Investeşte în oameni!FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 –2013 Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cuno aştere”Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post -doctorale în sprijinul cercetării”Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cerceta re de excelenta Numă rul de identific are al contra ctului: POSDRU /159/1.5/S/13 4378Beneficiar: Universitatea Transilva nia din BraşovUNIVERSITATEA „TRANSI LVANIA”DIN BRAŞOVDEPARTA MENT DIDACTIC : DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ŞI MEDIU Asist. ing. Radu ȚÂRULESCUCONTRIBUŢII PRIVIND OPTIMIZAREA CONFIGURAŢIEI SENZORILOR UTILIZAŢI LA ROBOŢII MOBILI CONTRIBUTIONS TO THE OPTIMIZATION OF SENSORS USED ON MOBILE ROBOTS Conducător de d octorat: Prof.univ.dr.ing. Ciprian Iustin OLTEANU Brașov 2014
Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cercetare de excelenta Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov
UNIVERSITATEA „TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV
DEPARTAMENT DIDACTIC : DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ŞI MEDIU
Asist. ing. Radu ȚÂRULESCU
CONTRIBUŢII PRIVIND OPTIMIZAREACONFIGURAŢIEI SENZORILOR UTILIZAŢI
LA ROBOŢII MOBILI
CONTRIBUTIONS TO THE OPTIMIZATION OF
SENSORS USED ON MOBILE ROBOTS
Conducător de doctorat: Prof.univ.dr.ing. Ciprian Iustin OLTEANU
Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov
Nr. 7065 din 28. 10. 2014
PREȘEDINTE: Prof. univ. dr. ing. Olimpiu MUNTEANU DECAN – Facultatea de Design de Produs și Mediu Universitatea “Transilvania” din Brașov
CONDUCĂTOR Prof. univ. dr. ing. Ciprian Iustin OLTEANU
ȘTIINȚIFIC: Universitatea “Transilvania” din Brașov REFERENȚI: Prof. univ. dr. ing. Vistrian MĂTIEȘ
Universitatea Tehnică din Cluj – NapocaProf. univ. dr. ing. Valer DOLGAUniversitatea “Politehnica” din Timișoara Prof. univ. dr. fiz. Sorin ZAMFIRAUniversitatea “Transilvania” din Brașov
Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 05.12.2014, ora 8,00, sala UII3.
Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le transmiteţiîn timp util, pe adresa [email protected] .
Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de doctorat.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
2
CUPRINS
1. Necesiatatea, actualitatea și obiectivele tezei de doctorat............................................ 51.1. Obiectivele tezei de doctorat............................................................................... 51.2. Scurt istoric al roboţilor....................................................................................... 5
1.2.1. Clasificarea roboţilor.................................................................................. 71.3. Roboți mobili. Stadiul actual al cunoașter ii......................................................... 7
1.3.1. Sistemul senzorial al roboţilor mobili........................................................... 91.3.1.1. Senzori de stare externă..................................................................... 101.3.1.2. Senzori de stare internă...................................................................... 111.3.1.3. Fuziunea datelor furnizate de senzori................................................ 11
1.3.2. Considerații privind navigația roboţilor mobili.......................................... 111.3.2.1. Metodele de navigaţie a roboţilor autonomi...................................... 121.3.2.2. Module de navigaţie ale roboților mobili........................................... 131.3.2.3. Exemplu de navigație a robotului mobil KSR4 Escape..................... 15
2. Cercetări experimentale privind deplasarea roboților mobili în spaţiul de lucru......... 172.1. Introducere.......................................................................................................... 172.1.1. Spaţiul de lucru........................................................................................... 172.1.2. Obstacolele din spaţiul de lucru.................................................................. 17
2.2. Roboții mobili utilizaţi la cercetările experimentale............................................ 182.2.1. Robotul mobil Pro Bot 128......................................................................... 182.2.2. Robotul Spy Video TRAKR..................................................................... 192.2.3. Robotul KSR4 – "ESCAPE"...................................................................... 192.2.4. Robotul Umanoid Maxibot........................................................................ 192.2.5. Robotul păşitor Hexbug Delta.................................................................... 202.2.6. Vehicul telecomandat................................................................................. 20
2.3. Cercetări privind sistemul de locomoție al roboților mobili................................ 202.3.1. Determinarea abaterii liniare de la traiectorie............................................ 202.3.2. Determinarea accelerației și vitezei roboților în funcție de sistemul delocomoție............................................................................................................. 22
2.4. Cercetări privind detecția obstacolelor din spațiul de lucru............................... 252.4.1. Orientarea roboților într -un spațiu de lucru cu obstacole fixe................. 262.4.2. Orientarea roboților într -un spațiu de lucru de tip labirint....................... 27
2.5. Concluzii........................................................................................................... 283. Cercetări privind măsurarea distanței cu senzorii ultrasonici..................................... 29
3.1. Considerații teoretice privind transmiterea ultrasunetelor................................. 293.1.1. Concluzii................................................................................................... 31
3.2. Cercetări experimentale privind comportamentul senzorilor ultrasonici în procesul de detecție.................................................................................................. 32
3.2.1. Introducere............................................................................................... 323.2.2. Senzorii ultrasonici utilizaţi la cercetările experimentale......................... 323.2.3. Erori de măsurare...................................................................................... 323.2.4. Determinarea distanței dintre senzorii ultrasonici și obstacole................ 33
3.2.4.1. Determinarea distanței față de obstacole de dimensiuni diferite..... 353.2.4.2. Determinarea distanței față de o bstacole de forme diferite............. 363.2.4.3. Determinarea distanței față de obstacole din materiale cu texturidiferite.......................................................................................................... 373.2.4.4. Determinarea distanței față de un obstacol la viteze diferite alecurentului de aer........................................................................................... 383.2.5.5. Determinarea distanței cu un senzor montat pe o platformă rotativă 39
3.2.5. Concluzii................................................................................................... 404. Modelarea sistemului senzorial al roboților mobili.................................................... 41
4.1. Considerații teoretice privind modelarea rezultatelor obținute experimental... 41
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
3
4.2. Model matematic de calcul a timpului de răspuns și a distanței...................... 424.3. Modelarea prin simulare a configurației senzorilor pentru un robot mobil.... 454.4. Concluzii......................................................................................................... 48
5. Optimizarea sistemului senzorial al roboților mobili................................................ 495.1. Considerații privind alegerea robotului potrivit în vederea optimizării.......... 495.2. Contribuții privind optimizarea sistemelor senzorial și de locomoție............. 49
5.2.1. Optimizarea sistemului senzorial al robotului Pro Bot 128.................... 495.2.2. Optimizarea sistemului de locomoție al robotului Pro Bot 128.............. 53
5.3. Concluzii.......................................................................................................... 566. Concluzii finale și contribuții personale.................................................................... 57
1. Thesis timeliness and objectives................................................................................... 51.1. Thesis objectives.................................................................................................. 51.2. History of robots.................................................................................................. 5
1.2.1. Classification of robots............................................................................... 71.3. Mobile robots. Current state of knowledge......................................................... 7
1.3.1. The sensorial system of mobile robots......................................................... 91.3.1.1. External state sensors......................................................................... 101.3.1.2. Internal state sensors......................................................................... 111.3.1.3. Data provided by sensor fusion......................................................... 11
1.3.2. Considerations for mobile robot navigation............................................... 111.3.2.1. Autonomous robot navigation methods............................................ 121.3.2.2. Modules of navigation for mobile robots.......................................... 131.3.2.3. Example of navigation for mobile robot KSR4 Escape.................... 15
1.4. Conclusions......................................................................................................... 162. Experimental research on mobile robots moving in the workspace............................. 17
2.1. Introduction......................................................................................................... 172.1.1. The workspace............................................................................................ 172.1.2. Obstacles in the workspace......................................................................... 17
2.2. Mobile robots used in experimental research...................................................... 182.2.1. Mobile robot Pro Bot 128........................................................................... 182.2.2. Robot Spy Video TRAKR......................................................................... 192.2.3. Robotul KSR4 – "ESCAPE"...................................................................... 192.2.4. Humanoid robot Maxibot........................................................................... 192.2.5. Walking robot Hexbug Delta..................................................................... 202.2.6. Remote controlled vehicle.......................................................................... 20
2.3. Research on locomotion system of mobile robots.............................................. 20
2.3.1. Determination of linear deviation from the trajectory............................... 202.3.2. Determination of acceleration and velocity based of robots locomotionsystem.................................................................................................................. 22
2.4. Research on the detection of obstacles in the workspace................................... 252.4.1. Guidance of robots in a workspace with fixed obstacles......................... 26
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
4
2.4.2. Guidance of robots in a labyrinth type workspace.................................. 272.5. Conclusions....................................................................................................... 28
3. Research on ultrasonic distance measurement sensors............................................... 293.1. Theoretical considerations on transmission ultrasound..................................... 29
3.1.1. Conclusions............................................................................................... 313.2. Experimental research on the behavior of ultrasonic sensors in the detection
process...................................................................................................................... 323.2.1. Introduction............................................................................................. 323.2.2. Ultrasonic sensors used in experimental research.................................... 323.2.3. Measurement errors.................................................................................. 323.2.4. Determining the distance between the ultrasonic sensors and barriers.... 33
3.2.4.1. Determining the distance to obstacles of different sizes................. 353.2.4.2. Determining the distance to obstacles of different shapes.............. 363.2.4.3. Determining the distance to obstacles from materials with differenttextures......................................................................................................... 373.2.4.4. Determining distance from an obstacle at different speeds of air
flow.............................................................................................................. 383.2.5.5. Determining the distance to a sensor mounted on a rotating platform....................................................................................................... 39
3.2.5. Conclusions.............................................................................................. 404. Modelling the sensorial system of mobile robots...................................................... 41
4.1. Theoretical modeling the experimental results............................................... 414.2. Mathematical model for calculating the response time and distance.............. 424.3. Modelling by simulation of sensor configuration for a mobile robot............ 454.4. Conclusions..................................................................................................... 48
5. Optimizing the sensory system of mobile robots..................................................... 495.1. Considerations for choosing the right robot to optimize................................ 49
5.2. Contributions to optimizing sensorial and locomotion systems..................... 495.2.1. Optimizing sensorial system for Pro Bot 128 robot............................... 495.2.2. Optimizing locomotion system for Pro Bot 128 robot........................... 53
5.3. Conclusions..................................................................................................... 566. Final conclusions and personal contributions........................................................... 57
6.1. Final conclusions.............................................................................................. 576.2. Personal contributions...................................................................................... 596.3. Valorisation of research results........................................................................ 606.4. Future research directions................................................................................ 62
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
5
CAPITOLUL 1. NECESITATEA, ACTUALITATEA ȘI OBIECTIVELETEZEI DE DOCTORAT
Prezenta teză are ca scop optimizarea configuraţiei senzorilor unui robot mobil autonom
în vederea utilizării acestuia în diferite aplicaţii casnice şi industriale (se va dezvolta în prealabil o aplicație educaţională pentru simularea detecției obiectelor cu senzorii ultrasonici).Robotul mobil este un sistem compus din mai multe sisteme mecanice şi senzoriale,
actuatori, având şi o unitate centrală de comandă. Mecanica stabileşte înfăţişarea robotului şimişcările posibile în timpul funcţionării. Senzorii şi actuatorii sunt întrebuinţaţi la interacţiuneacu mediul de operare (spaţiul de lucru). Mecanismul de direcţionare ghidează robotul pentru a -și îndeplini obiectivul cu succes, evaluând informaţiile primite de la senzori. Acest mecanismreglează motoarele şi planifică mişcările care trebuie efectuate [L3].
1.1. Obiectivele tezei de doctorat
Obiectivul principal este:
Optimizarea sistemului senzorial al unui robot mobil în vederea îmbunătățiriicomportamentului la orientarea în spațiul de lucru.
Obiective operaționale și specifice rezultate sunt:
1. Elaborarea materialelor r eferitoare la evoluţia senzorilor şi la stadiul actual dindomeniul roboticii mobile.
2. Realizarea obstacolelor , a parametrilor acestora şi testarea roboților și elementelorsenzoriale prevăzute pentru a fi integrate hardware şi softwar e pentru optimizare.
3.
Realizarea standurilor de lucru pentru testarea senzorilor ultrasonici şi pentrudesfăşurarea experimentelor .
4. Dezvoltrea unor programe software pentru simularea detecției obiectelor cu senzoriiultrasonici.
5. Efectuarea de măsurători de distanță cu senzori ultrasonici de diferite tipuri. 6. Modelarea şi analiza experimentală a valorilor obținute în urma testelor. 7. Implementarea senzorilor ultrasonici în sistemul senzorial al robotului ales pentru
optimizare.
1.2. Scurt istoric al roboţilor
Termenul robot (din cehă robot) a fost utilizat de Josef Čapek şi Karel Čapek în lucrărilelor de Science Fiction la începutul secolului XX ("Roboţii universali ai lui Rossum"). Cuvântulrobot este de origine slavă şi se poate traduce prin: muncă, clacă sau muncă silnică. KarelČapek a descris în una din piesele sale din anul 1921, roboţi umanoizi cu asemănare umană,care sunt crescuţi în rezervoare [S2].
Bazele roboţilor din zilele noastre se află într -o perioadă mult mai îndepărtată. Primelemodele de maşinării pot fi mai degrabă numite automate (provenind din grecescul automatos,care se mişcă singur). Acestea nu puteau executa decât câ te un singur obiectiv, fiind constrânsede construcţia rudimentară.
Matematicianul grec Archytas (428 – 347 ÎH) a construit, conform unor relatări, unul
dintre aceste prime automate: un porumbel propulsat cu vapori, care putea zbura singur. Acest porumbel din lemn era umplut cu aer sub presiune şi avea un ventil care permitea deschidereaşi închiderea printr -o contragreutate. La prima testare aparatul a reuşit sa zboare 200 m, dardupă aterizare nu a mai putut decola [C8].
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
6
Dezvoltarea electrotehnicii în secolul XX a adus şi dezvoltarea roboticii. Printre primiiroboţi mobili se numără sistemul Elmer şi Elsie construit de William Grey Walter în anul 1948. Aceste triciclete se puteau îndrepta spre o sursă de lumină şi puteau să recunoască coliziuni înîmprejurimi [B11].
Fig. 1.1. Sistemul Elmer şi Elsie, primul robot mobil
Robotul industrial a luat naştere în anul 1956. George Devol a depus candidatura în SUA pentru un patent în legătură cu "transferul programat de articole". Câţiva ani după aceea aconstruit împreună cu Joseph Engelberger robotul Unimate [S2]. Acest robot cu o greutate deaproximativ două tone a fost mai întâi introdus în montarea de iconoscoape pentru televizoare,găsindu-şi apoi drumul în industria de automobile. Programele pentru acest robot au fostsalvate sub formă de comenzi direcţionare pentru motoare pe un cilindru magnetic. Din acestmoment se introduc roboţi industriali ca Unimate în multe domenii ale producţiei fiind
permanent dezvoltaţi pentru a putea face faţă cererilor complexe care li se impun.
Fig. 1.2. Unimate, primul robot industrial
Robotul Greenman a fost primul model umanoid manipulator asamblat în 1983. Sistemulvizual era asigurat de 525 camere video, fiecare având posibilitatea de rotire cu 35 de grade.Monitorizarea se făcea cu ajutorul unei căşti de pilot. Acest sistem de manipulare a fostdezvoltat pentru lucrul în medii ostile, mai puţin în mediul marin şi submarin [S2].
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
7
1.2.1. Clasificarea roboţilor
În funcţie de mediul în care robotul operează, se disting trei categorii: - R oboţi tereştri;- R oboţi marini;- R oboţi zburători.
În funcţie de utilizarea lor, roboţii pot fi: - R oboţi industriali;- R oboţi casnici;- R oboţi militari;- R oboţi exploratori;- R oboţi de companie (robot umanoid);- R oboţi de divertisment (jucării, roboţi utilizaţi în competiţii etc.) .
Din punct de vedere al gradului de liber tate există două categorii:
-
R oboţi ficşi;-
R oboţi mobili.
Din punct de vedere al sistemului de locomoţie, roboţii mobili pot fi: - R oboţi cu roţi;- R oboţi cu şenile;- R oboţi păşitori;- R oboţi târâtori.
1.3. Roboți mobili. Stadiul actual al cunoașterii.
Unul din obiectivele esenţiale ale roboticii este elaborarea roboţilor autonomi. Asemenearoboţi ar putea executa sarcinile de îndeplinit fără alte intervenţii umane. Comenzile primitevor preciza ce doreşte utilizatorul şi nu modul în care robotul să execute comenzile. Roboţiicapabili să îndeplinească aceste operaţii vor fi echipaţi cu senzori de percepere a mediuluiînconjurător, aflate sub controlul unui sistem de calcul [N1].
Progresul roboţilor autonomi prezintă un interes major în multe domenii de aplicaţii,incluzând diversele procese tehnologice, construcţiile, procesarea deşeurilor, explorareaspaţiului, oceanelor şi a zonelor de risc ridicat, medicină, asistenţa persoanelor cu handicap,etc.
Dezvoltarea tehnologiilor necesare pentru obţinerea unor roboţi mobili care să ajute sausă înlocuiască diferite operaţii realizate de om implică multe domenii ca cele ale senzorilor,
inteligenţei artificiale, sistemelor de calcul, planificării traiectoriei, procesării semnalelor,controlului motoarelor, electronicii şi ştiinţei calculatoarelor.
Orientarea într-un mediu total necunoscut, folosind senzori pentru detectarea obstacolelorşi comunicaţia cu un calculator aflat la distanţă sunt două aspecte importante care trebuie luateîn considerare atunci când se operează cu un robot mobil. Capacitatea roboţilor de a percepemediul înconjurător, precum şi de a-şi schimba comportamentul pe baza informaţiilor primiteeste ceea ce face ca roboţii, mai ales cei mobili, să fie atât de interesant de construit şi utilizat.Fără senzori, roboţii nu ar putea executa altceva decât sarcini ale operatorului uman.
Robotul mobil este un sistem complex care poate efectua diferite activităţi într -o varietatede situaţii specifice lumii reale [H3]. El este o combinaţie de dispozitive echipate cuservomotoare şi senzori (aflate sub controlul unui sistem ierarhic de calcul) ce operează într -un
spaţiu real, marcat de o serie de proprietăţi fizice (de exemplu gravitaţia care influenţeazămişcarea tuturor roboţilor care funcţionează pe pământ) şi care trebuie să planifice mişcărileastfel încât robotul să poată realiza o sarcină în funcţie de starea iniţială a sistemului şi înfuncţie de informaţia existentă, legată de mediul de lucru. Succesul în îndeplinirea acestorsarcini depinde atât de cunoştinţele pe care robotul le are asupra configuraţiei iniţiale a
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
8
spaţiului de lucru, cât şi de cele obţinute pe parcursul evoluţiei sale. Problemele specifice ceapar la roboţii mobili ar fi următoarele: evitarea impactului cu obiectele staţionare sau înmişcare, determinarea poziţiei şi orientării robotului pe teren, planificarea unei traiectoriioptime de mişcare [M5]. În cazul unui sistem robotic automat distribuit, poziţiile spaţiale suntde o extremă importanţă şi de ele depinde îndeplinirea scopurilor dorite şi funcţionareaîntregului sistem. Cu alte cuvinte, robotul trebuie să fie capabil să -ţi planifice mişcările, sădecidă automat ce mişcări să execute pentru a îndeplini o sarcină, în funcţie de aranjamentulmomentan al obiectelor din spaţiul de lucru. Planificarea mişcărilor nu constă dintr -o problemăunică şi bine determinată, ci dintr -un ansamblu de probleme dintre care unele sunt mai multsau mai puţin variante ale celorlalte. Evitarea coliziunii cu obstacole fixe sau mobile (deexemplu alţi roboţi mobili) aflate în spaţiul de lucru al robotului se poate face prin mai multemetode: realizarea unei apărători mecanice care prin deformare opreşte robotul, folosireasenzorilor care măsoară distanţa până la obstacolele de pe direcţia de deplasa re, folosireasenzorilor de proximitate, folosirea informaţiilor corelate de la mai multe tipuri de senzori [M4]. Localizarea obiectelor se poate realiza şi prin contact fizic, dar acesta impune restricţiiasupra vitezei de mişcare a structurii manipulate. Contactul fizic dintre robot şi obiectele din
mediu generează forţe de reacţiune care modifică starea robotului. Vitezele mari de lucru fac caefectele dinamice ale unui contact fizic cu obstacole sau obiecte manipulate să fie riscante (potduce la deteriorarea obiectelor sau a robotului). Navigarea robotului este posibilă şi fără odeterminare a poziţiei şi orientării faţă de un sistem de coordonate fix, dar această informaţieeste utilă pentru sisteme de comandã a mişcării. Dintre metodele de navigaţie mai des utilizatese pot menţiona: măsurarea numărului de rotaţii făcute de roţile motoare, folosirea deacceleratoare şi giroscoape, geamanduri electromagnetice instalate în teren, semnalizatoare
pasive sau semi-pasive de tip optic sau magnetic. Informaţiile despre spaţiul de lucru se potobţine independent de oricare acţiune a robotului şi se pot organiza pe hărţi de navigaţie. Harta oferă o configuraţie a structurii iniţiale a spaţiului de lucru. Configuraţia cerută se obţine
prin actualizarea hărţii iniţiale cu informaţii obţinute de la sistemul de navigaţie al robotului
autonom. Pe baza modelului iniţial se poate stabili o traiectorie posibil de urmărit pentruatingerea scopului, traiectorie cu atât mai apropiată de cea reală cu cât informaţiile despremediul de lucru sunt mai aproape de realitatea din teren.
