tranzistoru mezi výstup oscilačního obvodu a IR diodu. Intenzita by tak mohla stoupnout a systém by mohl být využit ve větším pracovním prostoru. Z toho vyplývá i možnost použití více IR diod na jednom vysílači tudíž překrytí signálů a intenzivnější pokrytí plochy před vysílačem. Stává se, že se robotický systém ocitne v hluchém místě, kde nevidí na všechny vysílače. Z tohoto důvodu, by stála za zvážení možnost, realizovat detekci signálu dvěma senzory. Došlo by k pokrytí celého perimetru bez nutnosti otáčení robotickým systémem. IR senzor má 9 směrů příjmu signálu, ale to jen pro detekci, jestli má signál či nikoliv. Pro vyhodnocení intenzity je určeno pouze 5 směrů v rozsahu 180° a přitom směr 2 a 4 je udán překrytím signálu z okolních detektorů. Projevilo se to jako dosti velká nevýhoda v použití senzoru, chceme-li zjistit intenzitu z určitého směru.

Závěr

42

6 Závěr Cílem bylo vytvořit aplikaci s příslušnými hardwarovými prvky pro lokalizaci robotického systému v pracovním prostoru. Pro přesnost lokalizace je důležité, aby přijímač detekoval signály z vysílačů co nejlépe. Základem tak bylo navrhnout spolehlivý kmitavý zdroj infračerveného signálu, který jej bude vysílat do okolí na frekvenci 1200 Hz. To je frekvence definovaná přijímačem. Bylo tak dosaženo použitím astabilního klopného obvodu a infračervených diod emitujících světlo. Vytvořeny byly tři vysílače. Klíčovým se tak stal návrh rozpoznání jednotlivých vysílačů od sebe. Bylo rozhodnuto o vytvoření časovacího obvodu, který synchronizuje vysílače. Časovací obvod spíná periodicky jednotlivé vysílače v časových intervalech 1, 3 a 5 sekund. Tento řídicí obvod bylo nutno později modifikovat pro program trilaterace. Za pomoci přepínače byl do obvodu přidán režim stálého sepnutí všech tří vysílačů. Ze stavebnice Lego Mindstorms byla sestavena za použití NXT kostky, dvou motorů pro pohon kol, podpůrného kolečka, infračerveného senzoru a spojovacího materiálu jednoduchá konstrukce robotu zvaná tribot. Stojany pro majáky byly vytvořeny též pomocí této stavebnice. Aplikace má dvě části, první program využívá metod trilaterace, tudíž zjištění vzdálenosti od jednotlivých majáků na základě intenzity infračerveného signálu vyzářeného diodami. Zde dochází k největším nepřesnostem v určení polohy, neboť dioda má kuželovité světlo a vznikají tak místa s překrytím signálu, tudíž větší intenzitou. Druhý program je založen na principu triangulace. K dispozici máme z IR senzoru hodnoty velikostí úhlů mezi jednotlivými majáky, vzdálenosti mezi majáky známe, neboť se pohybujeme v předem definovaném pracovním prostoru. Tudíž postačí snímat vzdálenost pouze od jednoho majáku. Z důvodu poklesu intenzity záření IR diod ve větších vzdálenostech je použití tohoto systému možné pouze pro lokalizaci robotického systému do cca 1 m od majáků s přesností kolem 0,2 m. Tudíž je systém určen jen pro demonstrativní účely a laboratorní použití. Původním plánem bylo využití lokalizačního systému v mezinárodní soutěži Eurobot. Herní plocha soutěže je definována rozměry 2 × 3,5 m tudíž by bylo možné systém využít např. jen na vlastní polovině herní plochy. Při tvorbě systému bylo pracováno s kontaktním polem pro experimenty s elektronickými obvody, digitálním osciloskopem, stabilizovaným zdrojem napětí a jinými elektronickými přístroji. Pro psaní aplikací bylo využito programovacího jazyku Java a vývojového prostředí Eclipse. Další prací na systému by bylo možné vylepšit přesnost orientace, buď použitím dvou senzorů, větším počtem majáků, zesílením výkonu nebo použitím jiného typu diod.

