Navigering Mobile robotter: Sensorer og teknikker

Original: http://www-personal.umich.edu/~johannb/my_book.htm

J. Borenstein, H. R. Everett, und L. Feng

Forlægger: A. K. Peters, Ltd., Wellesley, MA
Ph.: +1-617-235-2210
Fax.: +1-617-235-2404
Email: akpeters@tiac.net
 
Denne bog overvåger den stade i sensorer, systemer, metoder og teknologier, der anvendes af en mobil robot til at bestemme sin position i miljøet. De mange potentielle “løsninger” er groft inddeles i to grupper: relative og absolutte position målinger. Den første omfatter kilometertælling og inerti navigation; det andet omfatter aktive beacons, kunstige og naturlige vartegn anerkendelse og model matchning. Forfatterne sammenligne og analysere disse forskellige metoder baseret på tekniske publikationer og kommercielt produkt og patent information. Sammenligning er centreret omkring følgende kriterier: nøjagtigheden af ​​position og orientering målinger, nødvendigt udstyr, omkostninger, sampling rate, effektiv rækkevidde, beregningskraft påkrævet, behandling behov, og andre specielle funktioner. Ingen robotteknologi hobby eller professionelle bør ikke dette overordentlig omfattende kig på robot positionering.

Bogen er tilgængelig for $ 39,95 (pris kan ændres uden yderligere varsel) fra udgiveren AK Peters, Ltd., Wellesley, MA

BEMÆRK: Fra 1999 denne bog er udsolgt og ikke længere til rådighed overalt. Men du kan downloade bogen i sin helhed under titlen “Hvor er jeg” Rapport. Denne rapport er identisk med bogen.

(1) Dr. Johann Borenstein
University of Michigan
2260 Hayward Street
Ann Arbor, MI 48109
Ph .: (763) 763-1560
Fax: (206) 203-1445
E-mail: johannb@umich.edu
(2) Kommandør H. R. Everett
Naval Command, Control og Ocean Surveillance center
FTU & E Division 5303
271 Catalina Boulevard
San Diego CA 92152-5001
Ph. :( 619) 553-3672
Fax: (619) 553-6188
E-mail: Everett@NOSC.MIL
(3) Dr. Liqiang Feng
Anerkendelser

Denne forskning blev sponsoreret af Office of Technology Development, US Department of Energy, under kontrakt DE-FG02-86NE37969 med University of Michigan.

Forfatterne vil gerne takke Department of Energy (DOE), og især Dr. Linton W. Yarbrough, DOE Program Manager, Dr. William R. Hamel, D & D, teknisk koordinator, og Dr. Clyde Ward, Losseplads Operations Teknisk koordinator for deres teknisk og finansiel støtte til forskning, der danner grundlag for dette arbejde.

Dele af teksten tilpasset fra Sensorer til mobile robotter: Teori og anvendelse ved HR Everett, AK Peters, Ltd., Wellesley, MA, Publishers.

Forfatterne yderligere takke professorerne David K. Wehe og Yoram Koren ved University of Michigan for deres støtte, og Mr. Harry Alter (DOE), der har venner med mange af de studerende, og far til flere af vores robotter. Tak er også på grund af Todd Ashley Everett til at gøre de fleste af de line-art tegninger.

 

Indledning

Leonard og Durrant-Whyte [1991] sammenfattet det generelle problem med mobil robot navigation med tre spørgsmål: “Hvor er jeg ?,” “Hvor er jeg går ?,” og “Hvordan skal jeg kommer derhen ?.” Denne bog overvåger state-of-the-art i sensorer, systemer, metoder og teknologier, der sigter mod at besvare det første spørgsmål, der er: robot positionering i sit miljø.

Måske er det vigtigste resultat af opmåling langt mængde litteratur om mobil robot positionering er der til dato er der ingen virkelig elegant løsning på problemet. De mange delløsninger kan groft inddeles i to grupper: relative og absolutte position målinger. På grund af manglen på et enkelt, generelt god metode, udviklere af automatisk styrede køretøjer (AGVs) og mobile robotter normalt kombinere to metoder, en fra hver kategori. De to kategorier kan yderligere inddeles i følgende undergrupper.

