Мобильному роботу для движения в нужном направлении, взаимодействия с окружающей средой и определения своего реального положения в пространстве необходимо ориентироваться в окружающем мире. Такая информация очень важна для его функционирования. В мобильной робототехнике для этой цели используются следующие устройства:
- 2D LIDAR (LIDAR является аббревиатурой, которая расшифровывается как "дальномер" на основе лазерных радаров происходит от RADAR) - сканируют в одной плоскости, получая плоскую карту области;
- 3D LIDAR — «кивающие», сканируют, ходя из стороны в сторону, получая объемную карту области;
- Flash LIDAR — в них нет подвижных частей, но они получают объемную карту области за счет лазерного импульса, который освещает всю область измерения;
- стереокамеры;
- ультразвуковые датчики.
В последнее время значительно возросла популярность LIDAR - лазерных дальномеров. Это связано с тем, что они имеют ряд преимуществ. При помощи лазерных дальномеров проще составлять карту района, чем с использованием стереокамер. Для корректного составления карты с использованием стереокамеры, необходимо согласование пикселей из одной и другой камеры. Также стереокамеры чувствительны к освещению, имеют низкое разрешение, особенно для удаленных объектов. Но к достоинствам стереокамер можно отнести то, что они дешевле лазерных сканеров и потребляют меньше энергии, поскольку являются пассивным устройством. Ультразвуковые датчики имеют недостатки, связанные с их принципом работы. Они характеризуются большим временем отклика, когда робот находится на большом, открытом пространстве, порядка десятых долей секунды, что не позволяет роботу быстро перемещаться.
Для построения объемных карт больше всего подходят 3-х мерные лазерные сканеры 3D LIDAR. Однако, зачастую они слишком дороги для большинства робототехнических систем и не позволяют составлять карты в реальном времени при большой скорости перемещения. Это происходит из-за относительно медленного сканирования по вертикали.
Flash LIDAR дешевле, меньше по габаритам и быстрее работают, но у них бывают проблемы связанные с ошибками и низким разрешением.
Хорошей альтернативой 3D LIDAR для построения карт может стать 2D лазерный сканер, устанавливаемый на передней части мобильного робота и направленный вперед и вниз. При движении лазерный луч «просвечивает» местность, находящуюся перед роботом, фактически создавая 3-х мерную карту.
Среди доступных лазерных сканеров в этой группе есть сканеры LMS 200 немецкой фирмы Sick AG и сканер URG-04(-UG01) корейской фирмы Hokuyo. LMS 200 был стандартом в области робототехники до середины 2000гг.
Рис. 1 - LMS 200 немецкой фирмы Sick AG (слева) и URG-04(-UG01) корейской фирмы Hokuyo (справа)
Принцип работы LMS 200 основан на времени измерения полета луча, который проходит через вращающееся зеркало (рис. 2) и, отражаясь от объекта, возвращается обратно в фотоприемник сканера. Расстояние до объекта определяется измерением времени полета луча. Благодаря вращающемуся зеркалу измерение расстояния до объектов осуществляется в плоскости. Основными преимуществами этого метода измерения является независимость результатов измерения от цвета объекта и его структуры.
Сканер может подсоединяться к компьютеру либо по интерфейсу RS-232 (последовательные порты COM1 и COM2) либо по RS-422, но в этом случае необходима дополнительная плата. Интерфейс RS-422 позволяет подключать сканер на довольно большом расстоянии — 1200м.
Рис. 2 - Принцип действия Sick LMS 200 (картинка взята с www.sick-automation.ru)
Однако, в начале 2000гг., японская фирма Hokuyo выпустила серию лазерных дальномеров, среди которой был небольшой лазерный дальномер URG-04LX(-UG01) (рис. 1). Этот лазерный дальномер оказался более подходящим для малогабаритных роботов, поскольку он гораздо меньше и легчем, имеет более низкое энергопотребление, чем LMS 200. Также следует отметить, что Hokuyo URG-04LX(-UG01) намного дешевле, чем Sick LMS 200.
Так же как и Sick LMS 200, Hokuyo URG-04LX(-UG01) излучает инфракрасный луч, а вращающееся зеркало изменяет направление пучка. Затем лазерный луч, попадая на объект, отражается от него. Вращающееся зеркало снова изменяет направление отраженного света, и свет попадает на фотодиод. В дальномере Hokuyo URG-04LX(-UG01), в отличие от Sick LMS 200, применяется амплитудно-модулированный сигнал (рис. 3). Сравниваются фазы излучаемого и принимаемого света и рассчитывается расстояние между датчиком и объектом.
Рис. 3 - Принцип работы Hokuyo URG-04LX(-UG01)
Вращающееся зеркало разворачивает лазерный луч горизонтально в диапазоне 240 °, с угловым разрешением 0,36 °. Поскольку зеркало вращается со скоростью около 600 оборотов в минуту, скорость сканирования составляет около 100мс. При подключение по RS-232C скорость передачи данных может быть настроена на 19.2, 57.6, 115.2, 250, 500 или 750 Kбит/с, или при подключении через USB она может быть установлена на 9 Мбит. Лазерный дальномер работает в диапазоне от 20 до 4095 мм. Указанная погрешность измерения составляет ± 10 мм на расстоянии менее 1 м. Для большего расстояния, ошибки составляет ± 2% для пятна на белой бумаге размером 70 × 70 мм. Измеренное расстояние кодируется 12 битами. Если датчик обнаруживает ошибку, код ошибки отправляется в этих 12 битах. Например, датчик дает сообщение об ошибке, если расстояние превышает максимальное, или если полученный свет слишком сильный или слабый.