Literatura

43

7 Literatura 





















AIMFORTHESTARS. NXT Brick [online]. University of NebraskaOmaha, 2011 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://aimforthestars.unomaha.edu/pages/rcxnxt.php BLOZIS, Steve. I2C MANUAL. In: [online]. 2003 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://www.nxp.com/documents/application_note/AN10216.pdf CARRUTHERS, Jeffrey. Wireless Infrared Communications. In: [online]. Boston University, Boston, MA 02215 USA., 2002 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://iss.bu.edu/jbc/Publications/jbc-bc1.pdf EDUCATECH. LEGO MINDSTORMS NXT Sensors [online]. 2012 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://www.educatec.ch/about/presse/LEGO_MINDSTORMS_NXT/LE GO_MINDSTORMS_NXT_Sys FTC. First Tech Chalenge: IRSEEKER V2 CHARACTERISTICS [online]. 2009 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://www3.usfirst.org/uploadedFiles/Community/FTC/Team_Resour ces/IRSeekerV2characteristicsR2-rev3.pdf HITECHNIC Products. NXT IRSeeker V2 [online]. 2012 [cit. 2012-0516]. Dostupné z: http://www.hitechnic.com/cgibin/commerce.cgi?preadd=action&key=NSK1042 HITECHNIC. NXT IRLink Sensor [online]. 2012 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://www.hitechnic.com/cgibin/commerce.cgi?preadd=action&key=NIL1046 HITECHNIC. NXT IRReceiver Sensor [online]. 2012 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://www.hitechnic.com/cgibin/commerce.cgi?preadd=action&key=NIR1032 HURT, Robert a Jim KELLER. What is Infrared. Http://coolcosmos.ipac.caltech.edu [online]. 2000 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/ir_tutorial/what _is_ir.html IAM, Yeung. Bezdrátová síť senzorů sleduje obsazení míst v parkovací garáži. Automa: časopis pro automatizační techniku [online]. 2011, roč. 2011, č. 4 [cit. 2012-05-16]. ISSN 1210-9592. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/res/pdf/43418.pdf JAKEŠ, Tomáš. Robotické vzdělávání: Řídicí jednotka. [online]. ZČU v Plzni, 2010, 2012 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: https://www.lego.zcu.cz/web/ridici-jednotka

Literatura





 









 





44

KADLEC, Karel. Infračervené detektory versus pelistory, Automa: časopis pro automatizační techniku [online]. Praha 8: FCC Public s. r. o., 2004/12 [cit. 2012-05-16]. ISSN 1210-9592. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=32653 KAINE-KROLAK, Maureen a Mark NOVAK. An Introduction to Infrared Technology: Applications in the Home, Classroom, Workplace, and Beyond: [online]. University of Wisconsin, Madison, 1995 [cit. 2012-0516]. Dostupné z: http://trace.wisc.edu/docs/ir_intro/ir_intro.htm LEGO, Mindstorms. [online]. 2012 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://mindstorms.lego.com/en-gb/whatisnxt/default.aspx MINDSENSORS. HS311 RC Servo [online]. 2011 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://mindsensors.com/index.php?module=pagemaster&PAGE_user_ op=view_page&PAGE_id=98 MINDSENSORS. Infrared distance sensor for NXT [online]. 2011 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://mindsensors.com/index.php?module=pagemaster&PAGE_user_ op=view_page&PAGE_id=73 MINDSENSORS. NXTSumoEyes - V2 [online]. 2011 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://mindsensors.com/index.php?module=pagemaster&PAGE_user_ op=view_page&PAGE_id=75 NÁSIROVÁ, Michaela. Infračervené záření a jeho působení na lidský organismus. [online]. 2000 s. 13 [cit. 2012-04-22]. Dostupné z: http://www.2es.cz/med/_layout/download/ir-med.pdf NGUYEN, Timmy a Leonidas DELIGIANNIDIS. Utilizing Infrared Technology to Prevent Terrorist Attacks. In: [online]. Boston, MA, USA, 2011 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://faculty.cs.wit.edu/~ldeligia/PROJECTS/flir/ISI11.pdf NOVÁK, Petr. Mobilní roboty. Praha: BEN, 2007. 248 s. ISBN 80-7300141-1. Pandatron: Elektrotechnický magazín [online]. 2008 [cit. 2012-05-17]. ISSN 1803-6007. Dostupné z: http://pandatron.cz/?490&555_a_556__zakladni_zapojeni THALLER, Michelle. COOLCOSMOS. Discovery of Infrared [online]. 2000 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/ir_tutorial/disco very.html THALLER, Michelle. Herschel Discovers Infrared Light [online]. [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/resources/paper_products/print_pu blication_pdf/herschel.pdf