Relative positionsmålinger

en. Vejimpulsgiver Denne metode bruger encodere til at måle hjulet rotation og / eller styring orientering. Kilometertælling har den fordel, at den er helt selvstændig, og det er altid i stand til at levere køretøjet med et skøn over sin holdning. Ulempen ved kilometertælling er, at positionen fejl vokser uden bundet, medmindre en uafhængig henvisning bruges periodisk for at reducere fejl [Cox, 1991].

b. Inertinavigationssystem Denne metode bruger gyroskoper og nogle gange accelerometre at måle hastigheden af ​​rotation og acceleration. Målinger er integreret gang (eller to gange) til opnåelse af position. Inertinavigationssystemer har også den fordel, at de er selvstændige. På negativsiden inerti sensor data driver med tiden på grund af behovet for at integrere rate data til afkaster position; enhver lille konstante fejl stiger uden bundet efter integration. Inertisensorer er således uegnede til præcis positionering over en længere periode. Et andet problem med inertinavigation er den høje udstyrsomkostninger. For eksempel, meget præcise gyros, der anvendes i fly, er inhibitively dyre. Meget nylig fiberoptiske gyros (også kaldet laser gyros), som siges at være meget præcis, er faldet drastisk i pris og er blevet en meget attraktiv løsning til mobil robot navigation.

Absolutte position Målinger

c. Aktive Beacons Denne metode beregner den absolutte position af robotten ved måling af retningen af ​​forekomsten af ​​tre eller flere overførte aktivt beacons. Senderne, som regel ved hjælp af lys eller radiofrekvenser, skal være placeret på kendte steder i miljøet.

d. Kunstig Landmark Anerkendelse I denne metode særprægede kunstige landemærker er placeret på kendte steder i miljøet. Fordelen ved kunstige landmærker er, at de kan udformes til optimal påviselighed selv under ugunstige miljøforhold. Som med aktive beacons, skal tre eller flere landmærker være “i betragtning” for at tillade position estimation. Landmark positionering har den fordel, at de positionsfejl er afgrænset, men påvisning af eksterne vartegn og real-time position fastsættelse kan ikke altid være muligt. I modsætning til de sædvanligvis punktformede beacons, kan kunstige landmærker defineres som et sæt af funktioner, fx en form eller et område. Yderligere oplysninger, f.eks afstand, kan afledes fra måling af geometriske egenskaber for milepæl, men denne fremgangsmåde er beregningsmæssigt intensive og ikke særlig præcis.

e. Naturlig Landmark Anerkendelse Her vartegn kendetegner miljøet. Der er ikke behov for udarbejdelse af miljøet, men miljøet skal være kendt på forhånd. Pålideligheden af ​​denne metode er ikke så høj som med kunstige vartegn.

f. Model Matching I denne metode oplysninger erhvervet fra ombord sensorer robottens sammenlignes med et kort eller verden model af miljøet. Hvis funktioner fra sensoren-baserede kort og verden model kortet match, så bilens absolutte placering kan estimeres. Kort-baseret positionering omfatter ofte forbedre globale kort baseret på de nye sensoriske observationer i et dynamisk miljø og integrere lokale kort i den globale kortet for at dække tidligere uudforskede områder. Kortene anvendes i navigation omfatter to hovedtyper: geometriske kort og topologiske kort. Geometriske kort repræsenterer verden i en global koordinatsystem, mens topologiske kort repræsenterer verden som et netværk af knudepunkter og buer.

Denne bog præsenterer og diskuterer state-of-the-art i hver af de ovennævnte seks kategorier. Materialet er organiseret i to dele: Del I omhandler sensorer, der anvendes i mobil robot positionering, og del II diskuterer de metoder og teknikker, der gør brug af disse sensorer.

Mobil robot navigation er en meget forskelligartet område, og en nyttig sammenligning af forskellige tilgange er vanskelig på grund af manglen på almindeligt accepterede test standarder og procedurer. De forskningsplatforme anvendt er meget forskellige, og det samme gør de centrale forudsætninger, der anvendes i forskellige tilgange. Yderligere vanskelighed består i, at forskellige systemer er på forskellige stadier i deres udvikling. For eksempel kan et system være kommercielt tilgængelig, mens et andet system, måske med bedre ydeevne, er kun testet under et begrænset sæt laboratorieforhold. Af disse grunde vi generelt afstå fra at sammenligne eller endda dømme udførelsen af ​​forskellige systemer eller teknikker. Vi har endvidere ikke testet de fleste af de systemer og teknikker, så resultaterne og specifikationerne i denne bog er blot citeret fra de respektive forskning papirer eller produkt spec-sheets.