В таблице приведено сравнение характеристик Sick LMS 200 и Hokuyo URG-04LX(-UG01)
| Единицы | Sick LMS 200 | Hokuyo URG-04LX(-UG01) | |
| Максимальное расстояние | м | 80 | 4 |
| Разрешение | мм | 10 | 1 |
| Угол сканирования | Град. | 180 | 240 |
| Угловое разрешение | Град. | 1* | 0.36 |
| Скорость сканирования | скан/сек. | 75 | 10 |
| Интерфейсы | RS-232/RS-422 | USB/RS-232C | |
| Скорость передачи данных | КБ/сек. | 9.6 - 500 | 12000(USB), 19.2 - 750(RS-232C) |
| Габариты | мм | 185x156x210 | 50x50x70 |
| Вес | кг | 4.5 | 0.16 |
| Энергопотребление | Вт | 20 | 4.0(максимально) |
* - В режиме «interlaced» угловое разрешение 0.5º или 0.25º
Результаты экспериментов проведенных Laurent Kneip, Fabien Tache и Roland Siegwart в [1] показывают, что в сравнении с Sick LMS 200, URG-04LX(-UG01) имеет достаточно малые среднеквадратичные отклонения и немного выше абсолютные ошибки (см. таблицу 2). Так как датчики имеют очень разные диапазоны измерений, трудно обеспечить более прямое сопоставление характеристик. Точность URG 04-LX(-UG01) находится в сильной зависимости от яркости поверхности и свойств материала.
| Sick LMS 200 | Hokuyo URG-04LX(-UG01) | |||
|---|---|---|---|---|
| Цвет цели | Абсолютная ошибка, мм | Среднеквадратичное отклонение, мм | Абсолютная ошибка, мм | Среднеквадратичное отклонение, мм |
| Белый | 7.4 | 3.0 | -19.7 | 2.9 |
| Светло-серый | 6.7 | 4.1 | -30.9 | 2.3 |
| Серый | 6.3 | 5.1 | -25.8 | 2.8 |
| Темно-серый | 5.6 | 3.5 | -0.8 | 2.6 |
| Черный | 10.7 | 3.5 | 14.5 | 3.4 |
| Красный | 9.4 | 1.6 | -23.4 | 2.8 |
| Зеленый | 10.3 | 3.2 | -30.2 | 2.1 |
| Голубой | 6.3 | 3.4 | -40.0 | 2.3 |
Ненулевые углы падения могут привести к вылету значений на больших расстояниях. Для расширения диапазона дальномера URG-04LX до 5м, как указывается в [1] желательно использовать яркие и не слишком блестящей цели.
Также этой группой ученых проводились некоторые довольно необычное эксперименты. Они определяли влияние различных индексов углов, а также отсутствия освещения на точность измерений. Эксперименты показали, что эти факторы не существенно влияют на ошибки.
Исследования ученых Yoichi Okubo, Cang Ye и Johann Borenstein [2] показали, что время разогрева URG-04LX(-UG01) составляет около 90 минут. До этого момента происходит небольшой дрейф в измеряемых значениях составляющий 6мм или 0.3%. Для стандартных робототехнических систем такая погрешность незначительна.
В измерениях URG-04LX(-UG01) как и другие лазерные дальномеры дают, так называемые смешанные пиксели (mixed pixels). Когда лазерное пятно находится на самом краю объекта, расстояние получается состоящим как из измерений расстояния до объекта, находящегося на переднем плане, так и до объекта находящегося на заднем плане. т. е. измеренное расстояние попадает в диапазон между расстояниями до ближнего и дальнего объектов. Такое состояние и называется смешанные пиксели. При выполнении обхода препятствий смешанные пиксели могут стать критичными, поскольку даже один ложный положительный пиксель (то есть, с указанием точки, занимаемой препятствием, тогда как в действительности точка свободна) может "перекрыть" путь, который на самом деле абсолютно свободен. Для решения проблемы смешанных пикселей, необходимо использовать статистические модели окружающей среды.
В заключение можно сказать, что URG-04LX(-UG01) показал большую зависимость измерений от свойств поверхности и условий измерения чем Sick LMS 200. Но для определения местоположения и построения карты в мобильной робототехнике (даже если систем теряет в точности измерений) с учетом размера, веса и энергопотребления и цены, Hokuyo URG-04LX(-UG01) - это очень разумная альтернатива Sick LMS 200.
Источники:
- Laurent Kneip, Fabien Tache, Gilles Caprari, Roland Siegwart, "Characterization of the compact Hokuyo URG-04LX 2D laser range scanner", IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2009;
- Yoichi Okubo, Cang Ye, Johann Borenstein, "Characterization of the Hokuyo URG-04LX Laser Rangefinder for Mobile Robot Obstacle Negotiation", Unmanned Systems Technology XI, 2009.