Informaţiile existente iniţial pot contribui la o împărţire a spaţiului în zone accesibile şizone interzise [C5]. În procesul de modelare a spaţiului de lucru, este important să se ţină seama de dimensiunile şi posibilităţile fizico-mecanice de abordare a acestor obstacole decătre robot în funcţie de dimensiunile lor. Obstacolele din spaţiul de lucru trebuie consideratecu dimensiunile majorate, atât pentru siguranţa mişcării robotului cât şi pentru simplitateaalgoritmului de planificare, permiţând considerarea robotului ca un punct material. Roboţii careîşi planifică singuri traiectoria de mişcare sunt dotaţi cu funcţii de decizie şi încadraţi în clasaroboţilor inteligenţi. Există roboţi la care traiectoria nu se planifică, este fixă şi marcată pe
teren. În acest caz ei trebuie să evite numai obstacole interpuse accidental pe traseul marcat şisă prelucreze informaţia de navigaţie realizând astfel urmărirea traiectoriei fixate. Aceştiroboţi mobili nu sunt inteligenţi, dar sunt deosebit de utili pentru asigurarea transportului înatelierele flexibile ale producţiei. Robotul mobil este pus în situaţia de a desfăşura acţiunisimilare cu cele ale operatorului uman. Acest lucru determină existenţa unor anumitedispozitive prin care să se culeagă informaţii din mediul de lucru, care să realizezeinteracţiunea robot - mediu cu ajutorul unor caracteristici ale mediului sau ale obiectelor dinmediu şi o unitate centrală care să prelucreze în timp real informaţia senzorială, să otransforme într-o formă utilă pentru sistemul de comandă. Sistemul senzorial mai este numit şisistem de măsurare. El asigură măsurarea unor mărimi fizice şi eventual perceperea unormodificări semnificative a acestor mărimi. Datorită sistemului senzorial se pot pune în
evidenţã şi caracteristicile geometrice şi chimice ale obiectelor din mediul de lucru. Senzoriidatorită caracteristicilor pe care le au pot explora zona de lucru, zona de contact, cea apropiată ,cea îndepărtată, iar senzorii foarte puternici chiar şi zone foarte îndepărtate. Caracteristicilesenzoriale ale unui robot depind foarte mult de gradul său de autonomie, de aplicaţiile pentrucare a fost proiectat şi de tipul mediului de lucru [M4].
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
9
1.3.1. Sistemul senzorial al roboţilor mobili
Senzorii sunt dispozitive care pot măsura diferite proprietăţi ale mediului precum:temperatura, distanţa, rezistenţa fizică, greutatea, mărimea etc. În funcţie de informaţiile
primite de la senzori robotul mobil se orientează în mediul de lucru. În cel mai general caz, senzorii pot fi împărţi în două categorii [I1], şi anume:
Senzori de stare internă - senzori care oferă informaţii despre starea internă arobotului mobil, spre exemplu nivelul bateriei sau poziţia roţilor.
Senzori de stare externă - senzori care oferă informaţii despre mediul ambiant în carerobotul funcţionează. Senzorii de stare externă se mai pot împărţi la rândul lor în douăcategorii: senzori cu contact, mai precis acei senzori care culeg in formaţia din mediu
prin atingere (senzor tactil), respectiv senzori fără contact, care preiau informaţia dinmediu de la distanţă (cameră video, senzor ultrasonic, senzor infraroşu) .
Un senzor poate fi activ sau pasiv. Senzorii activi sunt acei senzori care emit energie înmediu pentru a putea observa anumite caracteristici ale acestuia, spre deosebire de senzorii
pasivi care primesc energie din mediu pentru a putea prelua informaţia. De asemenea, toate tipurile de senzori sunt caracterizate printr-o serie de proprietăţi, celemai importante fiind [P4]:
- Sensibilitatea: raportul dintre semnalul de ieşire şi semnalul de intrare;
- Liniaritatea: exprimă dacă raportul dintre intrare şi ieşire este constant;
- Intervalul de măsurare: diferenţa între distanţa minimă şi maximă măsurabilă; - Timpul de răspuns: timpul necesar pentru ca informaţia de la intrare să fie observabilă
la ieşire; - Acurateţea: diferenţa între semnalul măsurat si semnalul real; - Repetabilitatea: diferenţele intre măsurători succesive ale aceleiaşi entităţi;
- Rezoluţia: exprimă cea mai mică unitate de incrementare a semnalului măsurat;
-
Preţul senzorului; - Puterea de calcul necesară pentru a interpreta rezultatele; - Tipul de semnal la ieşire; - Greutatea, mărimea şi cantitatea de energie consumată pentru a face o măsurătoare.
Orice model al unui senzor ar trebui să includă şi un model intern al zgomotului care poate afecta senzorul în momentul citirii informaţiei. Problema de a recupera informaţia dinmediu din datele primite de la senzor poate fi destul de c omplexă.
Orice tip de senzor poate fi afectat de mai multe tipuri de erori. Dintre acestea, cele maiimportante sunt erorile incidentale, erorile sistematice şi erorile stohastice. Erorile incidentaleapar ocazional şi pot avea un efect neprevăzut asupra informaţiei, ele provenind în cea maimare parte de la măsurători efectuate greşit. Erorile sistematice au o influenţă predictibilă
asupra acurateţii informaţiei, acestea provenind de la o interpretare greşită a parametrilor înalgoritmii de estimare, sau din cauza unor neconcordanţe în modelare. În fine, erorilestohastice, au un caracter aleator, ele diferind de fiecare data când robotul execută aceeaşioperaţie.
În lumea roboţilor mobili se întâlnesc o mare varietate de tipuri de senzori. O clasificarede bază a acestora ar putea fi [V1]:
Senzori de distanţă - senzori care oferă informaţii despre distanţa între senzor şiobiectul de măsurat din mediu;
Senzori de poziţie - senzori care oferă informaţii despre poziţia robotului în termeniabsoluţi;
Senzori de mediu - senzori care oferă informaţii despre diverse proprietăţi şicaracteristici ale mediului (exemplu: temperatură, culoare); senzori inerţiali - senzori care măsoară proprietăţi de mișcare ale robotului.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
10
1.3.1.1. Senzori de stare externă
Senzori de contact
Cel mai des întâlnit tip de senzori de contact în lumea roboţilor mobili este reprezentat desenzorii tactili. Termenul de senzor tactil se referă la un traductor care este sensibil la atingere,forţă sau presiune. Aceşti senzori pot fi piezorezistivi, piezoelectrici, capacitivi sauelectrorezistivi [B3].
Senzori în infraroşu (IR)
Senzorii în infraroşu (IR) constituie categoria cea mai simplă de senzori de distantăfolosită la un robot mobil. Metoda lor de funcţionare este foarte simplă, fieca re senzor fiindechipat cu un emiţător şi un detector. Emiţătorul transmite un fascicol de lumină în spectrulinfraroşu (de regulă sunt folosite lungimi de undă în intervalul 880-990nm), fascicol care se
propagă în mediu, iar apoi se reflectă de obiectele aflate în acesta [B6]. Fascicolul reflectat este
captat de componenta detector, urmând apoi ca printr-un calcul matematic simplu, să seestimeze o distanţă între senzorul în infraroşu şi obiectul detectat din mediu.
Senzori ultrasonici
Categoria de senzori cea mai des întâlnită la un robot mobil o constituie categoriasenzorilor ultrasonici. Întâlniţi în literatura de specialitate şi sub denumirea de sonar, senzoriiultrasonici folosesc un principiu oarecum asemănător cu senzorii IR., dar în loc de a tra nsmitefascicole luminoase, ei folosesc semnale acustice. Un emiţător transmite un semnal acustic înmediu, urmând apoi ca reflecţia acestuia să fie recepţionată de componenta detector asenzorului. Timpul în care semnalul este receptat înapoi de senzor pr ecum şi atenuarea
semnalului reprezintă aspecte exploatate de diferitele tipuri de senzori sonar [D3]. Sunetele transmise de senzori sunt de regulă în spectrul de sunete ultrasonice, având ofrecvenţă foarte înaltă pentru a nu putea fi detectate de urechea umană.
Sensibilitatea unui senzor ultrasonic nu este uniformă, ci consistă dintr -un lob principal şicâteva loburi laterale mai mici. De asemenea, această sensibilitate diferă de la un senzor laaltul.
Senzori GPS
Sistemul de poziţionare globală prin satelit (Global Positioning System) a fost iniţialdezvoltat de către Departamentul de Apărare al SUA începând cu anul 1973. Sistemul este
alcătuit din aproximativ 21 de sateliţi [Z1], si permite oricărui receptor autorizat să -şi calculeze poziţia şi viteza cu care se deplasează. Sistemul GPS nu poate fi folosit în interiorul clădirilor,deoarece el necesită ca între receptor şi satelit să existe vizibilitate directă. Momentan existămat multe implementări ale serviciului, printre care SPS (Standard Positioning System)disponibil pentru civili, respectiv PPS (Precise Positioning System), disponibil pentru armată.SPS are o acurateţe de aproximativ 100m pe orizontală, fapt pentru care nu este folosit preamult în lumea roboţilor mobili.
Senzori video
Senzorii vizuali sunt reprezentaţi de regulă în lumea roboţilor mobili de camere video. În
momentul de faţă senzorii de imagine folosesc două tehnologii: CCD şi CMOS. Camerele video obţin o cantitate mare de informaţii din câmpul lor vizual. Procesarea
acestor date poate necesita o putere de calcul ridicată, mai ales dacă se doreşte obţinerea unor performanţe optime din informaţiile culese [S4].
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
11
Aplicaţiile senzorilor vizuali sunt extrem de variate: - control şi inspecţie: stări de suprafeţe, culori, aspect, forme, contur şi dimensiuni; - verificare: prezenţa sau absenţa unui obiect; - identificări şi localizări de obiecte: în plan (2D) sau în spaţiu (3D); - urmărirea unui contur.
1.3.1.2. Senzori de stare internă
Senzorii de stare internă sunt acei senzori care oferă informaţii despre starea internă arobotului mobil. Senzorii din această categorie oferă fie informaţii legate de poziţia robotului(odometrie), fie informaţii referitoare la vitezele sau acceleraţiile liniare , respectiv unghiulareale robotului (accelerometru, giroscop).
Senzorii care oferă informaţii despre poziţie, se regăsesc de regulă sub forma encoderelorla motoarele robotului. Encoder-ul este un dispozitiv (circuit, traductor, software) caretransformă semnalul primit (numărul de rotaţii) într -un semnal electric. Prin măsurarea rotaţieiroţilor robotului, şi apoi interpretarea acestei informaţii se poate estima poziţia robotului.
Semnalul provenit de la encodere poate oferi informaţii despre direcţia în care se deplaseazărobotul, viteza cu care se deplasează robotul precum şi distanţa aproximativă care a parcurs-orobotul de la ultima evaluare [P4].
Teoretic, poziţia exactă a robotului ar putea fi dedusă doar din informaţiile de odometrie provenite de la encodere, în sensul că distanţa parcursă ar trebui să fie egală cu 2πr, unde r
reprezintă raza roţii respective. În practică însă, în cel mai bun caz, se poate şti doar căinformaţia de la encodere conţine o anumită eroare, şi că această eroare de regulă nu scadeniciodată. În cea mai rea situaţie, când roţile robotului alunecă, nu mai există nici o relaţie întremişcarea roţilor si mişcarea robotului.
Senzorul care permite determinarea vitezelor sau acceleraţiile unghiulare ale robotului estegiroscopul. Elementul component fundamental al tuturor dispozitivelor giroscopice - indiferent de
destinaţia acestora - îl constituie giroscopul în formă de volant având rolul de purtător de momentcinetic. Pentru menţinerea lui în mişcare de rotaţie se utilizează diferite mijloace de acţionare.Ansamblul format din motorul de acţionare (pneumatic sau electric) şi giroscop (volant) senumeşte giromotor [B3].
1.3.1.3. Fuziunea datelor furnizate de senzori
Pentru majoritatea sarcinilor atribuite unui robot mobil, folosirea unui singur tip desenzori nu poate da r ezultate satisfăcătoare. Spre exemplu, pentru navigare, anumite obiecte dinmediu pot fi detectate doar de senzori IR, iar altele doar de senzori ultrasonici , şi doar unele deambele tipuri de senzori. Se pune deci problema găsirii unei metode care să comb ine într-un
mod eficient informaţiile de la o multitudine de senzori de categorii şi caracteristici diferite.Termenul cel mai des întâlnit în literatura de specialitate este „fuziune de senzori”. În contextulroboţilor mobili, fuziunea trebuie să fie efectuată pe următoarele trei nivele [A1]:
- Trebuie să combine măsurători de senzori de categorii diferite;
- Trebuie să combine măsurători din poziţii diferite; - Trebuie să combine măsurători efectuate la diferite intervale de timp.
1.3.2. Considerații privind navigația roboţilor mobili
Sistemul de navigaţie reprezintă componenta cea mai complexă a roboţilor mobiliautonomi. Instrumentele de navigaţie pot fi aplicate roboţilor autonomi sub diferite formecinematice şi geometrice.
Pentru navigaţie au fost folosite numeroase principii [B8]: odometrie (măsurarea relativăa poziţiei prin analiza numărului de rotaţii şi orientarea roţilor) , navigaţie inerţială (pe bazamăsurătorilor relative realizate prin intermediul giroscopului), ghidare activă (calculul poziţie iabsolute prin măsurarea distantei până la cel puţin trei repere), recunoaşterea punctelor de reper
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
12
artificiale şi recunoaşterea puncte de reper naturale (se folosesc puncte de reper existente dinmediul înconjurător).
1.3.2.1. Metodele de navigaţie a roboţilor autonomi
Metodele de navigaţie a roboţilor autonomi sunt din cele mai diverse, dată fiind gamalargă de utilizare a roboţilor şi aplicaţiile acestora. Mediul înconjurător robotului are oimportanţă crucială pentru funcţionarea şi orientarea acestuia, şi de aceea toate abordărileacestei probleme pornesc de la mediu. După acest considerent, se pot evidenţia trei principii denavigaţie [F2]:
1. Navigaţia globală – raportare directă prin coordonate absolute la harta mediuluiînconjurător;
2. Navigaţia locală – prin determinarea poziţiei relativ faţă de obiecte imediat apropiate derobot, staţionare sau în mişcare;
3. Navigaţia individuală – aflarea poziţiei robotului cu ajutorul unor dispozitive dedicatemonitorizării deplasărilor făcute de acesta.
Navigaţia globală
Acest tip de navigaţie se aplică la roboţii ce au de parcurs distanţe mari, în spaţiideschise, fără repere imediate şi la distanţe foarte mari faţă de puncte de referinţă. Acest tip deroboţi este utilizat cu precădere de industria militară, cum ar fi avioanele de recunoaştere fără
pilot uman de tip UAV, dar şi alte echipamente de pilot automat întâlnite în aeronautică, pevapoare sau chiar în dotarea automobilelor de ultimă generaţie. În majoritatea cazurilor,navigaţia automată a acestora se face cu ajutorul tehnologiei GPS [B1].
Navigaţia locală
În cazul navigaţiei locale, se folosesc metode de detecţie vizuală a mediului cu ajutorul adiferiţi senzori, cum ar fi senzorii vizuali, infraroşu, laser, sau ultrasonici. [H1]. În cadrulnavigării locale este vizată o modelare şi o interpretare a mediului de către robot, fără cainformaţiile despre mediu sa îi fie furnizate în prealabil. Această interpretare duce la diferitetipuri de reprezentări ale mediului înconjurător, făcute după modele în funcţie de aplicaţie.Astfel mediul poate fi interpretat mai uşor prin stabilirea unor puncte de reper (în literatura despecialitate sunt denumite landmarks) de către robot prin recunoaşterea unor anumite obiectesau caracteristici ale mediului. Aceste repere pot fi stabilite artificial, în puncte cheie, acesteafiind realizate astfel încât să poată fi detectate cât mai uşor. Pe baza interpretării mediului,robotul poate realiza hărţi bidimensionale sau tridimensionale pentru o orientare mai bună şi
prin recunoaşterea anumitor părţi din mediu, procesul de navigaţie poate fi optimizat [C5]. Ceimai utilizaţi senzori în acest caz sunt senzorii vizuali CCD sau CMOS.
Navigaţia individuală
Navigaţia individuală, este utilizată în combinaţie cu metodele de navigaţie globală şilocală, prin calcularea poziţiei robotului relativ la mediu prin măsurări directe asupra vitezei şitraiectoriei parcurse de către robot. Această metodă, numită şi odometrie, oferă o corecţie mai
bună a erorilor de deplasare şi totodată este relativ simplu de implementat, soluţia regăsindu-sela roboţii ieftini sau cu aplicaţii simple. Pentru că majoritatea roboţilor mobili utilizează roţisau şenile, această soluţie a devenit practic omniprezentă la aproape toţi roboţii mobili. Dintre
soluţiile de implementare se pot aminti: odometre cu perii, magnetice, inductive, capacitive,optice [G1]. Alte metode utilizează senzori Doppler sau unde active de tip laser, sonice, radio
pentru orientare sau măsurarea vitezei. Senzorii Doppler funcţionează pe baza efectului cuacelaşi nume, ce priveşte modificarea frecvenţei undei radiate funcţie de viteza şi direcţiaemiţătorului. [B14]. Pentru roboţii mobili, cele mai utilizate sunt laserele şi ultrasunetele, dar
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
13
dezavantajul lor constă în faptul că aplicabilitatea robotului rămâne restrânsă la incinta cegăzduieşte aceste repere.
1.3.2.2. Module de navigaţie ale roboților mobili
Sistemul de navigaţie al roboţilor mobili este împărţit în trei module principale: - Cercetarea şi detecţia; - Planificarea traseului (drumului);- Controlul mişcării.
Cercetarea şi detecţia
O parte importantă a sistemului robot mobil o reprezintă cercetarea (cartografia) şidetecţia cât mai exactă în vederea construirii unei hărţi a mediului înconjurător (spaţiului delucru).
Metoda de localizare şi construcţie a hărţii simultan este folosită pentru navigaţiaroboţilor mobili în spaţii mari, folosindu-se mai multe tipuri de senzori, cum ar fi senzoriiacustici sau ultrasonici, senzori de tip laser sau senzori vizuali. De asemenea mai sunt folosite
puncte topografice artificiale cum ar fi reflectori tip cod de bară, balize ultrasoniceetc.Metodele de detecţie cele mai des întălnite sunt: metoda Kalman, metoda Markov şi metodaMonte Carlo.
Planificarea traseului (drumului)
Problema planificării mişcării unui robot mobil este aceea a găsirii unei mişcări pentru unrobot care trebuie să se deplaseze de la o configuraţie dată, la o destinaţie stabilită, într -un
mediu care conţine o mulţime de obstacole prestabilite, astfel încât robotul să nu intre încoliziune de nici unul din acestea. Într-o problemă concretă, obstacolele nu sunt întotdeaunastatice, iar robotul nu poate fi modelat ca un singur obiect rigid, precum în cazul problemei de
bază a planificării. Este evident că un robot care se mişcă printre obstacolele mobile estecapabil de performanţe mult mai mari şi de o serie de sarcini mult mai complexe. Aceastăteorie are în vedere planificarea mişcării în medii de timp variabil unde atât obstacolele, cât şidestinaţia, sunt în mişcare [B14].
Abilitatea ocolirii obstacolelor în mişcare este indispensabilă pentru orice robot real. Seconsideră, spre exemplu, un robot tip maşină ce se deplasează de -a lungul unui drum stabilit.Sistemul senzorial al robotului poate dintr-o dată să depisteze un obiect mişcător care îi taiedrumul. În cazul acesta ar trebui să fie capabil să producă şi să execute o mişcare pentru a evita
cu siguranţă obiectul, astfel încât, prin frânare să lase obiectul să treacă pe lângă, sau prinaccelerare să-l ocolească. [M2].Optimizarea unei probleme de planificare, în contextul amintit, presupune un consum
foarte mic de energie, dar, în acelaşi timp, trebuie să se acorde atenţie şi studiului vitezelor şiacceleraţiilor robotului mobil. Astfel problema planificării mişcării printre obiecte mobile esteîn mai multe feluri diferită şi mai complexă decât problema planificării mişcării cu obstacolestaţionare [H3].
Controlul mişcării
a) Unităţi centrale de procesare
Sarcinile pe care un robot mobil trebuie să le îndeplinească pot să fie de la foarte simplela extrem de complexe. Totul depinde de scopul final al robotului mobil construit. Î n funcţie detipul de sarcini atribuite unui robot mobil, procesarea şi descompunerea sarcinilor în acţiunisimple pe care robotul le poate executa necesită prezena unei unităţi centrale de procesare [L3].
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
14
Unitatea centrală de procesare se poate afla fie pe robot (en. onboard), fie la distanţăconectată de acesta prin diverse metode (en. offboard ). În mod normal, se doreşte ca robotulmobil să fie autonom, deci să poată duce la bun sfârşit oarecum independent şi sarcini maicomplexe, fără intervenţia unui program de control din partea utilizatorului, aflat la distanţă. Înmulte cazuri însă, prezenţa unei unităţi de procesare pe robot duce la o autonomie scăzută a
bateriei acestuia. O altă problemă ar putea fi creşterea în greutate a robotului, în funcţie de tipulde unitate centrală de procesare aleasă. De asemenea, în cazul în care necesităţilecomputaţionale sunt mari, s-ar putea ca o unitate centrală de procesare să nu funcționeze înlimitele fizice şi geometrice ale robotului, caz în care aceasta nu poate fi instalată [O3].
