Сегодня, большинство роботов, ориентирующихся на местности, полагаются на одометрию (odometry - измерение пройденного пути) как на основу навигационной системы. Обычный одометрический измеритель включает в себя оптические кодировщики, спаренные с вращающимися осями.
Вот некоторые вращательные сенсоры, измеряющие перемещение и скорость используемые сегодня:
а) кодеры со щеточными контактами;
б) потенциометры;
в) оптические кодеры;
г) магнитные кодеры;
д) индуктивные кодеры;
е) емкостные кодеры.
Наиболее популярные вращательные кодеры - инкрементальный или абсолютный оптические кодеры.
В основе современных оптических сенсоров лежит уменьшенный сенсор, определяющий близость по прерыванию луча. В нем сфокусированный и направленный на определенный фотодетектор луч света периодически прерывается диском со специальными прорезями, вращающимся на валу. Развитие этой схемы кодирования - выходные данные, которые по сути своей цифровые, собираются в недорогой и надежной «упаковке» с хорошей помехоустойчивостью. Существует два основных вида оптических кодеров:
а) инкрементный - измеряет скорость вращения и может определить относительное положение;
б) абсолютный - измеряет точное угловое положение и может определить скорость.
Одноканальный тахометр - простейший вид инкрементного кодера. В основе механики - дискретный источник света, пульсирующий определенное количество раз за один оборот вала. Увеличение количества импульсов за оборот увеличивает разрешение кодера (и его стоимость). Это устройство хорошо подходит как измеритель скорости с обратной связью в средне и высокоскоростных системах управления. Но у них появляются проблемы с помехами и стабильностью на малых скоростях из-за ошибок дискретизации. К этим проблемам добавляется то, что одноканальный тахометр не способен определить направление вращения и, как следствие, не может быть использован как позиционирующий сенсор.
Абсолютные оптические кодеры обычно используются в приложениях с медленным вращением, для которых не допустима потеря информации о положении из-за временной потери питания. Лучше всего подходит для систем с медленным и/или нечастым вращением, в которых кодируется угол поворота (противоположность вычислениям, связанным с продолжительным высокоскоростным вращением, требуемые для вычисления перемещения по пути следования).
Потенциальное неудобство абсолютного кодера - параллелизм выходных данных, который требует более сложный интерфейс из-за большого количества проводов.
Одометрия дает хорошую кратковременную точность, недорогая и обладает очень большой частотой дискретизации. Но начальная идея одометрии - объединение увеличивающейся во времени двигательной информации, которое неизбежно приводит к накоплению ошибок. На практике, накапливаемые ошибки ориентации являются причиной большинства ошибок позиционирования, количество которых увеличивается пропорционально пути, пройденному роботом. Однако широко принято, что одометрия - очень важная часть навигационной системы робота и задача навигации упростилась, если точность одометрии была бы увеличена.
Ниже приведено несколько причин, по которым одометрия используется в МР:
а) данные одометрии могут быть объединены технологией абсолютного позиционирования (и другими технологиями) для получения лучшей и более точной оценки положения;
б) одометрия может быть использована в абсолютно позиционировании, улучшенном ориентирами (маяками) на местности. Давая необходимую точность позиционирования, повышая точность одометрии - это позволяет уменьшить частоту обновлений в абсолютном позиционировании. Как следствие - для данного маршрута требуется меньше маяков;
в) в некоторых ситуациях одометрия применима только в качестве навигационного информатора.
Альтернативный метод одометрие – инерционная навигация. Принцип работы включает непрерывное считывание даже малейшего ускорения по каждой из трех осей направлений и перемещение во времени, чтобы вычислить и положение. Платформа сенсора стабилизируется гироскопом, это необходимо для сохранения строгой ориентации трех акселерометров на протяжении всего процесса.
Хотя концепция метода проста, специфика реализации весьма требовательна. Главным образом это вызвано ошибками, причиной которых является стабильность (ее отсутствие), для обеспечения которой, чтобы гарантировать корректность вычисления положения, используются гироскопы.
Одним из преимуществ инерционной навигации является возможность обеспечивать быстрые, низко латентные динамические измерения.
Однако главным недостатком является то, что угловые и скоростные данные должны быть включены один и два раза (соответственно) для определения ориентации и линейного позиционирования (соответственно).
