Percepcija robotskog okruženja - Fuzija senzorskih podataka

M. Jovanović, I. Tomić, U. Smiljanić

Sadržaj - U ovom radu opisan je deo strukture makete robota na kojoj će se vršiti akvizicija podataka. Tako dobijeni podaci se zatim preko I2C komunikacije, kao 8-bitni paketi, šalju drugom mikrokontroleru. Na osnovu tih informacija drugi mikrokontroler vrši mapiranje prostora. Sistem treba da obezbedi pravu informaciju o detektovanoj prepreci na koju robot nailazi, kako bi se robot bezbedno kretao u prostoru. Rad se odnosi na primenu ultrazvučnih, infracrvenih i mikroprekidačkih senzora u mobilnoj robotici, koji su implementirani na samom robotu.

I. UVOD

Da bi robot mogao da radi samostalno, bez obzira na nivo samostalnosti, on mora biti “svestan” sebe i svoje okoline. Preciznije rečeno, robot mora imati mogućnost merenja sopstvenog položaja, brzine, kao i merenja različitih veličina u radnoj okolini čime stiče predstavu o spoljnom prostoru. Problem detektovanja tačnog statusa bilo samog robota, bilo njegove okoline predstavlja izazov u mobilnoj robotici [1].

Kod mobilnih robota, upotreba senzora jednog tipa prilikom preciznog određivanja položaja u prostoru najčešće ne daje zadovoljavajuće rezultate. U ovom radu, problem preciznog određivanja položaja rešen je fuzijom podataka sa više različitih tipova senzora. Informacije koje ovi senzori daju omogućavaju dovoljno dobru orjentaciju u nepoznatom prostoru. Zahvaljujući njima, robot se kreće pouzdano, bez bojazni da će udariti neke od prepreka na koje naiđe. Podsistem čine četiri infracrvena senzora i četiri ultrazvučna sezora, po jedan implementiran sa svake strane robota, dva mikroprekidača sa prednje strane robota i mikrokontroler koji upravlja podsistemom (sl. 1). Prilikom razvoja sistema, javio se problem detektovanja prepreka usled rasipanja infracrvenih i ultrazvučnih talasa. Problem je rešen korišćenjem različitih tipova senzora za detekciju prepreka na različitim rastojanjima. Ultrazvučni senzori su korišćeni da detektuju najudaljenije prepreke. Za bliže prepreke korišćeni su infracrveni senzori, a za najpreciznije kontaktno merenje, mikroprekidači.

U nastavku rada opisano je rešenje problema nastalog prilikom razvoja samog sistema, princip funkcionisanja i način detektovanja prepreka, komunikacija sa drugom mikroprocesorskom jedinicom, jednom rečju fuzija podataka sa senzora koji su implementirani na samom robotu, kao logički nivo mobilnog robota [2].

II. ROBOTSKI SISTEM

Realizovani mobilni robot i senzorski sistem implementiran na samom vrhu robota (sl. 1). Sistem mobilnog robota sastoji se iz tri podsistema i to: Senzorski, upravljavljački [3] i pogonski [4] podsistem.

Slika 1. Mobilni robot sa implementiranim senzorskim sistemom

III. REALIZACIJA AKVIZICIONOG SISTEMA

Mikroprocesorski podsistem – Kao mikroprocesorski upravljački podsistem senzorskog sistema iskorišćen je mikrokontroler PIC16F877A [5]. IR diode i ultrazvučni senzori pobuđuju se na svakih 64ms, što je realizovano uz pomoć Timer0 interapta mikrokontrolera. Tako dobijeni podaci se zatim preko I2C komunikacije [6] šalju drugoj procesorskoj jedinici, koja na osnovu tih podataka kreira mapu prostora. I2C komunikacija za prenos podataka pokazala se veoma jednostavna i laka za realizaciju. Potrebno je samo usaglasiti adresiranje uparenih uređaja, a broj mogućih adresiranja je 128. Za komunikaciju su potrebne dve linije (SDA i SCL), a brzina prenosa podataka je do 100kb/s. U ovom slučaju, mikroprocesor

M. Jovanović, I. Tomić, U. Smiljanić su studenti Elektronskog fakulteta u Nišu, smer Automatika, Aleksandra Medvedeva 14, 18000 Niš, Srbija, e-mail: m.jovanovic1987@gmail.com, tomicigortomic@gmail.com, smiljanic.uros@gmail.com,

PIC16F877A ima funkciju „slave“ kontrolera. Prikazana je blok šema akvizicionog podsistema (DAS) (sl. 2).