Există totuşi o serie de avantaje de a avea o unitate de procesare onboard: Dispar întârzierile asociate comunicaţiei între o unitate de procesare offboard şi
componentele electronice ale robotului; În cazul unor probleme de comunicare, robotul poate acţiona în continuare
autonom; Unităţile de procesare onboard au acces direct la hardware-ul robotului, în timp ce
unităţile offboard trebuie să apeleze la un anumit protocol care să interfaţeze între
componente şi unitate. Evident soluţia cea mai bună este ca robotul să poate funcţiona atât autonom prinintermediul unei unităţi de procesare onboard, cât şi în regim de comunicare cu alte unităţi de
procesare mai performante, care pot asigura necesităţile computaţionale pentru sarcini maicomplexe [B11].
În practică unităţile de comunicare onboard se aleg astfel încât să aibă suficientă puterede calcul pentru a îndeplini majoritatea sarcinilor simple, cu specificaţia să nu consume preamultă energie. Unităţile offboard sunt de regulă reprezentate de calculatoare personale.
b) Sisteme de comunicareRoboţii mobili trebuie să posede capacităţi de comunicare fie cu alţi roboţi din mediu fie
cu un operator uman, pentru a raporta dacă o anumită sarcină dată a fost îndeplinită cu succes,sau nu. Sistemele de comunicare aferente roboţilor mobili pot fi de 2 categorii: cu fir respectivfără fir.
Comunicaţia cu fir este modalitatea cea mai simplă de transfer de date între robot şioperator. O serie de probleme asociate transmisiei fără fir, dispar în cazul comunicaţiei de datecu fir, cu preţul îngrădirii mobilităţii robotului. Avantajul principal al sistemelor de comunicarecu fir este acela că, pe lângă datele transmise între robot şi operatorul uman, se mai poatetransmite şi curent electric, eliminând astfel necesitatea unei baterii onboard pe robot şi mărindautonomia robotului [F2].
Un dezavantaj direct al folosirii unui sistem de comunicare cu fir, ar fi faptul că spaţiul delucru al robotului va fi limitat de lungimea maximă admisibilă a cablului. De asemenea, cablul
ar putea interfera cu sistemul de locomoţie sau chiar cu senzorii, aceştia putând raporta valorieronate.
Sistemele de comunicare fără fir se folosesc de o serie de tehnologii de transmitere adatelor prin aer dintre care amintim: transmisia prin unde în spectrul infraroşu, bluetooth, radiomodem-uri, WiFi şi altele.
Tehnologiile WiFi sunt deja răspândite în domeniul calculatoarelor personale, şi oferă unsuport complet de integrare al roboţilor în reţele de calculatoare. O problemă a acestortehnologii ar fi faptul că sunt consumatoare de energie, lucru care nu este prielnic robotuluimobil.
Eliminând problema energiei consumate, tehnologiile Bluetooth oferă servicii similare cudispozitivele WiFi, însă distanţa maximă admisibilă între emiţator -receptor este mult mai micadecât în cazurile celorlalte tehnologii. În momentul de faţă, tehnologiile Bluetooth se folosescîn interiorul clădirilor, în laborator, unde distanţa maximă fără repetor este de maxim 20m.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
15
1.3.2.3. Exemplu de navigație a robotului mobil KSR4 Escape
Pentru observarea modului de navigație al roboților mobili, a fost testat într -un spațiu delucru cu obstacole fixe robotul Escape [**10], care foloseşte pentru detecție trei diode infraroşude emitere şi un modul infraroşu de recepţie.
Fig. 1.4. Robotul mobil testat pentru observarea comportamentului într-un spațiu de lucru
S-au efectuat o serie de teste cu robotul KSR4 – Escape, într-un mediu ambiant (lungime
785mm, lăţime 380mm) de tip labirint, acesta trebuind să ajungă dintr -un capăt în celălalt capătocolind mai multe obstacole de diferite forme. Obstacolele au fost realizate din polistirenexpandat de culoare albă [T3]. Au fost efectuate cinci încercări cu poziționări diferite aleobstacolelor în spațiul de lucru (fig. 1.5).
Fig. 1.5. Poziționarea obstacolelor în mediul ambiant în care s-au realizat cele cinci încercări
În figura 1.6 este prezentat drumul parcurs de robot în spațiul de lucru la cele cinciîncercări. Cu linie roşie au fost reprezentate mişcările înainte ale robotului, iar cu linie verde,mişcările înapoi. Cu cerc albastru s-a marcat plecarea şi cu x roşu s-a marcat sosirea.
Fig. 1.6. Drumul parcurs de robot în spațiul de lucru în care s-au realizat cele cinci încercări
La prima încercare s-au folosit 6 obstacole. După 29 de mişcări, 15 înainte şi 14 înapoi,robotul a epuizat sursa de energie şi nu a ajuns la punctul de sosire. Robotul a avut şi probleme
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
16
de locomoţie, având tendinţa de virare spre stânga în timpul mersului [T3]. La a douaîncercare, după 41 de mişcări, 21 înainte şi 20 înapoi, robotul a ajuns la punctul de sosire. Și laa treia încercare s-au folosit 6 obstacole. După 33 de mişcări, 17 înainte şi 16 înapoi, robotul aajuns la punctul de sosire. La a patra încercare s-au folosit 7 obstacole și după 25 de mişcări, 13înainte şi 12 înapoi, robotul a ajuns la punctul de sosire. La a cincia încercare s-au folosit 7o bstacole, obstacolul 7 fiind din sticlă. Modulul emiţător nu a sesizat obstacolul 7, lovindu -l.Robotul nu a ajuns la punctul de sosire. În urma testelor se poate spune că sistemul de detecțiea sesizat obstacolele confecționate din polistiren de culoare albă, evitându-le în drumul spre
punctul de sosire, dar nu a sesizat obstacolul din sticlă, senzorii în infraroșu neputând să-ldetecteze.
Pentru o mai bună orientare a robotului Escape, se poate modifica sistemul senzorialadăugând alături de cele trei diode infraroşu de emitere încă două [T5]. Cu cinci diode deemitere se mărește unghiul de detecție, îmbunătățindu-se comportamentul robotului din punctde vedere al detecției obstacolelor. Din considereste economice, utilizarea mai multor diode deemisie (în număr mai mare de cinci) nu este justificată.
a) b)
Fig. 1.7. Placa de bază cu trei şi cu cinci diode de emisie
1.4. Concluzii
Roboţii mobili autonomi reprezintă clasa cea mai performantă a roboţilor mobili. Unrobot trebuie să realizeze diferite sarcini fără a-i fi specificată fiecare acţiune care urmează săfie realizată. Pentru a realiza un robot autonom, este necesar să fie sintetizate multe tehnici,inclusiv unele elemente de inteligenţă artificială. În mod obişnuit, robotul trebuie să obţinăinformaţii din lumea înconjurătoare folosind senzori tactili vizuali şi acustici, să elaboreze un
plan pentru executarea sarcinii date, să rezolve fenomenele neaşteptate care vin fie din mediulexterior, fie de la robot şi să înveţe din experienţă pentr u a-şi îmbunătăţi performanţele.
Obstacolele nu sunt întotdeauna statice, iar robotul nu poate fi modelat ca un singurobiect rigid. Este evident că un robot care se mişcă printre obstacolele mobile este capabil de
performanţe mult mai mari şi de o serie de sarcini mult mai complexe.
Ce se poate spune este că sistemul senzorial al unui robot de orice tip, are cea maiimportantă funcţie în orientarea acestuia în spaţiul de lucru. Senzorii tactili sunt folosiţi în practică sub formă individuală şi sub formă matricială.
Senzorii tactili matriciali prezintă o capacitate informaţională mai mare, fiind mult maieficienţi decât dacă sunt folosiţi individual.
Cei mai întrebuinţaţi senzori vizuali sunt cei de tip CCD şi CMOS. Senzorii CCD, înraport cu senzorii CMOS, oferă o calitate superioară a imaginii, zgomot redus, citire rapidă aimaginilor de calitate superioară. Senzorii CMOS au preţul de cost mai scăzut, integrare în cip,consum redus şi tehnologie mai simplă de fabricare. Din punct de vedere economic, în ultimiiani s-au vândut mai multe unităţi CCD decât CMOS, dar ca proiecte de noi produse, într -un an,raportul a fost de 5 la 1 pentru CMOS.
Senzorii de detecţie acustici, precum şi senzorii ultrasonici au calităţi superioare celoroptici impunându-se într-o serie de aplicaţii. Aceşti senzori sunt recomandabili la aplicaţii înmedii gazoase şi în condiţii grele sau care exclud utilizarea fenomenului optic (prezentaaburilor sau prafului, perturbaţii optice etc).
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
17
CAPITOLUL 2. CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND DEPLASAREA ROBOȚILOR MOBILI ÎN SPAŢIUL DE LUCRU
2.1. Introducere
Pentru înțelegerea comportamentului unui robot mobil într -un spațiu de lucru dotat cudiferite tipuri de obstacole s-au efectuat teste cu mai mulți roboți având diverse grade deautonomie. Roboții mobili supuși testelor prezintă sisteme diferite de locomoție și folosesc maimulte tipuri de senzori în vederea orientării în spațiul de lucru.
În urma testelor efectuate cu roboții mobili în spațiul de lucru, se va stabili metoda deoptimizare a sistemului senzorial.
O importanță deosebită o are alegerea metodelor de testare a roboților mobili în vedereadeterminării particularitățior acestora și a modului de operare în spațiul de lucru.
Prima metodă aleasă depinde de precizia de operare a fiecăr ui robot mobil. Astfel se vamăsura abaterea de la traiectorie a roboților într -un spațiu de lucru închis fără denivelări.
O altă metodă este cea de evitare a obstacolelor dintr -un spațiu de lucru. Obstacoleleutilizate vor avea diferite forme și mărimi.
A treia metodă este cea a parcurgerii unui traseu de tip labirint pentru observareatraiectoriei și a numărului de schimbări de direcție a fiecărui robot. De asemenea , se va măsuradistanța parcursă și se va cronometra timpul în care fiecare robot ajunge în puntul țintă (lasosire).
2.1.1. Spaţiul de lucru
Pentru testarea performanţelor roboţilor mobili este necesară alegerea unui spaţiu de lucruîn care datele primite de la sistemul senzorial să fie cât mai puţin afectate de factorii
perturbatori din mediul ambiant. Astfel este de preferat alegerea unui spaţiu de lucru inchis cutemperatură şi umiditate constante, ferit de zgomote şi viteze fluctuante ale curenţilor de aer.De asemenea, trebuie ales un punct de plecare a robotului mobil, o serie de obstacole pe careacesta trebuie să le evite în drumul său şi un punct de sosire a acestuia.
Ţinând cont de precizările făcute anterior, pentru testarea performanţelor unui robotmobil se poate alege un spaţiu de lucru de tip încăpere cu diferite obstacole poziţionate îninterior , sau un spaţiu de tip labirint unde obstacolele sunt reprezentate de pereţii de diferitelungimi şi f orme.
2.1.2. Obstacolele din spaţiul de lucru
Obstacolele alese pentru crearea unui spaţiu de lucru optim testelor pot avea dimensiunişi forme diferite. De asemenea, acestea pot fi confecţionate folosind diverse tipuri de materiale.
Fig. 2.1. Realizarea obstacolelor de diferite forme
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
18
2.2. Roboții mobili utilizaţi la cercetările experimentale
Pentru studiul experimental au fost utilizați șase roboți mobili și anume: Robot mobil Pro Bot 128; Robot mobil Spy Video TRAKR; Robot mobil KSR4 – ESCAPE;
Fig. 2.2. Roboții mobili utilizați la cercetările experimentale
Dintre cei șase roboți mobili testați trei au sistemul locomor cu roți, unul cu șenile și doisunt pășitori.
2.2.1. Robotul mobil Pro Bot 128
Robotul mobil PRO‐BOT 128 dispune de un procesor C‐Control PRO 128 RISC şidouă motoare care pot fi controlate separat unul de altul, o unitate optică de urmărire a liniilor,un dispozitiv pentru evitarea coliziunilor, doi senzori turaţie pentru roţi, patru sisteme deafişare cu leduri, un senzor acustic, doi senzori de lumină, iar drept caracteristică specială
posibilitatea de a măsura şi monitoriza propria tensiune de funcţionare [***8]. Robotul este montat pe un şasiu cu transmisie diferenţială, care îi permite să se rotească şisă pornească în direcţia dorită. Acest tip de tracţiune are avantajul că la mişcările de rotaţie şide schimbare a direcţiei robotul nu are nevoie de un spaţiu mai mare decât propriacircumferinţă. Senzorii şi actuatorii permit programatorului dezvoltarea unor interacţiuni foarte
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
19
complexe cu stimuli exteriori şi astfel reacţii elaborate. Robotul are în componenţă doi senzoride lumină, doi odometrii, un senzor de urmărire a liniei (marcajului), un sistem senzorialinfraroşu anti coliziune, un senzor acustic, şi un senzor care controlează tensiunea dealimentare. Actuatorii sunt reprezentaţi prin două transmisii electrice DC cu reglarea continuă avitezei faţă/spate, un avertizor cu sunete pentru redare audio, patru led-uri de stare şi un led
pentru senzorul de urmărire a liniei. Computerul de comandă C-Control PRO 128 este un modul compact pentru utilizare
universală la aplicaţii de măsurare, control şi reglare şi dispune de funcţia de transfer serial dedate şi stocare de date [***8]. Computerul include un microprocesor ce permite programareakitului în limbajele de programare BASIC şi C.
2.2.2. Robotul Spy Video TRAKR
Spy Video TRAKR este un robot programabil dotat cu cameră video color, cu posibilitatea vederii în întuneric, microfon şi difuzor. Robotul poate fi comandat cu ajutorultelecomenzii sau poate fi programat în vederea parcurgerii unui traseu selectat.
La comanda manuală a robotului, dirijarea acestuia se face cu ajutorul imaginilor captatede camera video şi afişate pe ecranul color al telecomenzii. Imaginea afişată poate fi mărită şi pe ecran pot fi vizualizate viteza de înaintare, nivelul energiei în acumulatori şi o busolă.Pentru vederea nocturnă e folosit LED-ul infraroşu montat deasupra camerei video [***9].
Programarea robotului se face prin intermediul calculatorului, conexiunea cu acestafăcându-se prin intermediul unui cablu USB.
2.2.3. Robotul KSR4 – "ESCAPE"
Robotul Escape [**10] foloseşte trei diode infraroşu de emitere şi un modul infraroşu derecepţie care emit şi respectiv receptează semnale în vederea detectării obstacolelor.
Microprocesorul acestui r obot îl face capabil să culeagă şi să proceseze informaţii despremediul înconjurător, permiţând evitarea obstacolelor în timpul funcţionării. Robotul Escape sedeplasează cu ajutorul a şase roţi şi este alimentat cu energie electrică cu patru baterii AAA de1,5 V.
Pentru pornirea robotului, comutatorul e mutat pe poziţia ON. Ledul LED1 este aprins,dispozitivul emite trei sunete şi robotul porneşte. Diodele emiţătoare LED2, LED3 şi LED4trimit semnale în vederea detecţiei obstacolelor. În momentul în care un obstacol e detectat,semnalul receptat este trimis modulului de recepţie care în funcţie de tipul semnalului permite:
a) Când dioda emiţătore din dreapta detectează un obstacol, se va auzi un singur sunet.Motorul din stânga va merge în marşarier. Apoi ambele motoare vor merge înainte.
b) Când dioda emiţătore din stânga detectează un obstacol, se va auzi un singur sunet.
Motorul din dreapta va merge în marşarier. Apoi ambele motoare vor merge înainte.c) Când dioda emiţătore din mijloc detectează un obstacol, se vor auzi două sunete.
Ambele motoare vor merge în marşarier. Apoi ambele motoare vor merge înainte.d) Când toate trei diode emiţătore din mijloc detectează obstacole, se vor auzi trei sunete.
Ambele motoare vor merge în marşarier. Apoi ambele motoare vor merge înainte.
2.2.4. Robotul Umanoid Maxibot
Robotul Maxibot este un robot mobil pășitor programabil care are posibilitatea de acomunica cu alţi roboţi din familia sa cu ajutorul unui sistem senzorial infraroşu.
Programarea robotului se realizează cu ajutorul modulului de programare amplasat în
partea din spate a acestuia. Acest modul are patru taste prin apăsarea cărora se determină câţi paşi se fac înainte, înapoi, la stânga sau la dreapta. Dezavantajul acestui tip de robot este că nu poate opera decât în spaţii de lucru unde se cunoaşte poziţia obstacolelor.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
20
2.2.5. Robotul păşitor Hexbug Delta
Robotul Hexbug Delta este un robot păşitor care reacţionează la atingere. Antenele luisunt senzori tactili care modifică sensul de mers la atingere. Când antena din dreapta esteatinsă, robotul virează spre dreapta şi când antena din stânga este atinsă, robotul virează sprestânga.
Robotul este pus în mişcare de picioarele din mijloc. Celelalte patru picioare oferăstabilitate în timpul deplasării. Când nici una din antene nu este atinsă, direcţia de deplasareeste înainte.
2.2.6. Vehicul telecomandat
La acest tip de vehicul orientarea se face de la distanţă prin telecomandă în funcţie dedatele primite de la un senzor ultrasonic.
Senzorul ultrasonic DT020-1 a fost montat în partea frontală a vehiculului şi sistemul deachiziţie de date MultiLogPRO în partea din spate. Conexiunea cu calculatorul a sistemului de
achiziţie se poate realiza cu cablu sau wireless (reţea fără fir).2.3. Cercetări privind sistemul de locomoție al roboților mobili
Locomoţia este procesul care îi permite robotului mobil să se deplaseze în mediu prinacţionarea anumitor forţe asupra sa. Sistemul de locomoţie are un rol hotărâtor în atingereascopului propus prin funcţia robotului mobil. Contribuie la acest lucru atât varianta de realizarea locomoţiei (roată, șenile, picior etc.), cât şi aspectele structurale (grade de mobilitate,orientare, manevrabilitate) ale variantei admise pentru robot.
Pentru a se determina influența sistemului locomotor asupra orientării roboților în spațiulde lucru s-au efectuat teste cu roboți mobili cu sisteme locomotoare cu roți, șenile și roboți
pășitori.
2.3.1. Determinarea abaterii liniare de la traiectorie
Pentru determinarea abaterii de la traiector ie a roboților testați s-a amenajat un traseu cu benzi de mărimi și culori diferite. Banda îngustă din mijloc are culoarea verde și lățimea de 10mm, în stânga și dreapta benzile au culoarea galbenă cu lațimea de 15 mm, acestea fiindmărginite de benzile de culoare roșie cu lățimea de 25 mm.
În vederea determinării abaterii unghiulare de la traiectorie a fost proiectat un dispozitivcare rulează pe șine și are încorporat un senzor care măsoară viteza unghilară. Senzorul montat
pe dispozitiv este conectat la robotul testat și la sistemul de achiziție de date MultilogPro,
furnizând în timp real valorile măsurate. Mișcarea dispozitivului va fi rectilinie și forța defrecare dintre roți și cele două șine va avea valori foarte reduse [O1]. În figura 2.3 este
prezentată o captură dintr -o pagină a software-ului Pro Engineering în care au fost proiectateroțile dispozitivului.
Fig. 2.3. Proiectarea roților dispozitivului de determinare a abaterii unghilare
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
21
Senzorul utilizat DT148A, monitorizează poziția unghiulară și indică direcția deplasării,valorile fiind pozitive sau negative. Măsurându -se valoarea unghiului la abaterea de latraiectorie, semnul nu are relevanță. Senzorul pentru măsurarea vitezei unghiulare prezintă uncodificator optic, legat de arborele principal al senzorului. Acesta produce 1440 impulsuri
pentru fiecare rotire completă a roții senzorului. Un microprocesor din interior contorizează aceste impulsuri și produce o tensiune de ieșire între 0V și 5V, corespunzător numărului deimpulsuri. Acuratețea senzorului este de 0,125o având o rată de eșantionare de 10 probe pesecundă.
Fig. 2.4. Sistem de determinare a abaterii unghiulare
În figura 2.4 este prezentat întregul sistem obținut în vederea determinării abateriiunghiulare la deplasarea roboților mobili. Cu acesta au fost testați roboții Spy Video TRAKR(șenile), Pro Bot 128 (roți), mini-vehiculul teleghidat (roți) și Maxibot (pășitor). Senzorul a fostatașat fiecărui robot în parte printr -o prindere fixă.
Fig. 2.5. Conectarea dispozitivului la roboții mobili
În tabelul 2.1 sunt prezentate valorile obținute în urma măsurătorilor cu dispozitivulrealizat. Valorile unghiurilor măsurate au fost citite din 200 în 200 mm pe o distanță de 1,8 m.
Tabelul 2.1. Abaterea unghiulară de la traiectorie
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
22
În urma analizei datelor obținute se evidențiază valorile obținute pentru robotul pășitorMaxibot. Abaterea unghilară de la traiectorie este mult mai mare în comparație cu abateriledeterminate pentru ceilalți roboți.