På grund af de ovennævnte udfordringer, vi har defineret formålet med denne bog at være en undersøgelse af det voksende inden for mobil robot positionering. Det tog godt over 1,5 årsværk til at indsamle og kompilere materialet til denne bog; Vi håber, at dette arbejde vil hjælpe læseren til at få større forståelse i meget mindre tid.

Indholdsfortegnelse

INDLEDNING xi
Del I Sensorer til mobil robot Positionering
Kapitel 1 Sensorer til Dead Reckoning 3
1.1 Optiske encodere 3
1.1.1 Trinvise Optiske encodere 4
1.1.2 Absolutte Optiske encodere 6
1.2 Doppler Sensorer 7
1.2.1 Micro-Trak Trak-Star Ultrasonic Speed ​​Sensor 8
1.2.2 Andre Doppler-effekt Systems 9
1.3 Typiske Mobility konfigurationer 9
1.3.1 Differential Drive 9
1.3.2 Tricycle Drive 11
1.3.3 Ackerman Steering 11
1.3.4 Synchro Drive 13
1.3.5 Kuglemikrofon Drive 15
1.3.6 Multi-Degree-of-Freedom køretøjer 16
1.3.7 MDOF Køretøj med Compliant Linkage 17
1.3.8 bæltekøretøjer 18
Kapitel 2 kurssensorer 21
2.1 Mekaniske gyroskoper 21
2.1.1 Space-Stabil Gyroskoper 22
2.1.2 gyrokompasser 23
2.1.3 Kommercielt tilgængelig Mekaniske gyroskoper 23
2.1.3.1 Futaba Model Helicopter Gyro 23
2.1.3.2 Gyration, Inc. 24
2.2 Optiske gyroskoper 24
2.2.1 Aktiv Ring-Laser Gyros 26
2.2.2 Passive Ring Resonator Gyros 28
2.2.3 Open-Loop interferometrisk Fiber Optic Gyros 29
2.2.4 lukket kredsløb interferometrisk Fiber Optic Gyros 32
2.2.5 Resonant fiberoptisk Gyros 32
2.2.6 Kommercielt tilgængelig Optical gyroskoper 33
2.2.6.1 Den Andrew Gyroplan 33
2.2.6.2 Hitachi Cable Ltd OFG-3 34
2.3 geomagnetiske Sensorer 34
2.3.1 Mekaniske Magnetiske Kompasser 35
2.3.2 Fluxgate Kompasser 36
2.3.2.1 Zemco Fluxgate Kompasser 42
2.3.2.2 Watson Gyrokompas 44
2.3.2.3 KVH Fluxgate Kompasser 45
2.3.3 Hall-Effekt Kompasser 46
2.3.4 magnetoresistive Kompasser 48
2.3.4.1 Philips AMR Kompas 48
2.3.5 Magnetoelastic Kompasser 49
Kapitel 3 Aktive Beacons 53
3.1 Navstar Global Positioning System (GPS) 53
3.2 jordbaserede RF Systems 59
3.2.1 Loran 59
3.2.2 Kaman Sciences Radio Frequency Navigation Grid 60
3.2.3 Præcision Location Tracking og telemetrisystemet 61
3.2.4 Motorola Mini-Ranger Falcon 61
3.2.5 Harris Infogeometric System 62
Kapitel 4 Sensorer til kort-Based Positionering 65
4.1 Time-of-Flight Range Sensorer 65
4.1.1 Ultrasonic TOF Systems 67
4.1.1.1 Massa Produkter Ultrasonic Ranging Modul delsystemer 67
4.1.1.2 Polaroid Ultrasonic Ranging Moduler 69
4.1.2 laserbaseret TOF Systems 71
4.1.2.1 Schwartz Electro-Optics Laser afstandsmålere 71
4.1.2.2 Riegl Laser målesystemer 77
4.1.2.3 RVSI Lang Optisk Ranging og Detection System 79
4.2 Fase-Shift Måling 82
4.2.1 Odetics Scanning Laser Imaging System 85
4.2.2 ESP Optisk Ranging System 86
4.2.3 Acuity Research AccuRange 3000 87
4.2.4 TRC Light Retning og Ranging System 89
4.2.5 Schweiziske Føderale Institut for Teknologi 3-D-Imaging Scanner 90
4.2.6 Forbedring af Lidar Ydelse 91
4.3 Frekvens Modulation 93
4.3.1 Eaton VORAD Vehicle Detection og Driver Alert System 95