Literatura



45

VLACHOVÁ, Magda. Infračervené záření. Techmania [online]. 2008 [cit. 2012-05-16]. Dostupné z: http://techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=4f 7074696b61h&key=690

Přílohy

46

Přílohy

Seznam obrázků

47

A Seznam obrázků OBR. 1 OBR. 2 OBR. 3 OBR. 4 OBR. 5 OBR. 6 OBR. 7 OBR. 8 OBR. 9 OBR. 10 OBR. 11 OBR. 12 OBR. 13 OBR. 14 OBR. 15 OBR. 16 OBR. 17 OBR. 18 OBR. 19 OBR. 20 OBR. 21 OBR. 22 OBR. 23 OBR. 24 OBR. 25 OBR. 26 OBR. 27 OBR. 28 OBR. 29 OBR. 30 OBR. 31 OBR. 32 OBR. 33 OBR. 34 OBR. 35 OBR. 36

ELEKTROMAGNETICKÉ A VIDITELNÉ SPEKTRUM (HURT, KELLER, 2000) ....... 9 TYPICKÝ BEZDRÁTOVÝ IR PŘENOS (J. B. CARRUTHERS, 2002) ........................... 11 BĚŽNÉ TYPY IR KOMUNIKAČNÍCH SYSTÉMŮ. (J. B. CARRUTHERS, 2002) ....... 12 SCHÉMA IR SENZORU (KADLEC, 2004) .................................................................... 14 3D MODELY BUDOV S PŘEKRYTÍM ZÁBĚRŮ Z IR KAMER (NGUYEN, 2011) ...... 15 ZÁKLADNÍ PŘÍSLUŠENSTVÍ KE KOSTCE NXT. (EDUCATECH, 2012) ................... 16 VNITŘNÍ BLOKY PROGRAMOVATELNÉ KOSTKY. (JAKEŠ, 2012) ......................... 17 PROGRAMOVATELNÁ KOSTKA. (AIMFORTHESTARS, 2011) ................................. 18 IR SEEKERV2. (HITECHNIC, 2012) ............................................................................. 19 ROZDĚLENÍ SMĚRŮ DETEKTORŮ V SENZORU. (FTC, 2009)................................20 ZÓNY SNÍMÁNÍ JEDNOTLIVÝCH DETEKTORŮ (FTC, 2009). ................................20 NXT IRRECEIVER SENZOR (HITECHNIC, 2012) ...................................................... 21 SCHÉMA DETEKCE SIGNÁLU. (MINDSENSORS, 2011) ........................................... 22 IR SNÍMAČ PRO VELKOU VZDÁLENOST. (MINDSENSORS, 2011) ........................ 22 ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ ASTABILNÍHO KLOPNÉHO OBVODU. ............................... 26 PRŮBĚH NAPĚTÍ NA VÝSTUPU OBVODU A NA KONDENZÁTORU C1. (PANDATRON, 2008) .................................................................................................... 27 PRŮBĚH SKUTEČNÉ FREKVENCE OBVODU ............................................................ 29 VNITŘNÍ ZAPOJENÍ JOHNSONOVA ČÍTAČE (PANDATRON, 2008) .....................30 DOBA SEPNUTÍ PRVNÍHO MAJÁKU. ......................................................................... 31 DOBA SEPNUTÍ DRUHÉHO MAJÁKU. ....................................................................... 31 DOBA SEPNUTÍ TŘETÍHO MAJÁKU........................................................................... 32 KONTAKTNÍ POLE. ....................................................................................................... 32 FYZICKÝ VZHLED MAJÁKU S IR DIODAMI. ............................................................. 33 KONSTRUKCE ROBOTA A STOJANY S MAJÁKY. ..................................................... 34 GRAF INTENZITY ZÁŘENÍ V ZÁVISLOSTI NEVZDÁLENOSTI OD ZDROJE SIGNÁLU. ........................................................................................................................ 36 INTERPOLOVANÁ KŘIVKA ZÁVISLOSTI. .................................................................. 36 DETEKCE SIGNÁLU Z VÍCE ZDROJŮ SOUČASNĚ. ................................................... 37 DIAGRAM PRO VÝPOČET SOUŘADNIC METODOU TRILATERACE. .................... 37 SCHÉMA TRILATERACE. .............................................................................................38 DETEKCE ÚHLU PŘÍJMU SIGNÁLU. ......................................................................... 39 DIAGRAM PRO VÝPOČET SOUŘADNIC METODOU TRIANGULACE. ...................40 SCHÉMA ZAPOJENÍ AKO S ČASOVACÍM OBVODEM A TŘÍ AKO S IR DIODAMI.55 STOŽÁR S IR MAJÁKEM. .............................................................................................. 56 ROZESTAVĚNÍ MAJÁKŮ PRO TRILATERACI ........................................................... 56 ROZESTAVĚNÍ MAJÁKŮ PRO TRIANGULACI .......................................................... 57 ROBOT V PRACOVNÍM PROSTORU ............................................................................ 57