În vederea determinării abaterii liniare de la traiectorie, fiecărui robot în parte i s -amăsur at și însemnat centrul de simetrie. Abaterea liniară de la traiectorie a fost detreminată
prin măsurarea distanței dintre axa traseului și centrul de simetrie al robotului. Cât timp centrulde simetrie al fiecărui robot se încadrează în banda verde abaterea este neglijabilă, măsurareaacesteia făcându-se pe benzile de culoare galbenă și roșie.
Deplasarea roboților a fost filmată cu o cameră montată pe tavanul încăperii unde a fostamenajat spațiul de lucru. Astfel, pe baza filmării s -a determinat cu precizie abaterea liniară lafiecare 200 mm dintr-o distanță totală de 1800 mm (1,8m). În tabelul 2.2 sunt pezentatevalorile abaterii liniare determinate pentru cei șase roboți mobili.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
23
În figura 2.6 este prezentată variația abaterii de la traiectorie în funcție de distanța parcursă. Se observă că la roboții Robot Pro Bot 128, Mini-vehicul teleghidat și Spy VideoTRAKR abaterea a crescut liniar cu distanța parcursă. La roboții pășitori se observă că valorileabaterii au crescut exponențial cu distanța parcursă.
Fig. 2.7. Distanța parcursă de roboți pe benzile de culori
În figura 2.7 este prezentată distanța parcursă de cei șase roboți mobili pe cele trei benzide culori diferite. Se observă că robotul Spy Video TRAKR a parcurs cea mai mare distanță peculoare verde față de ceilalți roboți și a fost singurul care nu a trecut pe banda de culoare roșie.Robotul pășitor Hexbug Delta a parcurs cea mai mică distanță pe culoare verde și cea mai maredistanță pe culoare roșie.
2.3.2. Determinarea accelerației și vitezei roboților în funcție de sistemul de locomoție
Pentru determinarea performanţelor mecanice ale roboţilor mobili s-au efectuat teste întrei spaţii de lucru cu proprietăţi diferite. Astfel s-a urmărit comportamentul roboţilor din punctde vedere al locomoţiei pe parchet, pe covor şi pe nisip. Spațiile de lucru amenajate în vedereamăsurătoriilor sunt prezentate în figura 2.8.
Fig. 2.8. Spațiile de lucru amenajate: a) parchet, b) covor, c) nisip
Roboţii aleşi pentru teste au fost Mini -vehiculul teleghidat (sistem locomotor cu roți) şiSpy Video TRAKR (sistem locomotor cu șenile). Roboţii au fost echipaţi cu senzorulultrasonic DT020-1 şi cu sistemul de achiziţie de date MultiLogPRO care rulează conectat laPC sau ca un dispozitiv de sine stătător.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
24
Senzorul ultrasonic DT020-1 poate fi setat pentru măsurarea distanţei, a vitezei și aacceleraţiei individual sau concomitent. Acesta poate fi calibrat dacă măsurătorile suntimprecise. Astfel s-au determinat viteza şi acceleraţia roboţilor cu o rată de eşantionare de zece
probe pe secundă.
Fig. 2.9. Testarea sistemului de locomoţie al roboţilor
În urma testelor efectuate cu Mini-vehiculul teleghidat se observă că atât viteza, cât și
accelerația au valori mai mici la deplasarea acestuia pe nisip. Au fost analizate datele obținutela demarajul vehiculului, diferențele mari fiind înregistrate în primele secvențe ale deplasării.
Fig. 2.10. Variația vitezei la deplasarea mini-vehicului teleghidat pe parchet, covor și nisip
În urma testelor efectuate cu robotul Spy Video TRAKR se observă că atât viteza, cât șiaccelerația au valori mai apropiate la deplasarea în cele trei medii față de valorile obținute cuvehiculul cu roți. Totuși, valorile minime și în acest caz au fost obținute la deplasarea robotului
pe nisip.
Fig. 2.11. Variația vitezei la deplasarea robotului cu șenile pe parchet, covor și nisip
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
25
2.4. Cercetări privind detecția obstacolelor din spațiul de lucru
Evitarea obstacolelor este una din cele mai importante probleme pe care se pun ladeplasarea unui robot mobil într-un spațiu de lucru. Evitarea este o consecință a detecției obstacolelor și oprirea sau schimbarea direcției de deplasare a roboților mobili, cu scopul de aevita coliziunile.
În vederea observării comportamentului roboților într-un spațiu de lucru cu obstacolefixe, s-au testat trei roboți cu grade de autonomie diferite: robotul Spy Video TRAKR(semiautonom), robotul Maxibot (semiautonom) și robotul Pro Bot 128 (autonom).
Robotul Spy Video TRAKR are un grad de autonomie scăzut, fiind inițial programat șighidat de operatorul uman pentru parcurgerea traseului. Acest robot are posibilitatea de amemora mișcările efectuate pentru parcurgerea unui traseu și apoi de a repeta traseul parcursfără ajutorul operatorului uman.
Robotul Maxibot, are un grad de autonomie scăzut, având posibilitatea de a sesiza și evitaobstacolele cu ajutorul sistemului de detecție cu senzor în infraroșu, dar fiind programat în
prealabil de operatorul uman. Programarea se face analogic prin alegerea mișcărilor robotuluicu ajutorul modulului de programare amplasat în partea din spate a acestuia.Robotul Pro Bot 128 are un grad de autonomie ridicat având posibilitatea de a sesiza și
evita obstacolele cu ajutorul sistemului senzorial fără intervenția operatorului uman. Pentrudetecția obstacolelor și orientarea în spațiul de lucru robotul a fost programat să utilizezesistemul senzorial infraroşu anti-coliziune.
Prin testarea celor trei roboți se urmărește comportamentul acestora din punct de vedereal distanței parcurse dintre un punct de pornire și un punct țintă și a modului de evitare aobstacolelor. Pentru aceasta s-au amenajat două spații de lucru, unul cu trei obstacole fixe șialtul de tip labirint.
În vederea stabilirii cu precizie a traseului parcurs de fiecare robot, aceștia au fost dotați
cu un sistem de trasare a marcajului. Acest sistem folosește un nuanțator care va trasa o linie întimpul deplasării robotului. În figura 2.12 este prezentat locul de amplasare a sistemului detrasare a marcajului pentru evidențierea traseului. Se observă că pentru o trasare precisă,sistemul a fost aplasat pe ambele picioare ale robotului Maxibot, la robotul Spy Video TRAKRsistemul a fost aplasat în centrul de simetrie la o distanță egală față de puntea față și spate și larobotul Pro Bot 128 la în centrul axului sistemului de locomoție.
Fig. 2.12. Amplasarea sistemului de trasare a marcajului pentru evidențierea traseului parcursde roboții mobili în spațiul de lucru
Traiectoria descrisă de fiecare robot testat a fost împărțită în segmente drepte în ved ereadeterminării distanței parcurse. Segmentele de linie au fost măsurate și distanța parcursă defiecare robot a fost calculată adunând valorile acestora.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
26
2.4.1. Orientarea roboților într-un spațiu de lucru cu obstacole fixe
Pentru studierea comportamentului roboților mobili aleși pentru testare a fost amenajat unspațiu de lucru cu trei obstacole fixe de diferite forme și dimensiuni. În spațiul creat s-a ales un
punct de start și unul de sosire în așa fel încât fiecare robot să întâlnească obstacolele în timpuldeplasării.
Înainte de testarea roboților a fost determinată traiectoria ideală ținând cont dedimensiunile robotului cel mai mare
idealăd 1,8[m] .
Fig. 2.13. Deplasarea roboților în spațiul de lucru cu obstacole fixe
În figura 2.13 este prezentată traiectoria descrisă de roboții Spy Video TRAKR, Maxibotși Pro Bot 128 în spațiul de lucru cu trei obstacole fixe. Pentru robotul Spy Video TRAKR liniatrasată de nuanțatorul montat pe robot a fost împărțită în 13 segmente. Distanța parcursă a fost
determinată prin adunarea valorilor segmentelor, având valoarea d1= 1,979 m. Se observă cărobotul a parcurs o distanță cu 0,179 m mai mare față de traiectoria ideală. Pentru robotulMaxibot linia trasată de nuanțatorul montat pe robot a fost împărțită în 25 segmente drepte.Distanța parcursă a fost determinată prin adunarea valorilor segmentelor, având valoarea d2=2,136 m. Robotul a parcurs o distanță cu 0,336 m mai mare față de traiectoria ideală. Pentrurobotul Pro Bot 128 linia trasată a fost împărțită în 38 segmente. Se observă că acest robot aefectuat, față de ceilalți roboți și mișcări înapoi pentru evitarea obstacolelor. Distanța parcursăa fost determinată prin adunarea valorilor segmentelor, având valoarea d3= 3,038 m, din care0,422 m au fost parcurși la mersul înapoi. Robotul a parcurs o distanță cu 1,238 m mai marefață de traiectoria ideală.
În urma testelor efectuate se poate spune că roboții cu grad de autonomie scăzut au
parcurs o distanță apropiată de valoare față de traiectoria ideală, fără a efectua mișcări înapoi pentru evitatarea obstacolelor.
Tabelul 2.3. Distanțele parcurse în spațiul de lucru cu obstacole fixe
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
27
2.4.2. Orientarea roboților într-un spațiu de lucru de tip labirint
Pentru studierea comportamentului roboților mobili într -un labirint a fost amenajat spațiulde lucru ca în figura 2.14. Asemeni studiului anterior, în spațiul creat s-a ales un punct de startși unul de sosire.
Fig. 2.14. Spațiu de lucru de tip labirint
La crearea spațiului de lucru au fost utilizate plăci de lemn cu aceeași textură, avândgrosimea de 2 cm, înălțimea de 0,3 m și lungimi cuprinse între 0,2 și 1,2 m. La alegereaacestora s-a avut în vedere ca înălțimea să fie mai mare față de înălțimea la care se aflăsistemul senzorial al fiecărui robot, ca în figura 2.15. Astfel, linia de culoare roșie carereprezintă nivelul la care este amplasat sistemul senzorial trebuie să se afle între liniile galbene
care delimitează placa de lemn utilizată.
Fig. 2.15. Alegerea înălțimii elementelor utilizate la crearea spațiului de lucru de tip labirint
Înainte de testarea roboților, la fel ca la studiul prezentat anterior, a fost propusă o
traiectorie ideală ținând cont de dimensiunile robotului cel mai mare 4,3[m].ideal ăd
Fig. 2.16. Deplasarea roboților în s pațiul de lucru de tip labirint
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
28
În figura 2.16 este prezentată traiectoria descrisă de roboții Spy Video TRAKR, Maxibotși Pro Bot 128în spațiul de lucru de tip labirint. Pentru robotul Spy Video TRAKR linia trasatăde nuanțatorul montat pe robot a fost împărțită în 46 segmente. Distanța parcursă a fostdeterminată prin adunarea valorilor segmentelor, având valoarea d1= 5,009 m. Se observă cărobotul a parcurs o distanță cu 0,709 m mai mare față de traiectoria ideală. Pentru robotulMaxibot linia trasată de nuanțatorul montat pe robot a fost împărțită în 65 segmente. Distanța
parcursă a fost determinată prin adunarea valorilor segmentelor, având valoarea d2= 4,598 m.Robotul a parcurs o distanță cu 0,298 m mai mare față de traiectoria ideală. Pentru robotul ProBot 128 linia trasată a fost împărțită în 57 segmente drepte. Se observă, la fel ca la studiulefectuat în spațiul de lucru cu obstacole fixe că acest robot a efectuat și mișcări înapoi învederea evitării obstacolelor. Distanța parcursă a fost determinată prin adunarea valorilorsegmentelor, având valoarea d3= 9,739 m, din care 2,338 m au fost parcurși la mersul înapoi.Robotul a parcurs o distanță cu 5,439 m mai mare față de traiectoria ideală.
În urma testelor efectuate în spațiul de lucru de tip labirint se poate spune că roboții cugrad de autonomie scăzut au parcurs o distanță mult mai mică în comparație cu robotul Pro Bot128. Acesta a parcurs o distanță mai mare decât dublul distanței ideale.
Tabelul 2.4. Distanțele parcurse în spațiul de lucru de tip labirint
Tipul robotuluimobil
Distanța totală parcursă
Distanța parcursă lamers înainte
Distanța parcursă lamers înapoi
Diferența fațăde distanța
ideală [m] [m] [m] [m]
Spy VideoTRAKR
5,009 5,009 0 0,709
Maxibot4,598 4,598 0 0,298
Pro Bot 128 9,739 7,401 2,338 5,439
Robotul Spy video TRAKR, având dimensiuni mai mari, a parcurs o distanță mai mare încomparație cu robotul Maxibot, fiind nevoit să parcurgă o distanță mai mare pentru evitareaobstacolelor.
2.5. Concluzii
Studiul experimental asupra comportamentului roboților mobili în procesul de perceperea obstacolelor, impune alegerea unor obstacole de dimensiuni, forme şi materiale diferite. De
asemenea, este deosebit de importantă şi alegerea spaţiului de lucru în care vor fi folositeobstacolele. Acesta ar trebui să fie un spaţiu închis unde pot fi controlaţi parametrii atmosferici,cum ar fi temperatura, umiditatea şi nivelul de zgomot.
Din punct de vedere al abaterii de la traiectorie, diferențele mai mari au fost obținute curoboții pășitori. Pentru corectarea modului de deplasare a robotului pășitor Maxibot, la
programarea acestuia, după patru pași înainte se va face un pas la dreapta. Astfel traiectoriaacestuia se va corecta, robotul având inițial tendința de a se deplasa spre stânga datorităimperfecțiunii sistemului locomotor.
La deplasarea roboților pe suprafețe diferite, valorile obținute cu robotul cu sistem delocomoție cu șenile au fost superioare celor obținute cu vehiculul cu sistem de locomoție curoți.
În urma testelor efectuate în spațiile de lucru amenajate se observă ca distanța cea maimare parcursă între un punct de start și unul de sosire a fost obținută cu robotul care prezintăcel mai ridicat grad de autonomie. Diferențe sesizabile au apărut și în funcție de dimensiunileroboților.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
29
CAPITOLUL 3. CERCETĂRI PRIVIND MĂSURAREA DISTANȚEI CUSENZORII ULTRASONICI
3.1. Considerații teoretice privind transmiterea ultrasunetelor
Ultrasunetele reprezintă un caz particular al undelor acustice şi sunt vibraţii mecanice cufrecvenţe mai mari de 20 000 Hz [H5]. Aspectele dimensionale legate de propagareaultrasunetelor sunt [A3]:
lungimea de undă viteza de propagare atenuarea atmosferică reflectivitatea obiectelor ţintă atenuarea geometrică frecvenţa diagrama de directivitate
efectul Doppler influenţa zgomotelor
Lungimea de undă
În fizică, lungimea de undă este un parametru de bază al oricărui fenomen ondulatoriucare se propagă în spaţiu şi anume reprezintă distanţa parcursă de undă pe durata unei oscilaţii,ori distanţa dintre două puncte din spaţiu între care defazajul relativ al oscilaţiilor este de 2πradiani [L1].
Astfel de fenomene pot fi de exemplu undele electromagnetice (lumina, undele radio etc.)și undele mecanice (sunetele, undele seismice etc.). Prin extensie, pentru orice fenomen care se
repetă în spaţiu, perioada de repetare se poate numi lungime de undă. De exemplu înmatematică dacă o funcţie sinusoidală are ca argument poziţia în spaţiu, atunci distanţa la carefuncţia îşi repetă valorile se numeşte lungime de undă [M3].
Lungimea de undă este legată de viteza de propagare a undei respective şi de frecvenţa ei prin relaţia:
vv T
f [m], (3.1)
λ = lungimea de undă;v = viteza de propagare a undei în mediul respectiv;
f = frecvenţa undei, inversa perioadei temporale;T = perioada undei.
Viteza de propagare a sunetului
Viteza sunetului este unul dintre parametrii care descriu propagarea sunetului printr-unmediu. Această viteză depinde de proprietăţile mediului de propagare, în particular deelasticitatea şi densitatea acestuia.
În aer şi alte gaze viteza sunetului depinde în primul rînd de temperatură. De exemplu, la0 °C viteza sunetului este de 331,5 m/s, iar la 20 °C aproximativ 343,4 m/s. Presiunea are unefect mic, iar umiditatea nu are aproape nici un efect asupra vitezei [U1].
Pentru aer, formula aproximativă de mai jos permite calculul vitezei de propagare a
sunetelor în funcţie de temperatură, pentru un domeniu de temperaturi în jur de 0 °C:
aer c 331, 5 0, 607 t [m/s], (3.2)
t = temperatura aerului exprimată în grade Celsius.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
30
Această formulă este aproximaţia liniară (primii doi termeni din seria Taylor ) a funcţiei:
aer
tc 331,5 1
237,15 [m/s], (3.3)
care permite calculul mai exact al acestei dependenţe în ipoteza că variaţia cu temperatura acapacităţii calorice a aerului este nulă. Erorile derivate din această ipoteză sunt mici încondiţiile temperaturilor obişnuite din atmosferă, dar cresc în special la temperaturi înalte.
Coeficientul pentru aproximaţia liniară se obţine astfel:
0
0
1 1c 331,5 0, 607
2 T 2 273,15
. (3.4)
Atenuarea atmosferică
Pe parcursul propagării ultrasunetelor, o parte din energia acestora este absorbită demediu. Puterea semnalului acustic care pleacă de la o sursă scade conform cu legea inversului
pătrat [N2].
2
0
d4
II
2
W m , (3.5)
unde:I = intensitatea (puterea per suprafaţă) la distanţa d;I0 = intensitatea maximă (iniţială);d = distanţa.
Reflectivitatea obiectelor ţintă
Directivitatea suprafeţei obiectului ţintă determină cât din energia reflectată e direcţionatăînapoi spre receptor. Din moment ce majoritatea obiectelor împrăştie semnalul într -un modizotropic, ecoul se disipă din nou în concordanţă cu legea inversului pătrat, introducând untermen adiţional 4d2 la numitor faţă de forma ecuaţiei precedente a intensităţii. În plus, un noufactor K r , trebuie introdus la numărător în raport cu reflexivitatea obiectului ţintă [T3].
4
d2
0r
d16
eIK I
, (3.6)
unde:K r = coeficient de reflecxie.
Cu cât e mai mare dezacordul între impedanţele din cele două medii, cu atât mai multăenergie va fi reflectată înapoi la sursă.
Atenuarea geometrică
Creşterea suprafeţei frontului de undă pe parcursul propagării ultrasunetelor duce laamortizarea intensităţii acestora. Pentru o sursă izotropică care emite un front de undă sferică,
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
31
P = puterea primită de corp pe unitatea de suprafaţă; P0= puterea emisă; dω = unghiul solid dat de relaţia cos12 d ; = depărtarea faţă de sursă.
Diagrama de directivitate
Sensibilitatea unui senzor ultrasonic nu este uniformă, ci consistă dintr -un lob principal şicâţiva lobi secundari mai mici. De asemenea, această sensibilitate diferă de la un senzor la altul[N2].
Pentru distanţe da propagare mai mari decât D 2/2.λ, forma diagramei de directivitatedepinde de diametrul membranei sursei emiţătoare D şi de lungimea de undă. Dacă λ<D,unghiul de deschidere θ al lobului principal este dat de relaţia [N2]:
csin
2 D D f
. (3.8)
Pentru valori mici ale unghiului θ se face aproximaţia următoare:
sin2 2 D
. (3.9)
Efectul Doppler
Efectul Doppler constă în variaţia frecvenţei unei unde emise de o sursă de oscilaţii, dacă
aceasta se află în mişcare faţă de receptor. Efectul Doppler poate fi constatat atât în cazulundelor electromagnetice (inclusiv lumina), cât şi în cazul undelor elastice (inclusiv sunetul).Frecvenţa măsurată creşte atunci când sursa se apropie de receptor şi scade când sursa sedepărtează de receptor [H5].
R E E
vf f f
c , (3.10)
f R – frecvenţa undei receptate;f E – frecvenţa undei emise;v – viteza de deplasare a robotului;
c – viteza de propagare a undei în aer.
Influenţa zgomotului
În general, două feluri de zgomote pot afecta performanţele senzorilor ultrasonici:zgomotul mediului înconjurător şi zgomotul auto-generat.
3.1.1. Concluzii
Metoda de determinare a distanței cu ajutorul ultrasunetelor este aplicată în multe cazurila detecția obstacolelor în cazul navigației roboților mobili. Însă trebuie luate în considerare
influnțele factorilor care pot perturba transmiterea sunetului și anume: viteza de propagare asunetului, atenuarea atmosferică, reflectivitatea obiectelor ţintă, atenuarea geometric șizgomotele din mediul ambiant.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
32
3.2. Cercetări experimentale privind comportamentul senzorilor ultrasonici în procesulde detecție
3.2.1. Introducere
Performanţele roboţilor mobili sunt dependente de scopul şi obiectivele pe care le au deîndeplinit, dar şi de spaţiul în care îşi desfăşoară activitatea. Alegerea sistemului senzorial
potrivit necesită o analiză serioasă a spaţiului în care robotul mobil va opera şi a particularităţilor acestuia, adică a obstacolelor (obiectelor), care pot fi mobile sau fixe.