Slika 2. Blok šema DAS podsistema

Ultrazvučni sezorski podsistem – Kao ultrazvučni senzor korišćen je Sonar Ranging Module SRM400 [7] (sl. 3). Njegove osnovne karakteristike date su u tabeli1.

Slika 3. Sonar Ranging Module SRM400

Bidirekcioni I/O pin pojednostavljuje kontrolu funkcije za emitovanje signala koji pobuđuje senzor, kao i prijem eho signala. Nakon prijema signala za početak merenja, elektronika na samom senzorskom podsistemu generiše električni signal frekvencije 40kHz, zatim pretvarač generiše ultrazvučni talas koji se širi u prostoru, a elektronika na samom senzoru prebacuje se u mod za prijem eha.

Ultrazvučni senzor može detektovati prepreku na rastojanju od 25-150cm. Kako bi se isti pin iskoristio kao ulaz/izlaz, iskorišćen je tranzistor 2N3904 NPN tipa opšte namene koji ima prekidačku ulogu.

TABELA 1KARAKTERISTIKE ULTRAZVUČNOG SENZORA

SRM400Operation voltage 6-10V DCOperation current 20mA for 10V DC

Pre-Amplifier 14dBBandpass filter-FC 38kHz

Bandwidth 20kHzMeasuring distance 25-150cm

Infracrveni senzorski podsistem – Sastoji se od infracrvenih dioda LD271 i infracrvenog senzora TSOP1238. Mikrokontroler generiše PWM signal frekvencije 38kHz, koji se zatim preko kola 74HC132 vodi na IR diode.

Kolo 74HC132 korišćeno je da bi se isti PWM slao svim IR diodama, a ujedno i imala kontrola upravljanja nad istim diodama. Pod tom kontrolom se podrazumeva da se odgovarajućim algoritmom i programom koji je napisan za mikrokontroler, u jednom trenutku bude upaljena samo jedna IR dioda i aktivan samo jedan IR senzor pridružen datoj diodi. Na taj način izbegava se greška da neki IR senzor primi emitovan signal sa neke diode koja nije pridružena datom IR senzoru. Postoji mogućnost da se i promenom “duty cycle” modulacionog signala (PWM-a) menja i domet sezora. Odnosno, za različite vrednosti PWM-a infracrveni senzorski podsistem detektuje prepreke na različitim udaljenostima. Princip realizacije IR podsistema (sl. 4).

Slika 4. Infracrveni senzorski podsistem, način povezivanja (levo-IR senzor, desno-IR dioda)

Mikroprekidački podsistem – Kontaktni senzori rade na principu dodira, odnosno merenja parametara kontakta između senzora i objekta. Kontaktni senzori na mobilnim robotima najčešće se postavljaju u prsten oko mobilnog robota. Kao kontaktni senzori najviše se koriste mikroprekidači koji na svom izlazu generišu logičku vrednost koja daje informaciju o tome da li je prekidač otvoren ili zatvoren.

U senzorskom podsistemu koji opisujemo dva mikroprekidačka senzora postavljena su sa prednje strane robota. Mikroprekidači mogu detektovati da li je mobilni robot ostvario fizički kontakt sa preprekom na koju je naišao. Kada se ostvari kontakt, mikrokontroler detektuje promenu logičkog nivoa na odgovarajućem pinu i šalje pravu informaciju upravljačkom mikrokontroleru.