Seznam tabulek

48

B Seznam tabulek TAB. 1 FREKVENCE AKO PŘI RŮZNÉ KOMBINACI SOUČÁSTEK. .........................................28 TAB. 2 PRAVDIVOSTNÍ HODNOTY VÝSTUPU JOHNSONOVA ČÍTAČ……………………………30


49

C Ukázka programu pro trilateraci import import import import import import import import import

java.util.Arrays; //načtení příslušných tříd lejos.nxt.Button; lejos.nxt.SensorPort; lejos.nxt.addon.IRSeekerV2; lejos.nxt.addon.IRSeekerV2.Mode; lejos.nxt.Motor; lejos.robotics.navigation.DifferentialPilot; javax.microedition.location.Orientation; lejos.util.Delay;

public class trilaterace {

//hlavní třída

int r1,r2,r3; //poloměry kružnic int d=100; //vzdálenost majáků na ose X int j=40; //vzdálenost majáku na ose Y int i=50; //polovina vzdálenosti majáku na ose X float x; //souřadnice X float y; //souřadnice Y float pom1; //pomocné proměnné float pom2; int [] poleVzdalenosti1 = new int [10]; //pole hodnot //intenzity int [] poleVzdalenosti2 = new int [10]; int [] poleVzdalenosti3 = new int [10]; int m1; //největší intenzita 1. majáku int m2; //největší intenzita 2. majáku int m3; //největší intenzita 3. majáku public void irSenzor(){ //konstruktor IR senzoru IRSeekerV2 s = new IRSeekerV2(SensorPort.S1, Mode.DC); //konstruktor řízení podvozku robota DifferentialPilot pilot = new DifferentialPilot(2.2f, 3.858f, Motor.A, Motor.B); //nastavení rychlosti otáčení motorů pilot.setRotateSpeed(40); //senzor vidi na prvni majak a načítá z něj //hodnoty do pole poleVzdalenosti1 = s.getSensorValues();


50

//seřazení hodnot v poli podle velikosti Arrays.sort(poleVzdalenosti1); m2 = poleVzdalenosti1[poleVzdalenosti1.length-1]; //otočení robota o 90 stupnu pilot.rotate(-90); //postupné načtení hodnot intenzity ze zbylých //majáků poleVzdalenosti2 = s.getSensorValues(); Arrays.sort(poleVzdalenosti2); m3=poleVzdalenosti2[poleVzdalenosti2.length-1]; pilot.rotate(-90); poleVzdalenosti3 = s.getSensorValues(); Arrays.sort(poleVzdalenosti3); m1 = poleVzdalenosti3[poleVzdalenosti3.length-1]; System.out.println("treti: "+ m1 +","); pilot.rotate(-90); … //prirazeni prvnimu majaku hodnoty intenzity v cm if (m1>=120){ r1=10; }else if ((m1>=60)&&(m1<=120)){ r1=15; }else if ((m1>=35)&&(m1<=60)){ r1=20; }else if ((m1>=25)&&(m1<=35)){ r1=25; }else if ((m1>=17)&&(m1<=25)){ r1=30; }else if ((m1>=10)&&(m1<=17)){ r1=35; }else if ((m1>=8)&&(m1<=10)){ r1=40; }else if (m1==7){ r1=45; }else if (m1==6){ r1=55; }else if (m1==5){ r1=60; }else if (m1==4){ r1=70; }else if (m1==3){ r1=90; }else if (m1==2){ r1=100;