Другой вид навигации с помощью ориентиров. Существуют естественные и искусственные ориентиры.
Главная проблема навигации по природным ориентирам заключается в определении и сопоставлении характерных особенностей в данных, полученных от сенсоров. Такие сенсоры представляют собой машинное зрение. Большинство систем машинного зрения основаны на определении длинных отрезков прямых, например как в дверных проемах или точек соединения стен и потолка.
В системе позиционирования по природным ориентирам выделяют следующие базовые компоненты:
а) сенсор (обычно зрительный) детектирующий и выделяющий ориентиры на сцене;
б) метод сравнения, полученных в результате наблюдения, особенностей с картой известных ориентиров;
в)метод вычисления местоположения и локализации ошибок от сравнений.
Намного легче детектировать искусственные ориентиры, так как они разрабатываются с оптимальным контрастом. Вдобавок, для искусственного ориентира заранее известны точные размеры и форма. Многие системы позиционирования по искусственным ориентирам основаны на машинном зрении, а в качестве ориентиров чаще всего используются черный прямоугольник с белыми точками по углам, сфера с вертикальными и горизонтальными окружностями для калибровки, что позволяет определить пространственное (трехмерное) положение по одному изображению.
Точность описанного выше метода зависит от того, с какой точностью геометрические параметры ориентиров будут извлечены из изображения сцены, которая, в свою очередь, зависит от относительного положения и угла между роботом и ориентиром.
Существуют также ориентиры, которые используются не визуальными сенсорами. Наиболее часто используемые – штрих-код отражатель для лазерных сканеров.
Ещё один, широко используемый в индустрии, вид навигации по ориентирам, - это линейная навигация. Она может рассматриваться как навигация по непрерывным ориентирам, а из-за того, что в большинстве случаев сенсор, используемый в системе, должен находиться очень близко к линии, габариты устройства ограничены тем, что оно должно находиться в непосредственной близости от линии. Эта технология долгие годы использовалась в задачах промышленной автоматизации, а такие устройства обычно называли Автоматически Управляемые Устройства. Однако, технология не была детально изучена и, как следствие, не позволяла устройству двигаться свободно.
Основные реализации линейной навигации:
а) электромагнитное управление;
б) управление отражающей или оптической лентой;
в) ферритовое управление, где используется феррито магнитная пыль;
г) управление по термальным маркерам.
Основные особенности навигации по ориентирам:
а) навигация по природным маякам требовательна к постоянству окружающей обстановки;
б) навигация по искусственным маякам – недорогая и может обладать дополнительными информационными кодерами;
в) максимальное расстояние между роботом и ориентиром значительно меньше, чем в системах с активными маяками;
г) точность позиционирования зависит от расстояния и угла между роботом и ориентиром;
д) необходима большая вычислительна мощность, чем в системах с активными маяками;
е) внешние условия (такие как освещенность) могут быть причиной ошибок таких как: ориентир не может быть распознан, или некоторый объект ошибочно принят за ориентир;
ж) в навигации по ориентирам требуется, что бы робот знал свое примерное начальное положение для того, чтобы он знал где искать ориентиры. Если это требование не выполнено, то, очень часто, в систему включают функцию «всеохватного» поиска;
з) база данных маяков и их расположения в пространстве должна все время поддерживаться.
Существует навигация по карте. Картографическое позиционирование (также известное как «карто соответствующая» или "map matching") – это технология, по которой робот использует сенсоры для построения локальной карты местности. Эта локальная карта потом сравнивается с глобальной, предварительно сохраненной в памяти. После нахождения совпадений робот вычисляет свое текущее положение и ориентацию на местности. В качестве предварительно записанной карты может выступать САПР модель местности, или она может быть построена по предварительно полученным от сенсоров данным.
Основные преимущества картографического позиционирования приведены ниже:
а) она, естественно, используется на местности со структурой типичной для помещения и получает информацию о положении в окружении, не изменяя его;
б)она может быть использована для создания и обновления карты местности. Карты местности играю большую роль в других МР задачах, например при глобальном планировании пути;
в) она позволяет роботу изучить новую местность и повышает точность позиционирования при ее (местности) исследовании.