În urma măsurătorilor efectuate cu diferiţi senzori ultrasonici asupra unor multiple tipuride obstacole, se vor stabili dependenţele între acestea şi diferitele posibilităţi de detecţie.
3.2.2. Senzorii ultrasonici utilizaţi la cercetările experimentale
Pentru studiul experimental au fost utilizați trei senzori cu domenii de măsurare diferite șianume:
Senzorul utrasonic DT020-1 are un domeniu mare de măsurare, cuprins între 0,4m și10m, senzorul FESTO un domeniu mic de măsurare, cuprins între 0,15m și 0,5m și senzorulParallax PING un domeniu cuprins între 0,2m și 3m.
3.2.3. Erori de măsurare
La măsurătorile efectuate cu senzorii ultrasonici, la fel ca la orice tehnică de măsurare, s -
a ținut cont de erori.Efectuarea măsurătorilor produce erori care au aceeași mărime când procesul de
măsurare se efectuează în condiții identice, sau erori care au mărimi variabile, variația acestoradepinzând de anumite legi de variație. Erorile de măsurare se clasifică în:
erori grosolane care provin din citiri eronate sau din neatenție și trebuie eliminate; erori sistematice care apar din cauza unor caracteristici constructive ale
echipamentelor,sau pot fi produse de factori externi (temperatură, presiune, umiditate,zgomote etc);
erori aleatoare care apar ca urmare diversității proceselor și fenomenelor precum și ainteracțiunilor experimentului cu alte procese și fenomene ce se desfasoară simultan.
În procesul de analiză a datelor provenite din măsurătorile efectuate cu senzoriiultrasonici se vor calcula eroarea absolută, eroarea relativă și se va determina eroarea maximăadmisibilă. Eroarea absolută este dată de relația:
m r x x x , (3.11)
unde xm este valoarea obținută prin măsurare și xr este valoarea reală.
Eroarea relativă este dată de relația:
100r
x
x
, (3.12)
unde ∆x este eroarea absolută și x r este valoarea reală. Eroarea relativă este exprimată în procente.
Eroarea maximă admisibilă se determină prin alegerea valorii maxime a erorii absolute.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
33
maxadm x x . (3.13)
Astfel pentru măsurătorile de distanță efectuate cu senzorii ultrasonici eroarea absolută vaavea forma:
m r d d d , (3.14)
unde dm este valoarea distanței obținută prin măsurare și d r este valoarea reală a distanței. Eroarea relativă va fi:
100r
d
d
, (3.15)
unde ∆d este eroarea absolută și dr este valoarea reală a distanței.
Eroarea maximă admisibilă se va nota astfel:
maxadmd d . (3.16)
3.2.4. Determinarea distanței dintre senzorii ultrasonici și obstacole
Primele măsurători cu senzorii ultrasonici au fost efectuate față de un obstacol cusuprafața plană poziționat la o distanță egală cu jumătatea domeniului de detecție a fiecăruisenzor.
Senzorul ultrasonic DT020-1 are un domeniu mare detecție de maxim 10 metri, astfel căobstacolul a fost amplasat la o distanță de 5m (500 0 mm).
Senzorul FESTO are un domeniu mare detecție de maxim 0,5 metri, astfel că obstacolul afost amplasat la o distanță de 0,25m (250mm).
Senzorul Parallax PING are un domeniu mare detecție de maxim 3 metri, astfel căobstacolul a fost amplasat la o distanță de 1,5m (1500mm).
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
34
S-au efectuat câte zece măsurători la aceeași distanță notată cu d r pentru fiecare senzor în parte, astfel determinându-se câte zece valori ale distanței măsurate d m. Timpul de răspunsteoretic al fiecărui senzor a fost calculat cu relația:
0
2r
aer
d t
c
[µs] (3.17)
și timpul de răspuns real a fost calculat în funcție de distanța măsurată astfel: 2
m
aer
d t
c
[µs] (3.18)
Timpul de răspuns al senzorului este dependent de viteza de propagare a sunetului înmediul în care se fac măsurărorile, în cazul de față acesta fiind aerul. Viteza de propagare asunetului în aer se determină cu relația (3.2).
Fig. 3.2. Program de calcul a timpului de răspuns
Pentru calcularea timpului de răspuns în funcție de distanța măsurată și a vitezei sunetuluiîn aer în funcție de temperatură, a fost creat un program de calcul în limbajul de programareMicrosoft Visual Basic 2010 Expres. Pentru calculul timpului de răspuns se introduc distanța șitemperatura mediului ambiant și prin apăsarea butonului de calcul sunt calculate vitezasunetului în aer și timpul de răspuns al senzorului. În cazul în care nu se introduce valoareatemperaturii, timpul de răspuns nu este calculat.
În figura 3.3 este prezentat un exemplu în care s-au calculat timpul de răspuns și viteza de propagare a sunetului în aer pentru o distanță de 5 metri și o temperatură de 24,8 grade Celsius,valorile calculate fiind afișate cu patru zecimale exacte.
Fig. 3.3. Exemplu de calcul a timpului de răspuns cu ajutorul programului propus
Măsurătorile s-au realizat la o temperatură taer = 24,8 oC, determinată cu anemometrul portabil. În acest caz, viteza de propagare a sunetului are valoarea caer = 346,55 m/s.
Cu relațiile (3.14), (3.15) și (3.16) s-au detereminat eroarea absolută, eroarea relativă șieroarea maximă admisibilă.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
35
În toate situațiile s-a observat că valoarea erorii relative nu depășește 0,5 %. În acestecondiții se pot face măsurători de distanță cu cei trei senzori, fără a se face o etalonare aacestora în prealabil.
3.2.4.1. Determinarea distanței față de obstacole de dimensiuni diferite
Principala problemă a senzorilor este detecția obstacolelor de dimensiuni mici. La fel șisenzorii ultrasonici nu detectează obiecte de dimensiuni foarte mici (fig 3.4.b.) și dacă ledetectează, distanța determinată poate avea valori diferite de distanța reală față de senzor[T11].
Fig. 3.4. Detecția obstacolelor de dimensiuni mici
La determinarea distanței față de obstacole de dimensiuni diferite s-a utilizat senzorulultrasonic Parallax PING, în condiții de presiune atmosferică de 714,5 mmHg şi temperatură de22,5 oC (295,65 K). În acest caz, viteza de propagare a sunetului are valoarea c aer = 345,16 m/s.
Obstacolele f olosite la testarea senzorului ultrasonic au fost montate pe platforma mobilăa subansamblului de ghidare cu potenţiometru liniar . S-au folosit obstacole plane confecţionate
din aluminiu având înălțimea de 150 mm și lăţimea de 20 mm, 40 mm şi respectiv de 60 mm.
Distanţele la care a fost poziţionat obstacolul variază crescător de la 100 mm la 1000 mm, din100 în 100 mm.
Fig. 3.5. Variația erorii relative pentru obstacolele de diferite dimensiuni
Se observă că valoarea medie a erorii relative crește invers proporțional cu lățimeaobstacolului, aceasta fiind de două ori mai mare la obstacolul cu lățimea de 20 mm față de celcu lățimea de 60 mm.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
36
3.2.4.2. Determinarea distanței față de obstacole de forme diferite
Asemeni cazurilor prezentate anterior, o altă problemă a senzorilor apare la detecțiaobstacolelor de diferite forme. Distanța măsurată dintre senzor și obstacol poate avea valoridiferite funcție de forma obstacolului.
Pentru observarea influenţei formei obstacolului, s-au efectuat măsurători de distanţăîntre senzorul ultrasonic DT020-1 şi trei obstacole cu secțiuni transversale diferite avânddimensiunile prezentate în figura 3.6. Acestea s-au poziţionat pe rând la aceleaşi distanţecuprinse între 0,2 m şi 2 m faţă de senzorul ultrasonic [T1 0].
Fig. 3.6. Obstacolele de diferite forme
Pentru simplificarea exprimării, obstacolul cu secțiunea un dreptunghi a fost denumitobstacolul 1, cel cu secțiunea un triunghi a fost denumit obstacolul 2 și obstacolul cilindric afost denumit obstacolul 3.
Fig. 3.7. Măsurarea distanţei până la obstacolele de diferite forme
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
37
Măsurătorile cu senzorul ultrasonic DT020-1 s-au efectuat în condiții de presiuneatmosferică de 711,4 mmHg şi temperatură de 20,6 oC (293,75 K). În acest caz, viteza de
propagare a sunetului are valoarea caer = 344 m/s.Se observă că valoarea medie a erorii relative este cea mai mare în cazul obstacolului 2.
De asemenea, valorile distanței măsurate sunt cele mai mari în cazul obstacolului 2, acestafiind detectat la o distanță mai mare față de distanța reală. În cazul obstacolului cilindric 3,valorile distanței măsurate nu diferă mult față de valorile obținute pentru obstacolul 1 [T10].
3.2.4.3. Determinarea distanței față de obstacole din materiale cu texturi diferite
Pe lângă dimensiunile și forma obstacolelor, detecția senzorului ultrasonic poate fiinfluențată și de textura materialului din care este confecționat obstacolul.
Pentru observarea influenţei texturii materialului din care este confecționat obstacolul s -au efectuat măsurători de distanţă între senzorul ultrasonic FESTO şi șase obstacoleconfecționate din materiale diferite. Acestea s-au poziţionat pe rând la aceleaşi distanţecuprinse între 50 mm şi 250 mm faţă de senzorul ultrasonic [T12]. Materialele din care sunt
confecționate obstacolele folosite pentru determinări sunt: 1.
Măsurătorile cu senzorul ultrasonic FESTO s-au efectuat în condiții de presiuneatmosferică de 705,6 mmHg şi temperatură de 21,3 oC (294,45 K). În acest caz, viteza de
propagare a sunetului are valoarea caer = 344,43 m/s.
Fig. 3.8. Variația erorii relative pentru diferite materiale
La măsurarea distanței față de obstacolele confecționate din metale, se observă că valorilemăsurate ale distanței sunt mai mari față de distanța reală pentru oțel și cupru (metale cu
suprafeță lucioasă) și mai mici pentru aluminiu (metal cu suprafață mată) [T8]. La măsurarea distanței față de obstacolele confecționate din nemetale, se observă căvalorile măsurate ale distanței sunt mai mari față de distanța reală pentru plastic (metarial cusuprafeța lucioasă) și mai mici pentru lemn și cauciuc (metariale cu suprafață mată) [T12].
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
38
3.2.4.4. Determinarea distanței față de un obstacol la viteze diferite ale curentului de aer
Probleme la detecția obstacolelor pot apărea și la creșterea vitezei curenților de aer precum și la schimbarea direcției acestora. Distanța măsurată dintre senzor și obstacol poateavea valori diferite funcție de mărimea și direcția vitezei.
Pentru observarea influenţei curenților de aer, s-au efectuat măsurători de distanţă întresenzorul ultrasonic DT020-1 şi un obstacol cu suprafață plană, la trei viteze ale curentului deaer distribuite diferit, una perpendiculară pe unda senzorului, una orientată la 45 o față de undasenzorului și una paralelă cu unda senzorului, având sensul undei emise.
Pentru simularea vântului a fost folosit un ventilator centrifugal cu clapetă de reglare adebitului de aer în vederea obţinerii diferitelor viteze [B5].
Curentul de aer a fost distribuit în mod diferit pentru a se putea observa influenţele asupraundei ultrasonice (fig. 3.9) [T3].
Fig. 3.9. Aplicarea vitezelor pe unda ultrasonică
v1 – viteza perpendiculară pe unda ultrasonică; v2 – viteza orientată la 45o față de unda ultrasonică; v3 – viteza paralelă cu unda ultrasonică, având sensul undei emise.
La presiunea atmosferică de 715 mmHg şi temperatura de 25,3 oC (298,45 K), viteza de propagare a sunetului are valoarea caer = 346,86 m/s.
Fig. 3.10. Variația erorii relative pentru vitezele aplicate din diferite direcții
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
39
La aplicarea vitezelor perpendicular pe unda ultrasonică se obsevă că valorile eroriirelative cresc în mod constant direct proporțional cu valorile vitezei curentului de aer.Dif erențele cele mai semnificative au fost obținute la vitezele de 11 respectiv 12 m/s. Laaplicarea vitezelor la 45o față de unda ultrasonică se obsevă că valorile erorii relative au scăzutîn comparație cu cele determinate la aplicarea vitezelor perpendicular pe unda ultrasonică.Creșterea a fost tot direct proporțională cu valorile vitezei curentului de aer . La aplicareavitezelor paralel cu unda ultrasonică se observă că valorile erorii relative au scăzutsemnificativ în comparație cu valorile obținute în cazul celorlalte două situații.
La măsurarea distanței față de un obstacol poziționat la 500 mm față de senzor în condițiidiferite atmosferice (trei direcții diferite ale curenților de aer), se observă că valorile măsurateale distanței sunt mai mari f ață de distanța reală pentru viteza perpendiculară pe undaultrasonică și pentru viteza orientată la 45o față de unda ultrasonică și mai mici pentru viteza
paralelă cu unda ultrasonică [T3].
3.2.4.5. Determinarea distanței cu un senzor montat pe o platformă rotativă (radar)
Pentru simularea unui senzor rotativ s-au efectuat măsurători cu senzorul ultrasonicDT020-1 amplasat pe o platformă mobilă, aceasta având posibilitatea de a se roti cu maxim 90de grade faţă de un punct fix [T6].
Fig. 3.11. Amplasarea senzorului pe sistemul rotativ
Experimentul s-a desfăşurat timp de 12 secunde pentru fiecare obstacol în parte şi rata deeşantionare a fost de 10 probe pe secundă. Primul set de măsurători s -a efectuat fără obstacole,determinându-se dimensiunile spaţiului de lucru.
Pentru simplificarea exprimării, obstacolul cu secțiunea un dreptunghi a fost denumitobstacolul 1, cel cu secțiunea un triunghi dreptunghic a fost denumit obstacolul 2 și obstacolulcilindric a fost denumit obstacolul 3. Obstacolele au fost poziționate la aceeași distanță față desenzorul ultrasonic.
Fig. 3.12. Măsurătorile efectuate cu senzorul montat pe platforma rotativă pentru cele trei tipuride obstacole
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
40
În urma măsurătorilor efectuate s-a determinat forma spațiului de lucru cu fiecareobstacol în parte, așa cum este percepută de senzorul ultrasonic. În figura 3.13 se pot observadiferențele de percepție ale senzorului ultrasonic [T3].
Fig. 3.13. Diferența dintre formele reale (dreapta) și cele determinate cu radarul (stânga)
Prin suprapunerea celor trei diagrame din figura 3.14 se observă că diferenţe mai mari lamăsurarea distanţei apar în cazul obstacolului 2 cu secțiunea un triunghi dreptunghic.
Fig. 3.14. Diferenţa între valorile obţinute pentru cele trei obstacole
3.2.5. Concluzii
În urma experimentelor efectuate cu cei teri senzori ultrasonici, senzorul DT020-1,senzorul FESTO și senzorul Parallax PING, se poate spune că precizia determinării distanței
între aceștia și un obiect este influențată atât de dimensiunile, textura și forma acestuia cât și de parametrii atmosferici în special temperatura și presiunea.
Cu toate acestea, erorile determinate în urma măsurătorilor nu sunt mari, ceea cerecomandă utilizarea senzorilor ultrasonici la orientarea roboțior sau vehiculelor autonome.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
41
CAPITOLUL 4. MODELAREA SISTEMULUI SENZORIAL ALROBOȚILOR MOBILI
4.1. Considerații teoretice privind modelarea rezultatelor obținute experimental
Principala caracteristică a senzorilor este cea legată de relaţia dintre mărimea de intrare x şi mărimea de ieşire y. Astfel, se poate spune că senzorul este un dispozitiv care recepţioneazăşi răspunde la un semnal sau un stimul. Cunoscând valoarea mărimii de ieşire y și folosindcaracteristica statică de transfer a senzorului, se poate calcula valoarea mărimii de intrare x.Pentru orice senzor, dacă se cunoaşte relaţia de dependenţă intrare-ieşire şi valoarea mărimii deieşire, se poate determina valoarea mărimii de intrare.
În general cele două mărimi sunt de natură diferită, mărimea de la intrare fiind o mărimefizică neelectrică iar mărimea de la ieşire o mărime electricǎ sau o mărime care poate fi
evaluată electric. În cazul sistemelor ideale, mărimea y reprezintă întotdeauna valoareagenerată de senzor pentru stimulul x de la intrare. Dacă se consideră că funcţionarea senzoruluinu este afectată de nici un alt parametru caracteristica de transfer este de forma: y = f(x). Înrealitate, pe lângă mărimea fizică de influenţă x, funcţionarea senzorului este afectată de o seriede parametri perturbatori, care pot proveni din surse externe sau interne. În aceste condiţii,ecuaţia statică a senzorului devine:
1, ny f (x, ... ) , (4.1)
unde s-au notat cu ϑi parametrii perturbatori.
Parametrii perturbatori au ca şi efect modificarea caracteristicii reale față de caracteristicaideală. Dacă parametrii de influentă nu sunt modelaţi (adică intervin în ecuaţia senzorului),influenţa acestora determină o eroare de măsură.
În cazul senzorilor ultrasonici, unde mărimea de intrare este timpul de răspuns t șimărimea de ieșire este distanța față de obstacol d , relația (1) se poate scrie:
1, nd f (t, ... ) . (4.2)
Mărimea de intrare t se poate obţine pe baza transformatei inverse a caracteristicii staticed = f(t). Funcţia „ g ” este funcţia inversă a funcţiei „ f ”, g = f
-1. Altfel spus, dacă funcţia f pentruun stimul t aplicat la intrare produce ieşirea d , funcţia g = f
-1 pentru d produce ieşirea t . Astfel,
pentru un senzorul ultrasonic cu ecuaţia static exprimată analitic cu relaţia 2
t cd t m ,
funcţia inversă este: 2
d
t d sc
.
Considerând viteza sunetului în aer c constantă, functia d = f(t) este o funcție de o singurăvariabilă. În baza valorilor determinate experimental se poate obține o relație de dependențăîntre timpul de răspuns al senzorului ultrasonic și distanța măsurată printr -o aproximarenumerică.
Ținând cont de faptul că variația timpului de răspuns în funcție de distanță este liniară șidatele obținute sunt afectate de erori, în cazul senzorilor ultrasonici aproximarea numerică se
poatre realiza prin regresie liniară. În urma aproximării prin regresie a valorilor obținute experimental cu senzorii ultrasoniciDT020-1, FESTO și Parallax PING se vor obține relațiile de dependență ale distanței în funcțiede timpul de răspuns al senzorului.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
42
4.2. Model matematic de calcul a timpului de răspuns și a distanței
Pentru obţinerea unor relaţii de dependenţă între timpul de răspuns al senzorului şidistanţă, s-a făcut o aproximare a traiectoriilor obţinute în urma măsurătorilor, utilizând oaproximare numerică prin regresie liniară.
Relaţia funcţională între variabilele t (timp de răspuns al senzorului) și d (distanțămăsurată experimental) este liniară, funcţia model având forma:
F d; , d , (4.3)
și funcţia inversă va fi:
t
F t; ,
. (4.4)
În funcție de valorile parametrilor de model α şi au fost corectate valorile obținute pentru distanța măsurată și cele calculate pentru timpul de răspuns.
În urma corecției valorilor erorilor obținute la măsurarea distanței cu cei trei senzoriultrasonici s-a obținut o liniarizare a acestora, mai puțin în cazul distanțelor mici. Astfel serecomandă o modificare a domeniului de detecție la măsurarea distanței cu senzorii ultrasoniciDT020-1, FESTO și Parallax PING, ca în figura 4.1.
Fig. 4.1. Domenii de măsurare recomandate pentru senzorii ultrasonici testați
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
43
În urma documentării în domeniul propagării undelor ultrasonice, a testelor realizate cusenzorii ultrasonici şi a modelării rezultatelor obţinute, se poate realiza un model matematicsumar pentru determinarea parametrilor folosiţi [T10].
După aproximarea numerică a datelor tabelate obținute practic în urma testelor realizate,au fost obținute relații de dependență între distanța dintre senzor și obstacol d[m] și timpul derăspuns t [µs]. În tabelul 4.1 au fost centralizate relațiile de de dependenţă obținute.