IV. KALIBRACIJA ULTRAZVUČNIH SENZORA

Kalibracija ili statička karakteristika senzora je relacija između fizičke veličine i mernog signala. Zadavajući poznata rastojanja zapisuju se odgovarajuća pokazivanja senzora. Tako smo dobili skup kalibracionih tačaka čijim spajanjem dobijamo kalibracionu krivu. Razlika između

idealnog kalibracionog pravca i kalibracione krive (pokazivanja senzora) jeste sistemska greška senzora. Pravac

(1)

je optimalan po kriterijumu da je suma kvadrata odstupanaja mernih tačaka od pravca minimalna. Kalibracija je izvršena u 56 mernih tačaka počevši od 25cm do 80cm sa korakom od 1cm. Za svaku tačku vršeno je po 10 merenja. Tako dobijeni podaci su obrađeni u Matlab–u i na osnovu njih izvedena optimalna prava. Odstupanje izmerenih vrednosti sa senzora od idealne prave (sl. 5).

Slika 5. Kalibracija senzora sa prikazom sistemskom greške

Kalibracijom ultrazvučnih senzora sistemska greška merenja smanjena je sa 1.66cm na manje od 6mm, što znatno poboljšava tačnost akvizicionih podataka.

V. OČITAVANJE SENZORA

Očitavanje podataka sa senzora obavlja se po principu s leva na desno, odnosno CCW (counterclockwise). Najpre se očitavaju ultrazvučni senzori, zatim infracrveni i na kraju, kao sezori sa najvišim prioritetom, mikroprekidači. Prikazana je blok šema rasporeda senzora na robotu kao i smer očitavanja (sl. 6).

Slika 6. Prikaz rasporeda senzora i smer očitavanja

ZAKLJUČAK

Upravljanje robotima ima za cilj da se robot prevede iz jednog položaja u drugi i pri tom opiše zadatu putanju odnosno trajektoriju. Korišćenje senzora u navigaciji autonomnih mobilnih robota u nepoznatom okruženju i dinamičkim sredinama je neizbežno, budući da je u tim situacijama nemoguće posedovati kompletne unapred poznate informacije o okolini koje bi bile dostupne robotu pre obavljanja bilo koje operacije. Kod mobilnih robotskih sistema vizualni sistem postaje standardni senzorski alat za opažanje statusa okoline. Osnovna namena ovog sistema je da obezbedi stvarnu informaciju i stvori realnu mapu o prostoru kroz koji se robot kreće. Ovom sistemu se ubuduće mogu implementirati i neki drugi senzori kao sto su: enkoderi, temperaturni senzori, senzori za globalno pizicioniranje, inercijalni senzori itd. Ovim bi se performanse robota znatno poboljšale.

ZAHVALNICA

Zahvaljujem na saradnji profesoru Goranu S. Đorđeviću, astistentima D. Todoroviću i M. Petkoviću, i studentu M. Božiću, Elektorski fakultet u Nišu, Laboratorija za robotiku.

LITERATURA

[1] Maja J. Matarić, “The Robot Primer”, Massachusetts Institute of Tehnology, 2007

[2] J. Borenstein, H. R. Everett, L. Feng, “Where am I – Sensors for mobile robot positioning”, April 1996

[3] U. Smiljanić, M. Jovanović, I. Tomić, “Mapiranje i lokalizacija radnog prostora robota senzorima kratkog dometa”, IEEESTEC 5th Student project conference, Niš, 2012

[4] I. Tomić, M. Jovanović, U. Smiljanić, “Hardverska arhitektura „low cost“ mobilnog robota“, IEEESTEC 5th Student project conference, Niš, 2012

[5] PIC16F877A, 40 – “Pin Enhanced Flash Microcontrollers”, Microchip, Data Sheet, http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39582b.pdf, 2003

[6] The I2C-bus specification, http://www.cs.unc.edu/Research/stc/FAQs/Interfaces/I2C-BusSpec-V2.1.pdf, January 2001

[7] Sonar Ranging Module SRM400, Pro-Wave Electronics Corp.,DataSheet, http://www.farnell.com/datasheets/81208.pdf, 2004