4.3.2 Safety First Systems Vehicular Hindring Detection og Warning System 96
Del II systemer og metoder til mobil robot Positionering
Kapitel 5 Kilometertælling og andre Dead-Reckoning Methods 101
5.1 Systematiske og ikke-systematisk kilometertællings Fejl 101
5.2 Måling af kilometertællings Fejl 103
5.2.1 Måling af Systematiske kilometertællings Fejl 103
5.2.1.1 Den ensrettet Square-Path Test 103
5.2.1.2 Den Tovejs Square-Path Eksperiment 105
5.2.2 Måling af ikke-systematiske fejl 107
5.3 Reduktion af kilometertællings Fejl 108
5.3.1 Reduktion af Systematiske kilometertællings Fejl 109
5.3.1.1 Auxiliary Hjul og Basic Encoder Trailer 109
5.3.1.2 Grundlæggende Encoder Trailer 110
5.3.1.3 Systematisk Kalibrering 110
5.3.2 Reduktion ikke-systematisk kilometertællings Fejl 114
5.3.2.1 Gensidig Referencing 114
5.3.2.2 Intern Position Error Correction 114
5.4 inertinavigationssystem 116
5.4.1 accelerometre 117
5.4.2 Gyros 117
5.4.2.1 Barshan og Durrant-Whyte 118
5.4.2.2 Komoriya og Oyama] 119
5.5 Opsummering 120
Kapitel 6 Aktiv Beacon Navigation Systems 123
6.1 Diskussion om triangulering Methods 124
6.1.1 trepunkts-Triangulation 124
6.1.2 Triangulation med mere end tre Vartegn 125
6.2 Ultrasonic Transponder Trilateration 126
6.2.1 IS Robotics 2-D Placering System 127
6.2.2 Tulane University 3-D Placering System 127
6.3 Optiske Positioning Systems 129
6.3.1 CyberMotion Docking Beacon 130
6.3.2 Hilare 131
6.3.3 NAMCO LaserNet 132
6.3.4 Denning Branch International Robotics LaserNav Position Sensor 133
6.3.5 TRC Beacon navigationssystem 134
6.3.6 Siman Sensorer & Intelligent Machines Ltd., ROBOSENSE 135
6.3.7 Imperial College Beacon navigationssystem 136
6.3.8 MTI Research CONACTM 137
6.3.9 Lawnmower Calman 140
6.4 Opsummering 140
Kapitel 7 Landmark Navigation 141
7.1 Naturlige Vartegn 142
7.2 Kunstige Vartegn 143
7.2.1 Global Vision 144
7.3 Kunstige Landmark Navigation Systems 144
7.3.1 MDARS Lateral-Post Sensor 145
7.3.2 Caterpillar Self Guided Vehicle 146
7.3.3 Komatsu Ltd, Z-formet Landmark 147
7.4 Linje Navigation 148
7.4.1 Termisk Navigational Marker 149
7.4.2 flygtige kemikalier Navigational Markerings 149
7.5 Opsummering 150
Kapitel 8 Kort-Based Positioning 153
8.1 Kort-Bygning 154
8.1.1 Kort-Bygge- og Sensor-Fusion 155
8.1.2 fænomenologisk vs Geometrisk repræsentation, Engelson og McDermott 155
8.2 Kort matchende 156
8.2.1 Schiele og Crowley 157
8.2.2 Hinkel og Knieriemen – The Angle Histogram 158
8.2.3 Wei, Wetzler og Puttkamer – Mere på Angle Histogram 160
8.2.4 Siemens ‘Roamer 162
8.3 Geometriske og topologiske kort 163
Kort 8.3.1 Geometri for Sejlads 164
8.3.1.1 Cox 165
8.3.1.2 Crowley 166
8.3.1.3 Adams og von Fle 169
Kort 8.3.2 topologiske for Navigation1 70
8.3.2.1 Taylor 170
8.3.2.2 Courtney og Jain 170
8.3.2.3 Kortenkamp og Weymouth 171
8.4 Opsummering 173
Bilag A: Et ord på Kalman filtre 174
Appendiks B: Unit Konverteringer og forkortelser 175
Appendiks C: Systems-at-a-Glance Borde 177
Referencer 195
Emne indeks 209
Forfatter Indeks 219

Comments are closed.