Tabelul 4.1. Relaţii de dependenţă între distanţă şi tip de răspuns
Criteriu de
analiză Obstacol
Distanţă Timp de răspuns Parametri
[m] [µs] α, β
După tipulsenzoruluiultrasonic
PARALLAX S1
S1
td
S1 S1
t d 1
5841S
,
1 12 92
S ,
DT020-1 S2
S2
td
S2 S2
t d 2
5830S
,
2 5 992S ,
FESTO S3
S3
td
S3 S3t d 3
5826S
,
3 1 452
S ,
După tipul
materialuluidin careeste
confecționatobstacolul
Oțelinoxidabil
M1
M1
td
M1 M1t d
1 5841
M ,
1 1116
M ,
Aluminiu M2
M2
td
M2 M2t d
2 5826
M ,
2 1 387
M ,
CupruM3
M3
t
d
M3 M3t d 3
5834 M
,
3 0 352
M ,
Plastic M4
M4
td
M4 M4t d 4
5851 M
,
4 2 343
M ,
Lemn M5
M5
td
M5 M5t d 5
5796 M
,
6 3 94
M ,
Cauciuc M6
M6
td
M6 M6t d
6 5786
M ,
6 2 062
M ,
După tipulsuprafeței
obstacolului
Supr afață plană F1
F1
td F1 F1t d 1 5829 F ,
1 1 077
F ,
Suprafațăunghiulară
F2
F2
td
F2 F2
t d 2
5862 F
,
2 3 264
F ,
Suprafațăcilindrică
F3
F3
td
F3 F3
t d 3 5835
F ,
3 1 307
F ,
Conform ecuațiilor obținute se poate scrie relația generală a funcţiei model de corecție atimpului de răspuns la măsurarea distanței:
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
44
și funcţia inversă, de calcul a distanței va fi:
S M F
S M F
t
3d
3
, (4.6)
Unde parametri de modelS M F , , se calculează astfel:
S1 S2 S3S
M1 M2 M3 M4 M5 M6M
F1 F2 F3F
5832,3
5822,6
5842.3
(4.7)
Și parametri de modelS M F
, , se calculează astfel:
S1 S2 S3S
M1 M2 M3 M 4 M5 M6M
F1 F2 F3F
6,788,3
1,749,6
1,075.3
(4.8)
După efectuarea calculului, ecuația generală de calcul a timpului de răspuns al senzoruluiîn funcție de distanță, la o temperatură a aerului cuprinsă între 20oC și 30oC, devine:
t 5832 d 2, 487 [µs], (4.9)
și ecuația generală de calcul a distanței în funcție de timpul de răspuns al senzorului ultrasonic,la o temperatură a aerului cuprinsă între 20oC și 30oC, se poate scrie:
t 2,487d
5832
[m]. (4.10)
Ecuațiile (4.9) și (4.10) vor fi utilizate în algoritmul de programare la simularea într-unmediu virtual a deplasării unui robot mobil echipat cu senzori ultrasonici modelați în funcție de
parametrii senzorilor DT020-1, FESTO și Parallax PING. De asemenea, ecuația (4.10) decalcul a distanței în funcție de timpul de răspuns va fi utilizată la programarea robotului mobilcare va fi optimizat prin implementarea unui sistem senzorial cu senzori ultrasonici.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
45
4.3. Modelarea prin simulare a configurației senzorilor pentru un robot mobil
În vederea optimizării configurației senzorilor unui robot mobil este propusă o metodă demodelare cu ajutorul unui software de simulare. Având un grad de autonomie ridicat și
posibilitatea de implementare a altor tipuri de senzori, pentru simulare a fost ales robotul mobilPro Bot 128. Software-ul propus este MobotSim și are posibilitatea configurării unui robotmobil asemănător cu cel propus și crearea unor spații de lucru virtuale identice cu celeamenajate pentru testarea roboților [**11].
Fig. 4.2. Configurarea robotului Pro bot 128
În figura 4.2 este prezentat modelul de configurare a robotului virtual în funcție dedimensiunile reale: diametrul platformei și distanța dintre roți sunt de 0,1 metri, diametrulroților este de 0,04 metri și lătimea unei roți de 0,02 metri. În afară de dimensiuni se poateselecta culoarea și pozitia în spatiul de lucru al robotului [P3].
Pentru evidențierea diferențelor dintre cei trei senzori testați (DT020-1, Parallax și Festo),au fost configurați trei roboți virtuali cu câte unul din cei trei senzori, fiind simulat un obstacol
poziționat la distanța de 0,15 metri, apoi la distanța de 0,3 metri și în final la distanța de 1metru (fig. 4.3). Distanțele au fost alese în funcție de probabilitatea ridicată de a fi regăsite în
spațiile reale de lucru în care au fost desfășurate testele. Pentru diferențierea roboților virtuali,aceștia au fost colorați diferit în fucție de senzorul implementat.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
46
Fig. 4.3. Detecția obstacolelor pentru roboți dotați cu senzori de diferite tipuri
În urma simulării se observă că fiecare robot virtual, cel puțin o dată, nu sesizeazăobstacolul cu ajutorul senzorului cu care este dotat, datorită distanței prea mică sau prea marefață de acesta. La poziționarea robotului la distanțe mici față de obstacol sunt mai eficiențiroboții dotați cu senzorii Parallax și Festo, iar la poziționarea robotului la distanțe mari față deobstacol sunt mai eficienți roboții dotați cu senzorii Parallax și DT020-1. În concluzie, cel maieficient senzor cu care poate fi optimizat sistemul senzorial este senzorul Parallax Ping.
Pentru simularea orientării robotului în spațiile de lucru au fost folosiți parametriicorespunzători senzorului ultrasonic Parallax Ping [T4]. În figura 4.4 este prezentat robotulvirtual în spațiul de lucru cu trei obstacole fixe, având aceleași dimensiuni cu spațiul real creat
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
47
Fig. 4.4. Simularea spațiului de lucru cu trei obstacole fixe
Robotul virtual a fost echipat mai întâi cu un senzor, apoi cu doi, cu trei și cu patru, pentru a putea observa diferențele la sesizarea obstacolelor. Se observă că detecția este optimăla echiparea robotului cu trei și cu patru senzori. Din considerente economice este considerată
necesară și suficientă varianta de echipare a robotului cu trei senzori.
Fig. 4.5. Traiectoria descrisă de robotul virtual dotat cu trei senzori Parallax în spațiul de lucrucu trei obstacole fixe
Cu robotul virtual echipat cu trei senzori Parallax a fost simulată orientarea în spațiul delucru cu obstacole fixe în vederea parcurgerii distanței dintre punctul de start și cel de sosire.Acestea au fost alese identic cu cele utilizate la testarea robotului Pro Bot 128 în condiții rea le,folosind pentru detecție senzori în infraroșu. În figura 4.5 este prezentată traiectoria descrisă derobotul virtual dotat cu trei senzor i Parallax în spațiul de lucru.
Fig. 4.6. Simularea spațiului de lucru de tip labirint
În figura 4.76 este prezentat robotul virtual în spațiul de lucru de tip labirint, avândaceleași dimensiuni cu spațiul real creat pentru testare. La fel ca în cazul anterior, robotulvirtual a fost echipat mai întâi cu un senzor, apoi cu doi, cu trei și cu patru, pentru a putea
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
48
observa diferențele de percepție a obstacolelor. Se observă că detecția este optimă la echiparearobotului cu trei și cu patru senzori. Din considerente economice este considerată suficientăvarianta de echipare a robotului cu trei senzori.
Fig. 4.7. Traiectoria descrisă de robotul virtual dotat cu trei senzori Parallax în spațiul de lucrude tip labirint
Cu robotul virtual echipat cu trei senzori Parallax a fost simulată orientarea în spațiul delucru de tip labirint în vederea parcurgerii distanței dintre punctul de start și cel de sosire.Acestea au fost alese identic cu cele utilizate în condiții reale. În figura 4. 7 este prezentată traiectoria descrisă de robotul virtual dotat cu trei senzori Parallax în spațiul de lucru de tip labirint.
Tabelul 4.2. Distanțele reale și simulate parcurse în spațiile de lucru utilizate.
Tipulspațiului de
lucru
Distanța ideală Distanța reală
parcursă Distanța simulată
parcursă
[m] [m]Spațiu de
lucru cu treiobstacole fixe
1,8 3,038 2,6
Spațiu delucru de tip
labirint4,3 9,739 5,8
În tabelul 4.2 sunt prezentate valorile distanței parcurse obținută prin simulare încomparație cu valorile obținute în urma testelor cu robotul Pro Bot 128 și cu distanța propusăde traiectoria ideală. În urma simulării se observă o diminuare a distanței parcurse la echiparearobotului cu trei senzori ultrasonici de tip Parallax PING.
4.4. Concluzii
În urma modelării semnalului senzorilor ultrasonici prin aproximare numerică au fostinițiate relațiile de dependență între distanța măsurată și timpul de răspuns, ajungând la o formăgenerală de calcul a acestora. Astfel, relațiile (4.9) și (4.10) pot fi utilizate la determinarea prinsimulare a distanței măsurate și a timpului de răspuns pentru o temperatură a aerului cuprinsăîntre 20oC și 30oC. Acestea vor fi utilizate la programarea robotului mobil optimizat cu sistemsenzorial de detecție care folosește senzori ultrasonici.
În urma modelării configurației senzorilor pentru un robot mobil prin simulare cusoftware-ul MobotSim, a fost ales în vederea optimizării, un sistem cu trei senzori ParallaxPing care va fi implementat pe unul din roboții mobili utilizați la teste. După simulare a fostobservată o diminuare a valorii distanței parcurse până la punctul de sosire propus.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
49
CAPITOLUL 5. OPTIMIZAREA SISTEMULUI SENZORIAL ALROBOȚILOR MOBILI
5.1. Considerații privind alegerea robotului potrivit în vederea optimizării
Pentru orice tip de robot mobil există interes privind optimizarea sistemelor acestuia învederea îmbunătățirii performanțelor. Astfel poate fi optimizat sistemul se locomoție, sistemulsenzorial sau se pot îmbunătătii funcțiile unității centrale de comandă. În urma studiilor șitestelor efectuate cu diferiți roboți mobili este necesară aplicarea unei metode eficiente pentruca robotul mobil selectat în vederea optimizării să fie cel optim. Având în vedere aceste aspectea fost aplicată o analiză multi-criterială. În vederea stabilirii cu exactitate a robotului care esteoptim pentru optimizare a fost utilizată o analiză multi-criterial avansată.
Analiza multicriterială este utilă pentru obținerea ierarhizărilor cu subiecți selectați dinacelași domeniu sau din domenii diferite de activitate în care subiectivismul este înlăturat înmare parte.
La alegerea variantelor au fost luați în vedere roboții mobili cu care s-au efectuat teste șisenzorii ultrasonici de tip Parallax, fiind cei mai ușor de implementat în sistemul senzorial alunui robot. Astfel s-a lucrat cu trei variante și anume:
- Robot pășitor (Maxibot) cu sistem senzorial compus din senzori în infraroșu și senzoriultrasonici.
- Robot cu roți (Pro Bot 128) cu sistem senzorial compus din senzori în infraroșu șisenzori ultrasonici.
- Robot cu șenile (Spy Video TRAKR) cu sistem senzorial compus dintr -un senzor vizualși senzori ultrasonici.
În funcţie de clasamentul final obținut în urma analizei a fost ales pentru optimizarerobotul mobil Pro Bot 128 (locomoție cu roți), cu sistem senzorial compus din senzori în
infraroșu și senzori ultrasonici Parallax Ping. Acest robot are gradul de autonomie cel mairidicat în comparație cu roboții testați și este cel mai maleabil din punct de vedere a modelăriisistemului de detecție a obstacolelor.
5.2. Contribuții privind optimizarea sistemelor senzorial și de locomoție
În urma testelor efectuate cu roboții mobili și senzorii ultrasonici, a modelării acestora șia analizei multi-criteriale, a fost ales pentru optimizare robotul mobil Pro Bot 128. Acest robotare gradul de autonomie cel mai mare în comparație cu roboții testați și este cel mai maleabildin punct de vedere a modelării sistemului de detecție a obstacolelor.
5.2.1. Optimizarea sistemului senzorial al robotului Pro Bot 128
Robotul Pro Bot 128 are un sistem senzorial complex, format din doi senzori de lumină,doi odometrii, un senzor de urmărire a liniei (fotodetecție), un sistem senzorial infraroşu anticoliziune, un senzor acustic, şi un senzor care controlează tensiunea de alimentare. La testeleefectuate în cele două spații de lucru, robotul a fost programat să uti lizeze sistemul senzorial îninfraroșu în vederea detecției obstacolelor.
Pentru optimizarea sistemului senzorial se propune adăugarea unuia sau mai multorsenzori ultrasonici de tip Parallax Ping.
În primul rând se va implementa robotului mobil un sistem format dintr-un senzor
Parallax Ping și unitate de procesare de tip Propeller Activity Board, ca în figura 5.1 [**12].Programarea unității de procesare s-a efectuat in limbajul de programare C. La scriereaalgoritmului s-a ținut cont de expresia obținută în urma modelării pentru calcularea distanței înfuncție de timpul de răspuns.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
50
Fig. 5.1. Senzor ultrasonic montat pe o unitate de procesare de tip Propeller Activity Board
În primă fază au fost montați pe placa de tip Propeller doi rezistori de 2 0 kOhm pentruconectarea porturilor P14 și P15 la alimentarea de 3,3 V. Apoi a fost adăugat un avertizor careemite sunete dacă se descarcă acumulatorii, sau când comportamentul robotului se modificădin diferite cauze. După efectuarea acestor operații se montează senzorul Parallax PING pe
placa de bază. După montarea tuturor componentelor pe placa de bază, aceasta se montează pe robotul
Pro Bot 128, conectându-se în prealabil și cele două motoare, ca în figura 5.2. Motorul din
dreapta se conectează printr -un cablu cu trei fire la portul P13 de pe placa tip Propeller șimotorul din stânga la portul P12.
Fig. 5.2. Implementarea unității de procesare de tip Propeller Activity Board pe robot
Pentru studierea comportamentului robotului Pro Bot 128 pe care a fost implementat unsistem de navigație care folosește un senzor ultrasonic de tip Parallax PING, a fost amenajat unspațiu de lucru cu trei obstacole fixe și apoi un spațiu de tip labirint, în aceleași condițiiutilizate la testarea acestuia fără acest sistem implementat.
Fig. 5.3. Deplasarea robotului Pro Bort 128 cu sistem de navigație care folosește un senzorultrasonic în spațiul de lucru cu obstacole fixe și în spațiul de lucru de tip labirint
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
51
În figura 5.3 este prezentată traiectoria descrisă de robotul Pro Bot 128, la care a fostimplementat sistemul de detecție cu un senzor ultrasonic, în spațiul de lucru cu trei o bstacolefixe de diferite forme și în spațiul de lucru de tip labirint. Distanța parcursă în spațiul de lucrucu trei obstacole fixe are valoarea dF1 = 3,239 m, din care 0,535 m au fost parcurși la mersulînapoi. Robotul a parcurs o distanță cu 1,439 m mai mare față de traiectoria ideală. Distanța
parcursă și în spațiul de lucru de tip are valoarea dL1= 8,411 m, din care 1,843 m au fost parcurși la mersul înapoi. Robotul a parcurs o distanță cu 4,111 m mai mare față de traiectoriaideală.
În urma testelor efectuate cu robotul optimizat în forma prezentată anterior se observă căîn cazul spațiului de lucru cu obstacole fixe distanța parcursă a fost mai mare cu 0,101 m fațăde distanța parcursă de același robot, dar folosind sistemul de detecție cu senzori în infraroșu.În spațiul de lucru de tip labirint situația se schimbă, robotul optimizat parcurgând o distanță cu1,328 m mai mică față de distanța parcursă de robot folosind sistemul de detecție cu senzori îninfraroșu.
O altă soluție ar fi montarea a doi sau trei senzori și testarea robotului în vedereaobservării diferențelor la orientarea robotului în spațiul de lucru. În urma modelării
configurației senzorilor pentru un robot mobil prin simulare cu software -ul MobotSim, a fostales în vederea optimizării, un sistem cu trei senzori Parallax Ping. Din considerenteeconomice se poate monta un singur senzor pe o platformă acționată de un servomotor, care are
posibilitatea rotirii la 180 de grade (fig. 5.4) [**12].
Fig. 5.4. Senzor ultrasonic montat pe o platformă rotativă
Implementarea senzorului montat pe platforma rotativă a fost realizată prin conectareasenzorului ultrasonic și a servomotorului la unitatea de procesare de tip Propeller ActivityBoard și atașarea platformei la robotul Pro Bot 128. Montarea senzorului ultrasonic atașat la
platforma rotativă este prezentată în figura 5.5.
Fig. 5.5. Montarea sistemului de detecție cu platformă rotativă pe robot
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
52
Servomotorul va fi comandat de unitatea de procesare să se rotească cu 180 o la dreapta șiapoi la stânga în mod continuu pe toată durata deplasării robotului în spațiul de lucru (f ig. 5.6).
Fig. 5.6. Robotul optimizat cu sistem de detecție cu senzor ultrasonic montat pe platformărotativă
Robotul folosind dispozitivul cu platformă rotativă a fost testat la fel ca și în cazulanterior, în spațiul de lucru cu obstacole fixe și apoi un spațiul de tip labirint.
În figura 5.7 este prezentată traiectoria descrisă de robotul optimizat cu sistem de detecțiecu senzor ultrasonic montat pe platformă rotativă în spațiul de lucru cu trei obstacole fixe dediferite forme și în spațiul de lucru de tip labirint. Distanța parcursă în spațiul de lucru cu treiobstacole fixe are valoarea dF2 = 2,934 m, din care 0,428 m au fost parcurși la mersul înapoi.Robotul a parcurs o distanță cu 1,134 m mai mare față de traiectoria ideală. Distanța parcursăîn spațiul de lucru de tip labirint ar e valoarea dL2 = 7,053 m, din care 1,054 m au fost parcurșila mersul înapoi. Robotul a parcurs o distanță cu 2,753 m mai mare față de traiectoria ideală.
Fig. 5.7. Deplasarea robotului Pro Bort 128 cu sistem de navigație care folosește un senzorultrasonic montat pe o platformă rotativă în spațiul de lucru cu obstacole fixe și în spațiul de
lucru de tip labirint
În urma testelor efectuate cu robotul optimizat cu sistem de navigație care folosește un
senzor ultrasonic montat pe o platformă rotativă se observă că în cazul spațiului de lucru cuobstacole fixe distanța parcursă a fost mai mică cu 0,104 m față de distanța parcursă de robotfolosind sistemul de detecție cu senzori în infraroșu. În spațiul de lucru de tip labirint robotuloptimizat a parcur s o distanță cu 2,686 m mai mică față de distanța parcursă de robot folosindsistemul de detecție cu senzori în infraroșu.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
53
5.2.2. Optimizarea sistemului de locomoție al robotului Pro Bot 128
Robotul mobil Pro Bot 128 dispune de un sistem de locomoție diferențial. Un sistemdiferenţial este alcătuit din două roţi montate pe un ax comun controlate prin două motoareseparate. Pentru optimizarea sistemului locomotor al robotului mobil Pro Bot 128 se vorînlocui roțile și motoarele cu altele care folosec un sistem de codificare de tip encoderasemănător cu cel existent. Aceste modificări vor îmbunătăți modalitea de deplasare arobotului în spațiul de lucru prin reducerea abaterii de la traiectorie și micșorarea distanței
parcurse.
Fig. 5.8. Roată de tip encoder (cu sistem de codificare)
În figura 5.8 este prezentat tipul de roată propusă pentru a-l înlocui pe cel din dotarearobotului, având un diametru de 62,2 milimetri și circumferința de 208 milimetri. Roata
prezintă 32 de fante poziționate la 3,25 milimetri între ele, acestea propunând un cod.Funcționarea unui sistem de tip encoder se bazează pe transformarea unui semnal analogictransmis de un traductor în infraroșu montat în vecinătatea roții într -un semnal digital care, cuajutorul unei unități de procesare, va controla turația motorului care acționează roata respectivă[**12]. Unitatea emițătoare a senzorului infraroșu va trimite un semnal către inelul roții unde
sunt decupate cele 32 de fante identice. Dacă radiația infraroșie trece prin una din fa nte, va fitransmis un semnal puternic către unitatea de procesare. Dacă radiația infraroșie este reflectatăspre unitarea receptoare a senzorului, va fi transmis un semnal slab către unitatea de procesare.În funcție de viteza de variație puternic-slab a semnalului, unitatea de procesare va trimite unsemnal digital către motor [**12].
Fig. 5.9. Conectarea senzorilor și servomotoarelor la unitatea de procesare
Roțile vor fi acționate de câte un servomotor în funcție de semnalele transmise deunitățile senzoriale în infraroșu. Senzorii în infraroșu vor fi conectați la porturile P14 și P15 aleunității de procesare de tip Propeller Activity Board și servomotoarele vor fi conectate la
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
54
porturile P12 și P13 (fig. 5.9). Prin implementarea noului sistem locomotor se poateîmbunătății comportamentul robotului mobil la parcurgerea distanței din spațiile de lucru.
Pentru implementarea noului sistem de locomoție au fost montate în primul rânddispozitivele cu senzori în infraroșu pe servomotoarele care acționează roțile. Apoicomponentele obținute au fost atașate șasiului robotului mobil. După efectuarea acestor operațiis-a conectat noul sistem de locomoție la placa de procesare alături de platforma rotativă cusenzor ultrasonic deja atașate pe robotul mobil.
Fig. 5.10. Montarea noului sistem de locomoție pe robotul mobil
Robotul folosind noul sistem de locomoție precum și dispozitivul cu platformă rotativă afost testat, la fel ca și în cazurile prezentate anterior, în spațiul de lucru cu obstacole fixe și apo iun spațiul de tip labirint.
Fig. 5.11. Deplasarea robotului Pro Bort 128 cu sistemule de locomoție optimizat în spațiul delucru cu obstacole fixe și în spațiul de lucru de tip labirint
În figura 5.11 este prezentată traiectoria descrisă de robotul Pro Bot 128, la care a fostimplementat sistemul de locomoție, în spațiul de lucru cu trei obstacole fixe de diferite forme șiîn spațiul de lucru de tip labirint. Distanța parcursă în spațiul de lucru cu trei obstacole fixe arevaloarea dF3 = 2,814 m, din care 0,363 m au fost parcurși la mersul înapoi . Robotul a parcurs odistanță cu 1,014 m mai mare față de traiectoria ideală. Distanța parcursă în spațiul de lucru detip labirint are valoarea dL3 = 6,199 m, din care 0,880 m au fost parcurși la mersul înapoi.Robotul a parcurs o distanță cu 1,899 m mai mare față de traiectoria ideală.