. . . //vypocet souradnice X x=((r1*r1)-(r2*r2)+(d*d))/(2*d); //vypocet souradnice Y pom1=(((r1*r1)-(r3*r3)+(i*i)+(j*j))/(2*j)); pom2=((i/j)*x); y=(pom1-pom2); //vypsání souřadnic na obrazovku System.out.println("souradnice X: " + x); System.out.println("souradnice Y:" + y); //čekací smyčka dokud není stlačeno tlačítko Button.waitForAnyPress(); } //volání hlavní funkce programu public static void main(String[] args) { trilaterace a = new trilaterace(); a.irSenzor();

51


52

D Ukázka programu pro triangulaci public class trangulace { . . . public void irSenzor(){ IRSeekerV2 s = new Mode.AC);

IRSeekerV2(SensorPort.S1,

u1 = s.getAngle(); while (Double.isNaN(u1)){ u1 = s.getAngle(); } Delay.msDelay(2000); u2 = s.getAngle(); while((u1 == u2)||(Double.isNaN(u2))){ u2 = s.getAngle(); } u3 = s.getAngle(); while ((u2==u3)||(u1==u3)||(Double.isNaN(u3) )){ u3 = s.getAngle(); } if (u1

53

pilot.setRotateSpeed(40); //natoceni robota k prostrednimu majaku if (u2==-30){ //zaporne uhly pilot.rotate(30); }else if (u2==-60){ pilot.rotate(60); }else if(u2==-90){ pilot.rotate(90); }else if (u2==-120){ pilot.rotate(120); //kladne uhly }else if (u2==30){ pilot.rotate(-30); }else if(u2==60){ pilot.rotate(-60); }else if (u2==90){ pilot.rotate(-90); }else if (u2==120){ pilot.rotate(-120); } . . . //robot se natoci na prostredni majak a nacte do pole hodnoty intenzity poleVzdalenosti3 = s.getSensorValues(); Arrays.sort(poleVzdalenosti3); int2 = poleVzdalenosti3[poleVzdalenosti3.length-1]; //prepocet intenzity na vzdalenost; . . . System.out.println("stred: "+double2); //vypocet tri uhlu prvniho trojuhelniku a = 40d; //vzdalenosti mezi majaky d = 40d; b = stred; alfa = Math.abs(u1)-Math.abs(u2); alfaRad = Math.toRadians(alfa); aPodil=a/(Math.sin(alfaRad)); sinBeta= b/aPodil; betaRad= Math.asin(sinBeta);


54

alfa=Math.toDegrees(alfaRad); beta=Math.toDegrees(betaRad); gamma = 180-alfa-beta; //hodnoty uhlu System.out.println("alfa:"+alfa+"beta:"+beta+"gamma"+gamma) ; . . . public static void main(String[] args) { TRI_uhly a = new TRI_uhly(); a.irSenzor(); } }

Schéma zapojení obvodů

E Schéma zapojení obvodů

Obr. 32

Schéma zapojení AKO s časovacím obvodem a tří AKO s IR diodami.

55

Fotogalerie

F Fotogalerie

Obr. 33

Stožár s IR majákem.

Obr. 34

Rozestavění majáků pro trilateraci

56

Fotogalerie

Obr. 35

Rozestavění majáků pro triangulaci

Obr. 36

Robot v pracovním prostoru

57

Seznam použitých součástek

G Seznam použitých součástek 9 × IR LED dioda 6 × rezistor 470 Ω 4 × keramický kondenzátor 10 nF 4 × rezistor 1 kΩ 4 × integrovaný obvod NE555 3 × elektrolytický kondenzátor 0,47 μF 1 × rezistor 1 MΩ 1 × elektrolytický kondenzátor 1,47 μF 1 × integrovaný obvod 4017

58

Orientace robotického systému v pracovním prostoru pomocí optických senzorů

Recommend Documents