În urma testelor efectuate cu robotul optimizat cu un nou sistem de locomoție se observăcă în cazul spațiului de lucru cu obstacole fixe distanța parcursă a fost mai mică c u 0,120 mfață de distanța parcursă de robot folosind vechiul sistem de locomoție și sistemul senzorialoptimizat cu senzorul ultrasonic montat pe platforma mobilă. În spațiul de lucru de tip labirint
Robot optimizat cusenzor ultrasonic pe platformă mobilă
2,934 2,506 0,428 1,134
Sistem locomotor
optimizat
2,814 2,451 0,363 1,014
În tabelul 5.1 sunt prezentate diferențele dintre distanțele parcurse de robot în spațiul delucru cu obstacole fixe de diferite forme, în funcție de tipul de optimizare. Varianta optimă estecea în care a fost implementat noul sistem de locomoție, alături de sistemul de detecție carefolosește un senzor ultrasonic montat pe o platformă rotativă (fig. 5.12).
Fig. 5.12. Diferențele dintre distanțele parcurse de robot în spațiul de lucru cu o bstacole fixe
În tabelul 5.2 sunt prezentate diferențele dintre distanțele parcurse de robot în spațiul delucru de tip labirint, în funcție de tipul de optimizare a robotului.
Tabelul 5.2. Distanțele parcurse de robotul optimizat în spațiul de lucru de tip labirint
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
56
Fig. 5.13. Diferențele dintre distanțele parcurse de robot în spațiul de lucru de tip labirint
Față de spațiul de lucru cu obstacole fixe, în acest caz se observă că reducerea distanței parcurse între punctul de start și cel de sosire este mai semnificativă (fig. 5.13). Astfel robotul
la care a fost implementat noul sistem de locomoție, alături de sistemul de detecție carefolosește un senzor ultrasonic montat pe o platformă rotativă a parcurs o distanță mai mică cuaproximativ o treime din distanța parcursă parcursă de robot folosind sistemul de detecție cusenzori în infraroșu.
5.3. Concluzii
În urma modificării configurației senzorilor pentru robotul mobil s -a urmărit diminuareavalorii distanței parcurse de la punctul de pornire până la punctul de sosire propus. O diminuaresemnificativă s-a obținut în urma testelor realizate cu robotul optimizat cu sistem de detecție cu
senzor ultrasonic montat pe platformă rotativă. În urma modificării sistemului de locomoție al robotului Pro Bot 128 s -a îmbunătățit
modul de rulare și timpul de parcurgere a distanței până la punctul de sosire, fiind parcursă odistanță mai mică față de cea parcursă de robot cu vechiul sistem de locomoție.
Fig. 5.14. Evoluția robotului mobil optimizat
În încheiere, se poate spune că pentru buna funcţionare a unui robot mobil trebuie săexiste o bună corelaţie între sistemele senzoriale, de acţionare, de locomoţie etc. Senzorii
ultrasonici de tip Parallax PING pot fi implementați cu succes în sistemul de detecție al unuirobot mobil, având un preț rezonabil în comparație cu alte tipuri de senzori. De asemenea, se poate spune că implementarea senzorilor ultrasonici pe orice tip de robot este facilă,conexiunile cu placa de pe unitatea de procesare fiind ușor de realizat.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
57
CAPITOLUL 6. CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE
6.1. Concluzii finale
Dezvoltarea roboticii în ultimul deceniu a condus la realizarea a numeroase tipuri deroboți mobili având diverse variante funcţionale şi constructive. Și domeniile de aplicativitateale roboticii s-au extins, tot mai mulți roboți fiind implementați în diferite activități din cadrulmedicinei, construcțiilor, armatei, administrației publice, agriculturii, transporturilor și de ce nuși în divertisment.
Abordarea unei teme de cercetare referitoare la sistemul senzorial al robotului mobilnecesită o analiză a stadiului actual al roboticii mobile și a tipurilor de senzori folosiți ladetecția obstacolelor în timpul deplasării, testarea senzorilor și a roboților în vedereaîmbunătățirii comportamentului la detecția obstacolelor într -un spațiu de lucru.
Sistemul senzorial al unui ro bot de orice tip, are cea mai importantă funcţie în orientar eaacestuia în spaţiul de lucru, fiind compus din unul sau mai multe tipuri de senzori. Senzoriitactili sunt folosiţi în practică sub formă individuală şi sub formă matricială. Senzorii tactili
matriciali prezintă o capacitate informaţională mai mare, fiind mult mai eficienţi decât dacăsunt folosiţi individual. Cei mai întrebuinţaţi senzori vizuali sunt cei de tip CCD şi CMOS.Senzorii CCD, în raport cu senzorii CMOS, oferă o calitate superioară a imaginii, zgomotredus, citire rapidă a imaginilor de calitate superioară. Senzorii CMOS au preţul de cost maiscăzut, integrare în cip, consum redus şi tehnologie mai simplă de fabricare. Senzorii dedetecţie acustici, precum şi senzorii ultrasonici au calităţi superioare celor optici impunându-seîntr-o vastă serie de aplicaţii. Aceşti senzori sunt optimi la aplicaţii în medii cu vizibilitateredusă şi în condiţii grele sau care exclud utilizarea fenomenului optic.
Studiul experimental asupra comportamentului roboților mobili în procesul de perceperea obstacolelor, impune alegerea unor obstacole de dimensiuni, forme şi materiale diferite. Deasemenea este deosebit de importantă şi alegerea spaţiului de lucru în care vor fi amplasate
obstacolele. Acesta ar trebui să fie un spaţiu închis unde pot fi controlaţi parametrii atmosferici,cum ar fi temperatura, umiditatea şi nivelul de zgomot. Astfel, pentru testarea abilitățilorroboților mobili au fost amenajate două spații de lucru închise, unul cu trei obstacole fixe dediferite forme și unul de tip labirint.
Pentru studiul experimental au fost utilizați șase roboți mobili care prezintă diversesisteme senzoriale pentru detecția obstacolelor și diverse tipuri de sisteme de locomoție :
- Robot mobil Pro Bot 128 (prezintă sistem de detecție cu senzori în infraroșu șifotodetecție și sistem locomotor cu roți);
- Robot mobil Spy Video TRAKR (prezintă sistem de detecție cu senzori vizuali șisistem locomotor cu șenile);
- Robot mobil KSR4 – ESCAPE (prezintă sistem de detecție cu senzori în infraroșu și
sistem locomotor cu roți); - Robot umanoid Maxibot (prezintă sistem de detecție cu senzori în infraroșu și sistem
locomotor pășitor); - Robot păşitor Hexbug Delta (prezintă sistem de detecție cu senzori tactili și sistem
locomotor pășitor); - Mini-vehicul teleghidat (prezintă sistem de detecție cu senzor ultrasonic și sistem
locomotor cu roți). Înainte de testarea în spațiile de lucru amenajate a fost determinată abaterea de la
traiectorie a fiecărui robot în parte și au fost urmărite abilitățile acestora la rularea pe diferitetipuri de suprafețe (parchet, covor și nisip).
În vederea determinării abaterii de la traiectorie a fost conceput și dezvoltat un dispozitivcare folosește un senzor pentru măsurarea vitezei unghiulare, având un sistem de ghidare peșine și care este atașat robotului testat. Astfel a fost determinată abaterea unghiulară și apoi afost calculată abaterea liniară, rezultând că din acest punct de vedere roboții care folosescsisteme de locomoție cu roți și cu șenile sunt superiori celor pășitori.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
58
La deplasarea pe diferite tipuri de suprafețe a fost implementat fiecărui robot testat unsenzor care măsoară accelerația. Astfel a fost urmărită variația accelerației la deplasarea unuirobot care folosește sistem de locomoție cu roți și unul cu șenile. În urma analizei datelorobținute, din acest punct de vedere superiori sunt roboții care folosesc sistem de locomoție cușenile.
Pentru testarea în spațiile de lucru amenajate au fost selectați trei roboți în funcție desistemul locomotor și gradul de autonomie: robotul Spy Video TRAKR (semiautonom cușenile), robotul Maxibot (semiautonom pășitor) și robotul Pro Bot 128 (autonom cu roți). Învederea stabilirii cu precizie a traseului parcurs de fiecare robot, aceștia au fost dotați cu unsistem de trasare a marcajului. În urma testării celor trei roboți au fost observate traiectoriiledescrise de aceștia la deplasare și a fost măsurată distanța parcursă de fiecare între un punct destart și unul de sosire. Distanța cea mai mare a fost parcursă de robotul Pro Bot 128 acesta fiindsingurul care nu a fost ajutat de operatorul uman.
În vederea îmbunătățirii sistemului de detecție a robotului Pro Bot 128 au fost testați treisenzori ultrasonici cu domenii de măsurare diferite și anume:
- Senzorul utrasonic DT020-1;
-
Senzorul utrasonic FESTO;-
Senzorul ultrasonic Parallax PING.Senzorul utrasonic DT020-1 are un domeniu mare de măsurare, cuprins între 0,4m și
10m, senzorul FESTO un domeniu mic de măsurare, cuprins între 0,15m și 0,5m și senzorulParallax PING un domeniu cuprins între 0,2m și 3m. Cu cei trei senzori s-au efectuatmăsurători de distanță față de obstacole de dimensiuni forme și materiale diferite precum și laaplicarea unor viteze ale curentului de aer distribuie paralel, perpendicular și la unghi de 45 degrade față de unda ultrasonică. Senzorul utrasonic DT020-1 a fost utilizat și sub formă deradar, fiind montat pe o platformă rotativă în vederea observării modului de percepere adiferitelor forme ale obstacolelor de către senzorii ultrasonici.
Rezultatele obținute în urma testării celor trei senzori au fost supuse unei modelări
matematice, utilizând aproximarea prin regresie liniară, obținându-se o ecuație generală decalcul a timpului de răspuns al senzorului în funcție de distanță, la o temperatură a aeruluicuprinsă între 20oC și 30oC și o ecuație inversă de calcul a distanței în funcție de timpul derăspuns. Pe baza ecuațiilor obținute au fost dezvoltate niște programe de calcul a distanței și atimpului de răspuns în diferite condiții. De asemenea, ecuația de calcul a distanței în funcție detimpul de răspuns a fost utilizată la programarea robotului mobil optimizat prin implementareaunui sistem senzorial cu senzori ultrasonici.
În vederea optimizării configurației senzorilor s-a efectuat și simularea deplasăriirobotului mobil Pro Bot 128 cu ajutorul software-ului MobotSim care are posibilitateaconfigurării unui robot mobil asemănător cu cel propus și crearea unor spații de lucru virtualeidentice cu cele amena jate pentru testarea roboților. În urma modelării configurației senzorilor
prin simulare cu software-ul MobotSim, a fost ales în vederea optimizării, un sistem cu treisenzori Parallax Ping care va fi implementat pe mobil.
În vederea stabilirii cu exactitate a robotului care este optim pentru optimizare a fostutilizată o analiză multi-criterial avansată. Analiza multicriterială este utilă pentru obținereaierarhizărilor cu subiecți selectați din același domeniu sau din domenii diferite de activitate încar e subiectivismul este înlăturat în mare parte.
La alegerea variantelor au fost luați în vedere roboții mobili cu care s-au efectuat teste șisenzorii ultrasonici de tip Parallax, fiind cei mai ușor de implementat în sistemul senzorial alunui robot. Astfel s-a lucrat cu trei variante și anume:
- Robot pășitor (Maxibot) cu sistem senzorial compus din senzori în infraroșu și senzoriultrasonici.
-
Robot cu roți (Pro Bot 128) cu sistem senzorial compus din senzori în infraroșu șisenzori ultrasonici.
- Robot cu șenile (Spy Video TRAKR) cu sistem senzorial compus dintr-un senzor vizualși senzori ultrasonici.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
59
În funcţie de clasamentul final obținut în urma analizei a fost ales pentru optimizarerobotul mobil Pro Bot 128 (locomoție cu roți), cu sistem senzorial compus din senzori îninfraroșu și senzori ultrasonici Parallax Ping. Acest robot are gradul de autonomie cel mairidicat în comparație cu roboții testați și este cel mai maleabil din punct de vedere a modelăriisistemului de detecție a obstacolelor.
La testele efectuate în cele două spații de lucru, robotul Pro Bot 128 a fost programat săutilizeze sistemul senzorial în infraroșu în vederea detecției obstacolelor. Pentru optimizareasistemului senzorial, în primul rând a fost implementat robotului mobil un sistem format dintr-un senzor Parallax Ping și unitate de procesare de tip Propeller Activity Board. În urma testelorefectuate în aceleași spații de lucru, robotul a parcurs o distanță mai mare în spațiul cuobstacole fixe și o distanță mai mică în spațiul de lucru de tip labirint. O altă soluție a fostmontarea unui senzor pe o platformă acționată de un servomotor, care are posibilitatea rotirii la180 de grade. Robotul astfel configurat a parcurs o distanță mai mică în ambele cazuri. Pentru ase îmbunătăți comportamentul robotului și mai mult, a fost optimizat și sistemul de locomoție,înlocuindu-se roțile și motoarele cu altele care folosesc un sistem de codificare de tip encoder.
Funcționarea unui sistem de tip encoder se bazează pe transformarea unui semna l analogictransmis de un traductor în infraroșu montat în vecinătatea roții într -un semnal digital care, cuajutorul unei unități de procesare va controla turația motorului care acționează roata respectivă.Acest sistem este mai eficient, unitatea de comandă a robotului primind date foarte precise
privind parametri funcționali specifici deplasării și furnizând apoi comenzile necesarenavigației. În urma testelor efectuate cu robotul optimizat cu un nou sistem de locomoție,distanța parcursă în cele două spații de lucru a fost redusă semnificativ.
Varianta cea mai performantă de optimizare a fost varianta în care a fost implementatnoul sistem de locomoție, alături de sistemul de detecție care folosește un senzor ultrasonicmontat pe o platformă rotativă. Astfel se poate spune că implementarea unui sistem senzorialcu senzori ultrasonici se poate realiza pentru o multitudine de roboți, fiind recomandată la
detecția obstacolelor din spațiul de operare.
6.2. Contribuții personale
Contribuțiile personale aduse în domeniul roboților mobili din punct de vedere alîmbunătățirii comportamentului acestora în procesul de detecție a obstacolelor dintr -un spațiude lucru sunt:
- Analiza literaturii de specialitate referitoare la stadiul actual din domeniul roboțilormobili și al sistemelor senzoriale utilizate în procesul de detecție.
- Testarea robotului mobil autonom Escape într-un spațiu de lucru cu obstacole de diferite
forme și materiale în vederea urmăririi comportamentului acestuia în procesul denavigație și propunerea de optimizare prin adăugarea a încă două diode infraroşu deemitere.
- Proiectarea și elaborarea unui sistem de determinare a abaterii de la traiectorie a roboțilormobili precum și amenajarea unui traseu cu benzi de mărimi și culori diferite.
- Testarea roboților mobili din punct de vedere al abaterii de la traiectorie, analiza datelorobținute și remedierea defectelor găsite la sistemele de locomoție.
- Amenajarea unor medii de lucru cu suprafețe de rulare diferite (parchet, covor și nisip) pentru analiza comportamentului roboțior din punct de vedere al accelerației la demaraj.Pentru teste au fost echipați cu senzorul ultrasonic DT020-1 doi roboți mobili, unul cusistem locomotor cu roți și altul cu șenile.
-
Amenajarea a două spații de lucru închise, unul cu obstacole fixe de diferite forme și unulde tip labirint, în vederea observării comportamentului a trei roboți mobili, din punct devedere al navigației.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
60
- Dotarea roboților Spy Video TRAKR, Maxibot și Pro Bot 128 cu un sistem de trasare amarcajului. Acest sistem a fost bazat pe un nuanțator care a trasat o linie în timpuldeplasării robotului.
- Testarea roboților Spy Video TRAKR, Maxibot și Pro Bot 128 în spațiile de lucruamenajate și măsurarea distanței parcurse de aceștia dintre un punct de start și un ul desosire.
-
Pregătirea și asamblarea echipamentelor de achiziție de date MultilogPro și Arduino învederea testării senzorilor ultrasonici DT020-1, FESTO și Parallax PING.
- Măsurarea distanței cu senzorii ultrasonici DT020-1, FESTO și Parallax PING față deobstacole de diferite forme, mărimi și materiale în vederea alegerii sistemului optim deîmbunătățire a configurației senzorilor unui robot mobil.
- Elaborarea unui dispozitiv de tip platformă rotativă pentru utilizarea senzorului DT020-1ca radar pentru o bservarea percepției obiectelor de diferite forme din punct de vedere alsenzorului ultrasonic.
- Analiza datelor obținute în urma măsurătorilor de distanță din punct de vedere al erorilorde măsurare.
-
Conceperea unui program de calcul a timpului de răspuns și vitezei sunetului în aer înfuncție de temperatura mediului ambiant și de distanța dintre senzorul ultrasonic șidistanță. Programul a fost creat în limbajul de programare Microsoft Visual Basic 2010Expres.
- Modelarea datelor obținute în urma măsurătorilor de distanță folosind aproximarea prinregresie liniară și realizarea modelului matematic pentru calculul timpului de răspuns înfuncție de distanță. Obținerea unei ecuații generale care a fost utilizată la programareasistemului de detecție care folosește senzori ultrasonici.
- Simularea comportamentului robotului mobil Pro Bot 128 cu ajutorul software-uluiMobotSim care are posibilitatea configurării unui robot mobil asemănător cu cel propusși crearea unor spații de lucru virtuale identice cu cele amenajate pentru testarea roboților.
-
Alegerea robotului potrivit pentru optimizare prin analiză multicriterială. - Pregătirea și implementarea pe robotul mobil Pro Bot 128 a unui sistem de detecție cusenzor Parallax Ping și unitate de procesare de tip Propeller Activity Board și testareaacestuia în spațiile de lucru cu obstacole fixe și de tip labirint.
- Implementarea pe robotul mobil Pro Bot 128 a unui sistem de detecție cu senzor ParallaxPing montat pe o platformă rotativă acționată de un servomotor și testare a acestuia înspațiile de lucru.
- Implementarea pe robotul mobil Pro Bot 128 a unui sistem de locomoție de tip encoder șitestarea acestuia în spațiile de lucru.
- Analiza datelor obținute experimental și trasarea concluziilor finale.
6.3. Valorificarea rezultatelor cercetării
Rezultatele cercetărilor dezvoltate în vederea elaborării tezei de doctorat au fostvalorificate prin:
- Elaborarea rapoartelor din programul de pregătire doctorală:
1. Consideraţii asupra stadiului actual al cercetărilor privind senzorii şi configuraţiasenzorilor de la roboţii mobili.
2. Contribuţii teoretice privind optimizarea configuraţiei senzorilor şi modul de deplasare
la roboţii mobili.3. Contribuţii privind modelarea configuraţiei senzorilor şi a sistemului locomotor la
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
61
- Publicarea a 19 lucrări, la manifestări naţionale şi internaţionale, dintre care 16 ca primautor:
1. Ţârulescu R., Usage of sonar and ultrasonic senzors for mobile robotsorientation, Annals of the Oradea University, Editura Universităţii din Oradea,2005, ISSN 1583-0691.
2.
Ţârulescu R., Consideraţii privind optimizarea sistemului senzorial la un robotmobil, International Session of Scientific Papers, Education And ScientificResearch At European Standards, Academia Forţelor Aeriene „Henri Coandă”,Braşov 11-12 Mai 2007, ISBN 978-973-8415-45-4.
3. Ţârulescu R., Ţârulescu S., Infrared detection senzors for mobile robots,Academic Journal of Manufacturing Engineering, Supplement, Issue 2 / 2008,Editura Politehnica Timisoara, ISSN 1583-7904.
4. Ţârulescu R., Ţârulescu S., Ultrasonic senzors for mobile robots, AcademicJournal of Manufacturing Engineering, Supplement, Issue 2 / 2008, EdituraPolitehnica Timisoara, ISSN 1583-7904.
5.
Ţârulescu R., Ţârulescu S., Senzori ultrasonici folosiţi la navigaţia roboţilormobili, Sesiune de comunicări ştiinţifice cu participare internaţională, AFARES -2008, Academia Forţelor Aeriene „Henri Coandă”, Braşov 16 -17 Mai 2008, ISBN978-973-8415-56-0.
6. Ţârulescu R., Drugă C., Braun B., Ultrasonic senzor for distance measuring, 2nd International Conference Advanced Composite Materials Engineering COMAT2008, 9 – 11 October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
7. Ţârulescu R., Drugă C., Braun B., Optical senzor for distance measuring, 2nd International Conference Advanced Composite Materials Engineering COMAT2008, 9 – 11 October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
8. Drugă C., Ţârulescu R., Braun B., On the displacement measuring errors using
9. Drugă C., Braun B., Ţârulescu R., Coiled resistive transducers with nonlinearcharacteristics obtained by shunting, 2nd International Conference AdvancedComposite Materials Engineering COMAT 2008, 9 – 11 October 2008, Brasov,ISSN 1844 – 9336.
10. Ţârulescu R., Ţârulescu S., Disturbing factors influence in ultrasonic senzordetection, Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583-0691, ANNALS of theORADEA UNIVERSITY, 2012.
11. Ţârulescu R., Ţârulescu S., Distance measurements with ultrasonic senzorDT020-1, Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583-0691, ANNALS of theORADEA UNIVERSITY, 2012.
12. Ţârulescu R., Usage of Parallax ultrasonic senzors in distance measuremnts,Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583-0691, ANNALS of the ORADEAUNIVERSITY, 2013.
13. Ţârulescu R., Olteanu C., Ţârulescu S., Texture of material influence atultrasonic detection, Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583-0691,ANNALS of the ORADEA UNIVERSITY, 2014.
14. Ţârulescu R., Mobile robots navigation in a maze type of working environment,Revista Creativitate și Inventică, Vol. 6, ISSN 2067-3086, Editura Universitatii
Transilvania Brașov, 2014. 15. Ţârulescu R., Ultrasonic detection of obstacles with different shapes, RevistaCreativitate și Inventică, Vol. 6, ISSN 2067-3086, Editura UniversitatiiTransilvania Brașov, 2014.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
62
16. Ţârulescu R., Olteanu C., Zamfira S., Variation of start acceleration for wheeledand tracked autonomus mini-vehicles, Procedings of International Congress„Sience and Management of Automotive and Transportation Engineering” SMAT2014, Vol 1, 23-25 October 2014, Craiova, ISBN 978-606-14-0864-1.
17. Ţârulescu R., Zamfira S., Olteanu C., Senzorial system optimization for oneautonomous mini-vehicle, Procedings of International Congress „Sience andManagement of Automotive and Transportation Engineering” SMAT 2014, Vol1, 23-25 October 2014, Craiova, ISBN 978-606-14-0864-1.
18. Ţârulescu S., Ţârulescu R., The influence of wind speed and direction over theultrasonic detection, Procedings of International Congress „Sience andManagement of Automotive and Transportation Engineering” SMAT 2014, Vol1, 23-25 October 2014, Craiova, ISBN 978-606-14-0864-1.
19. Ţârulescu R., Olteanu C., Navigation system optimization for mobile robot pro bot 128, 5th International Conference Advanced Composite MaterialsEngineering and The 3rd International Conference “Research & Innovation inEngineering” COMAT 2014, 16-17 October 2014, Brașov, ISBN 978-606-19-
0411-2.
6.4. Direcții viitoare de cercetare
Cercetările realizate precum şi rezultatele teoretice, experimentale şi practice obţinute acoperă într-o mică parte diversitatea problemelor care apar la detecția obstacolelor dintr -unspațiu de lucru. O continuare a studiului început în cadrul acestei teze se poate baza pe:
- Testarea roboților mobili în spații de lucru deschise, cu suprafețe de rulare diferite. - Testarea roboților mobili în spații de lucru cu obstacole în mișcare. - Optimizarea sistemului senzorial al robotului Spy Video TRAKR în vederea creșterii
autonomiei.- Utilizarea senzorului DT020-1 ca radar pentru observarea percepției obiectelor cuforme neregulate.
- Generalizarea metodelor utilizate în cadrul cercetărilor experimentale pentru o gamămai mare de roboți mobili.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
63
BIBLIOGRAFIE
[A1] – Alexandru M., Sisteme de măsurare cu traductoare, Editura Matrixrom, 2012.[A2] – Alexandrescu L, Acustică aplicată, Editura Orator, Braşov 2004. [A3] – Antunes dos Santos A., Ultrasonic Waves, Publisher: InTech, 2012, ISBN 978-953-51-
0201-4.[A4] – Armaș I., Proiectare în mecatronică și robotică, Editura A.G.I.R., 2011.[B1] – Balasubramanian K., Arunkumar R., Object recognition and obstacle avoidance robot,
Control and Decision Conference, Pages: 3002 – 3006, june 2009.[B2] – Barna E., Barna V., Cucu C., Miron, C., Mecanică fizică și acustică (II), Editura
Universității Bucureşti, 2010. [B3] – Barlea N-M, Fizica senzorilor, Editura Albastra, Cluj Napoca, 2000.[B4] – Bârsan A., – Metode numerice în inginerie. Editura Universitatii Transilvania Brasov,
2002, ISBN 973-8124-45-x.[B5] – Benche V., Postelnicu A., Mecanica fluidelor şi maşini hidraulice – Îndrumar de
laborator. Editura Universităţii Transilvania Braşov.
[B6] – Benet G., Blanes F., Simó J. E., Pérez P., “Using infrared senzors for distancemeasurement in mobile robots.” Robotics and Autonomous Systems, vol. 40, pp. 255 – 266, 2002.
[B7] – Berbente C., Mitran S., Zancu S., Metode numerice, Editura Tehnică București 1997,971-13-1135-x.
[B8] – Biber P., Duckett T., Experimental Analysis of Sample-Based Maps for Long-TermSLAM, The International Journal of Robotics Research vol. 28 no. 1, January 2009.
[B9] – Bobancu Ș., Creaticitate și inventică, Editura Universitătii Transilvania Brașov, Brașov2005.
[B10] – Borangiu T., Dumitrache, A.,, Anton, F. D., Programarea roboților, Editura A.G.I.R.,2010.
[B11] – Borenstein J., H. R. Everett, L. Feng, Where am I ? Senzors and Methods for MobileRobot Positioning, University of Michigan, April 1996.
[B12] – Buiu C., Sisteme avansate pentru conducerea roboților autonomi, Editura Electra (ICPE), 2003.
[B13] – Buneci M. R., Metode Numerice - aspecte teoretice şi practice, Editura AcademicaBrâncuşi, Târgu-Jiu, 2009, ISBN 978-973-144-289-1.
[B14] – Burgard W., Stachniss C., Hahnel D., Mobile Robot Map Learning from Range Datain Dynamic Environments, Autonomous Navigation in Dynamic Environments, SpringerTracts in Advanced Robotics, Volume 35, pages: 3-28, 2007.
[C1] – Caltun O. F., Metode numerice de procesare a semnalelor, Editura Stef București, 2008,
ISBN 978-973-8961-93-7.[C2] – Castellanos J.A., Tardós J.D., Mobile Robot Localization and Map Building - A
Multisenzor Fusion Approach, March 1, 2000.[C3] – Castillo O., Martínez-Marroquín R., Melin P., Valdez F., Soria J., Comparative study of
bio-inspired algorithms applied to the optimization of type-1 and type-2 fuzzy controllersfor an autonomous mobile robot, Information Sciences, Volume 192, 1 June 2012.
[C4] – Călinoiu C., Senzori și Traductoare, Volumul 1, Editura Tehnică, 2009. [C5] – Chen .Y., Shih BY., Shih C.H.,Wei C.C., The development of autonomous low-cost
biped mobile surveillance robot by intelligent bricks, Journal of Vibration and Control vol. 18 no. 5, pages: 577-586, April 2012.
[C6] – Chilibon, I., Acustica și metodele ei de testare, Editura Știintă și Tehnică, 2009. [C7] – Coculescu C., Solomon O., Despa R., Metode mumerice, Editura UniversitarăBucurești, 2013, ISBN 978-606-591-808-5.
[C8] – Cohen M.R., Drabkin I.E., A Source Book in Greek Science, 1948.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
64
[D1] – David J., Cheeke N., Fundamentals and Applications of Ultrasonic Waves, 2-ndEdition, CRC Press, 2012.
[D2] – Dima V. N., Barna E., Mecanică și acustică. Probleme rezolvate. Ediția a II-a revizuităși adăugită, Editura Universității Bucureşti, 2006, ISBN (13) 978-973-737-183-6.
[D3] – Dolga V., Construcţia traductoarelor şi senzorilor, Lito. Universitatea Politehnica dinTimişoara, Timişoara, 1996.
[D4] – Dolga V., Senzori şi traductoare, Editura Eurobit, Timișoara, 1999, ISBN: 973-99-227-9-1.
[D5] – Drugă C., Ţârulescu R., Braun B., On the displacement measuring errors using thecoiled resistive transducers in potentiometric mounting, 2 nd International ConferenceAdvanced Composite Materials Engineering COMAT 2008, 9 – 11 October 2008,Brasov, ISSN 1844 – 9336.
[D6] – Drugă C., Braun B., Ţârulescu R., Coiled resistive transducers with nonlinearcharacteristics obtained by shunting, 2nd International Conference Advanced CompositeMaterials Engineering COMAT 2008, 9 – 11 October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
[D7] – Dumitriu A., Bucşan C., Demian T., - Sisteme senzoriale pentru roboţi, Editura Medro,
Braşov, 1996. [E1] – Enescu N., Magheti I., Sârbu M. A., Acustica Tehnică, Editura Electra (ICPE), 1998,
ISBN 973-98801-2-6.[F1] – Fehlman W.L., Hinders M.K., Passive infrared thermographic imaging for mobile robot
object identification, Journal of Field RoboticsVolume 27, Issue 3, pages 281 – 310,May/June 2010.
[F2] – Florczyk S., Robot Vision: Video-based Indoor Exploration with Autonomous andMobile Robots, Editura Wiley-VCH, 2005.
[G1] – Grigore L. T., Aplicații de navigație inerțială cu senzori miniaturizați, Editura SITECH, 2013.
[H1] – Hahnel D., Map building with mobile robots in dynamic environments, Robotics and
Automation, Proceedings. ICRA '03. IEEE International Conference, Pages: 1557 - 1563vol.2, 2003.
[H2] – Hedrick W. R., Hykes D. L., Starchman D. E., Ultrasound Physics and Instrumentation,Pageburst E-Book on VitalSource, 4th Edition, 2005, ISBN: 9780323080200.
[H3] – Holland John M., Designing Autonomous Mobile Robots: Inside the Mind of anIntelligent Machine, December 29, 2003.
[H4] – Holger K., Willig A., Protocoale și arhitecturi pentru rețele de senzori wireless, EdituraMatrixrom, 2012.
[H5] – Hristev A., Mecanică şi Acustică, Editura APH Bucureşti, 1999. [I1] – Ignea A., Stoiciu D., Măsurări electronice, senzori și traductoare, Editura Politehnica
Timișoara, 2007. [J1] – Johnson M., Hayes M.J., Development and validation of a low-cost mobile robotics
testbed, Central European Journal of Engineering, Volume 2, Issue 1 , pages 50-65, 2012.
[M1] – Meyer-Delius D., Temporary maps for robots localization in semi-static environments,Intelligent Robots and Systems (IROS), 2010 IEEE / RSJ International Conference, Pages: 5750 – 5755, Oct. 2010.
[M2] – Meyer-Delius D., Beinhofer M., Burgard W., Occupancy Grid Models for RobotMappingin Changing Environments, Proceedings of the Twenty-Sixth AAAI Conferenceon Artificial Intelligence, 2012.
[M3] – Muller G., Moser M., Handbook of Engineering Acoustics, Springer-Verlag
BerlinHeidelberg, 2013.[M4] – Mătieș V., Tiuca, T., Roboti, structura cinematica si caracteristici, Editura Dacia, 1996.[M5] – Mătieș V., Berian S., Transdisciplinaritate și mecatronică, Editura Curtea Veche , 2011.[N1] – Nehmzow U., Mobile Robotics, A Practical Introduction, June 11, 2003, ISBN 978-
[L2] – Leon F., Inteligenţa artificială – principii, tehnici, aplicaţii, Editura Tehnopress, Iaşi2007, ISBN 973-702-423-0.
[L3] – Lovasz E. C., Robotică avansată, Editura Politehnica Timișoara, 2013. [O1] – Olteanu C. – Aparate şi sisteme de măsurare mecanice, Universitatea din Braşov, 1986;[O2] – Olteanu C. – Mijloace mecanice şi hidropneumatice de măsurare - curs, Reprografia
Universităţii “TRANSILVANIA” Braşov, 1988; [O3] – Olteanu C., Turcu C., Olteanu F., Zamfira, S., Braun B. – Mechatronic system for
measuring and tracing of maps concerning soil agro-productive parameters, 6th International DAAAM Baltic Conference INDUSTRIAL ENGINEERING, 24-26 Aprilie2008, Tallinn, Estonia, ISBN 978-9985-59-783-5;
[P1] – Patrascioiu C., Tehnici numerice de optimizare, Editura Matrixrom, București 2005, ISBN: 973-685-953-3.
[P2] – Popa C., Pelican E., Introducere în analiza numerică, Editura Matrixrom, București,2009, ISBN: 9736859916.[P3] – Popescu M.C., Mastorakis N.E., Simulation of da Vinci Surgical Robot Using
Mobotsim Program, INTERNATIONAL JOURNAL OF BIOLOGY ANDBIOMEDICAL ENGINEERING, Issue 4, Volume 2, 2008.
[P4] – Popescu D., Senzori pentru roboți, Editura Electra (ICPE), 2004. [S1] – Saracin C. G., Saracin M., Traductoare. Interfețe. Achiziții de date, Editura Matrixrom,
2010.[S2] – Siegwart R, Introduction to Autonomous Mobile Robots, Intelligent Robotics and
Autonomous Agents series, ISBN 978-0262195027, March 5, 2004.[S3] – Siciliano, B., Sciavicco, L., Villani, L., Oriolo, G., Modelling, Planning and Control,
2nd Printing., 2009.[S4] – Stevanovic N., Hillegrand M., Hostica B. J., Teuner, A. - A CMOS Image Senzor forHigh Speed Imaging, ISSCC Digest of Technical Papers, pages 104-105, San Francisco,2000.
[T1] – Ţârulescu R., Crăciun O., Elemente de mecanica fluidelor şi unele aplicaţii practice,decembrie 2009, Editura Universităţii Transilvania din Braşov ISBN 978 -973-598-665-0.
[T2] – Ţârulescu R., Ţârulescu S., Infrared detection senzors for mobile robots, AcademicJournal of Manufacturing Engineering, Supplement, Issue 2 / 2008, Editura PolitehnicaTimisoara, ISSN 1583-7904.
[T3] – Ţârulescu R ., Ţârulescu S., Ultrasonic senzors for mobile robots, Academic Journal ofManufacturing Engineering, Supplement, Issue 2 / 2008, Editura Politehnica Timisoara,
ISSN 1583-7904.[T4] – Ţârulescu R ., Usage of sonar and ultrasonic senzors for mobile robots orientation,
Annals of the Oradea University, Editura Universităţii din Oradea, 2005, ISSN 1583-0691.
[T5] – Ţârulescu R ., Consideraţii privind optimizarea sistemului senzorial la un robot mobil ,International Session of Scientific Papers, EDUCATION AND SCIENTIFICRESEARCH AT EUROPEAN STANDARDS, Academia Forţelor Aeriene „HenriCoandă”, Braşov 11-12 Mai 2007, ISBN 978-973-8415-45-4.
[T6] – Ţârulescu R ., Ţârulescu S., Senzori ultrasonici folosiţi la navigaţia roboţilor mobili,Sesiune de comunicări ştiinţifice cu participare internaţională, AF ARES - 2008,
Academia Forţelor Aeriene „Henri Coandă”, Braşov 16-17 Mai 2008, ISBN 978-973-8415-56-0.[T7] – Ţârulescu R ., Drugă C., Braun B., Ultrasonic senzor for distance measuring, 2nd
International Conference Advanced Composite Materials Engineering COMAT 2008,9 – 11 October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
66
[T8] – Ţârulescu R ., Drugă C., Braun B., Optical senzor for distance measuring, 2nd International Conference Advanced Composite Materials Engineering COMAT 2008,9 – 11 October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
[T9] – Ţârulescu R ., Ţârulescu S., Disturbing factors influence in ultrasonic senzor detection,Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583-0691, ANNALS of the ORADEAUNIVERSITY, 2012.
[T10] – Ţârulescu R ., Ţârulescu S., Distance measurements with ultrasonic senzor DT020-1,Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583-0691, ANNALS of the ORADEAUNIVERSITY, 2012.
[T11] – Ţârulescu R ., Usage of Parallax ultrasonic senzors in distance measuremnts, EdituraUniversitatii din Oradea, ISSN 1583-0691, ANNALS of the ORADEA UNIVERSITY,2013.
[T12] – Ţârulescu R ., Olteanu C., Ţârulescu S., Texture of material influence at ultrasonicdetection, Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583-0691, ANNALS of the ORADEAUNIVERSITY, 2014.
[T13] – Ţârulescu R ., Ţârulescu S., Olteanu C., Vehicle pollution for cold engine functioning,
Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583-0691, ANNALS of the ORADEAUNIVERSITY, 2014.
[T14] – Toth-Tascău M., Drăgulescu D., Planificarea și generarea mișcării roboților, EdituraOrizonturi Universitare Timișoara, 2002.
[T15] – Toth-Tascău M., Dreucean M., Elemente de robotică, Editura Politehnica Timișoara,2008.
[U1] – Ungureanu V. B., Ţârulescu R., Crăciun O., Maşini şi aparate fluidice, decembrie2012, Editura Universităţii Transilvania din Braşov ISBN 978-606-19-0144-9.
[V1] – Vasiu D., Olteanu C., Roşca I., Iordache P. – Senzori şi traductoare – traductoaregiroscopice, Braşov, 1992.
[Z1] – Zaides E. P., Traductoare și senzori, Editura Electra (ICPE), 2002. [***1] – Fourier Senzors Guide. Fourth Edition. Printed in March 2004. page 50.51.[***2] – Catalog MultiLogPRO.[***3] – Workbook FP 1120. Senzors for Distance and Displacement. FESTO.[***4] – Catalog senzor ultrasonic Parallax PING.[***5] – Catalog platformă de procesare Arduino.[***6] – http://www.arduino.cc/en/Tutorial/Ping.[***7] – Catalog Alnor Airflow, Air Velocity Meter, model AVM460.[***8] – User manual Pro Bot 128 robot.[***9] – http://www.spytrakr.net. [**10]
Teză de Doctorat - Contribuţii privind optimizarea configuraţiei senzorilor utilizaţi la roboţii mobili
2014
67
REZUMAT
Pe baza analizei limitelor stadiului actual s-a definit obiectivul acestei teze: optimizareasistemului senzorial al unui robot mobil în vederea îmbunătăţirii comportamentului laorientarea în spaţiul de lucru.
Pentru atingerea obiectivelor tezei s-au efectuat teste cu şase roboţi mobili în vederea
observării comportamentului acestora în două spaţii de lucru, unul cu obstacole fixe şi unul detip labirint şi s-au efectuat măsurători de distanţă cu trei tipuri de senzori ultrasonici faţă deobiecte de diferite dimensiuni, forme şi materiale. Rezultatele obţinute au fost modelate atâtmatematic, cât şi prin simulare cu ajutorului unui software dedicat roboţilor mobili. În urmaanalizei rezultatelor obţinute prin modelare, s-a identificat robotul mobil care poate fi supusoptimizării şi tipul de senzor care poate fi implementat cu succes în sistemul senzorial. Astfel afost optimizat robotul mobil de tip Pro Bot 128, adăugându-se un sistem nou senzorial, de tipParallax. În urma efectuării testelor cu robotul optimizat s-a observat ca distanţa parcursă dintreun punct de pornire şi unul de sosirere s -a redus semnificativ.
Etapele parcurse pentru stabilirea soluţiei optime sunt: 1) Analiza stadiului actual îndomeniul roboţilor mobili; 2) Stabilirea obiectivelor tezei; 3) Cercetări experimentale efectuatecu roboţii mobili şi cu senzorii ultrasonici; 4) Modelarea numerică a rezultatelor obţinute înurma cercetărilor experimentale şi simularea navigaţiei unui robot mobil utilizând senzoriultrasonici cu caracteristici asemănătoare celor testaţi; 5) Optimizarea unui robot mobil prinimplementarea unui senzor ultrasonic montat pe o platformă rotativă şi testarea acestuia înspaţiile de lucru; 6) Concluzii finale, contribuţii originale şi direcţii de dezvoltare.
Din analiza rezultatelor se desprinde ideea că că implementarea unui sistem senzorial cusenzori ultrasonici se poate realiza pentru o multitudine de roboţi, fiind recomandată la detecţiaobstacolelor din spaţiul de operare.
ABSTRACT
Based on an analysis of the current stage limits, it was defined the objective of this thesis:optimizing the sensorial system of a mobile robot to improve navigation behavior in theworkspace.
In order to achieve the objectives of this thesis, has been performed tests with six mobilerobots in order to observe their behavior in the two working spaces, one with fixed obstacles,and one of labyrinth type and distance measurements were made with three types of ultrasonicsensors over the objects with different sizes, shapes and materials. The results were modeledmathematically and simulated by using dedicated software for mobile robots. After analyzingthe results obtained by modeling, it was identified the mobile robot which can be optimizedand the type of sensor that can be successfully implemented in the sensorial system. Thus wasoptimized the mobile robot Pro Bot 128, adding a new sensorial system of Parallax type. Afterthe optimized robot test it was observed that the distance between a starting point and an arrivalhas reduced significantly.
The steps for determining the optimal solution are: 1) Analysis of current stage in mobilerobotics; 2) Establishing objectives of the thesis; 3) Experimental research performed withmobile robots and ultrasonic sensors; 4) Numerical modeling of results from experimentalresearch and simulation of navigation for a mobile robot using ultrasonic sensors withcharacteristics similar to those tested; 5) Optimizing a mobile robot by implementing anultrasonic sensor mounted on a rotating platform and testing in workspaces; 6) Conclusions,original contributions and directions of development.
From the results emerges the idea that the implementation of a sensorial system with
ultrasonic sensors can be achieved for a variety of robots, being recommended to detectobstacles in the operating area.
