mr predavanje 04 nevizualni senzori 2011 12
TRANSCRIPT
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 1/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 1
4. Senzori za mobilne robote
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 2/36
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 3/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 3
Propriocepcijski senzori za
estimaciju gibanja MR-a
• Odometrijski senzori - omogućuju izračunavanjepoložaja MR-a (''Dead Reckoning'‘) : inkrementalni enkoderi,
apsolutni enkoderi, akcelerometri, senzori zasnovani na Dopplerovu efektu, ...
• Orijentacijski senzori – određuju orijentaciju MR-a u
odnosu na magnetsku ili zemljopisnu os Zemlje: žiroskopi,kompasi, žirokompasi.
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 4/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 4
rešetka
svjetlosni izvor
osjetilosvjetlosti
dekoder
• Relativna pozicija – signali daju
podatak o promjeni pozicijeenkodera
B
A
A
B
B kasni za A
- Moguća
detekcija smjera
vrtnje
Inkrementalni optičkienkoder
Odometrijski senzori
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 5/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 5
Odometrijski senzori• Binarni niz čini riječ koja opisuje apsolutnu poziciju
enkodera unutar jednog okreta
Apsolutni optički enkoder
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 6/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 6
Inercijalni senzori -Akcelerometri
• Načelo rada: “seizmički slog” – masa mslobodno klizi po šini u smjeru ubrzanja:
• Sekundarna osjetila –
rastezne trake:
Odometrijski senzori
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 7/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 7
Senzori zasnovani naDopplerovu efektu
'c v
f f c
±=
'c
f f c v
=
• Dopplerov efekt:
a) S i O miruju
b) S miruje O se giba
c) O miruje S se giba
Odometrijski senzori
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 8/36
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 9/36
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 10/36
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 11/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 11
Orijentacijski senzori
• Precesija žiroskopa:
• Newtonov zakon gibanja za vrtnju: Vremenska promjena kutnog momenta gibanja oko neke osi
jednaka je momentu primijenjenom oko te osi.
Mehanički žiroskopi
M
J Ω
ω =
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 12/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 12
• Sagnacov efekt (1913. godine):Dvije svjetlosne zrake koje ulaze u rotirajući optički prsten
u točki A imaju različita vremena prolaska punoga kruga.
Optički žiroskopiOrijentacijski senzori
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 13/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 13
• Tehnologija jednomodalnih optičkih vlakana.• Iz dobije se razlika u fazi između CW i CCW
zraka:
• Povećanje osjetljivosti FOG-a:
“Fiber” optički žiroskopi(FOG)
Jednostavniji i jeftinji
Orijentacijski senzori
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 14/36
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 15/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 15
Percepcijski senzori MR-a
• Uglavnom radijacijski senzori, koji su korisni za:planiranje putanje robota, estimaciju pozicije robota,detekciju i izbjegavanje prepreka, prepoznavanje objekata,pretraživanje i pregledavanje prostora, daljinskoupravljanje robotom, manipulaciju predmetima itd.
• Glavne su odlike:percepcija širokog prostora, unaprijedno dobivanje
informacije, izbjegavanje kontakta.
• Nedostaci: računska složenost obradbe informacija, problemi
radijacijskog načela rada i problemi interpretacijepercepcijskih informacija.
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 16/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 16
Klasifikacije radijacijskih senzora
• Izvor zračenja: Pasivni – koriste ambijentalno zračenje (radijaciju) Aktivni – emitiraju vlastito zračenje
• Predstavljanje informacija o sceni: Slikom – generiraju sliku prostora Točkom (pikslom) – generiraju jedan piksl
• Način pretraživanja scene: Skenirajući – pretražuju scenu gibanjem Neskenirajući – imaju ugrađeno polje senzora
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 17/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 17
Klasifikacije radijacijskih senzora
• Domet: ''Blizinski'' – binarni senzori za detektiranje i
izbjegavanje prepreka u neposrednoj blizini ''Daljinski'' – mjere udaljenost do prepreke ili je
određuju posredno iz slike
• Tehnika određivanja udaljenosti: triangulacija vrijeme putovanja zrake sažimanje scene
interferometrija• Vrsta zračenja:
elektromagnetsko zvučno
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 18/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 18
Mjerenje vremena putovanja zrake
• Većina senzora za mjerenje udaljenosti koristi ovutehniku mjerenja udaljenosti.• Svjetlosna zraka: v = c = 0.3 m/ns• Zvučna zraka: v = 0.3 m/ms
• Udaljenost d koju zraka prijeđe: d=vt .• Dakle, udaljenost do prepreke iznosi: R=d /2 = vt /2.• Tri su osnovna načina mjerenja vremena putovanja
zrake:Mjerenje vremena putovanja generiranog impulsaMjerenje faznog pomaka između odlazećeg i dolazećeg
signalaMjerenje razlike frekvencija odlazećeg i dolazećeg signala
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 19/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 19
Mjerenje vremena
putovanja zrake
• Time-of-Flight Range Sensors (TOF rangesensors)
Mjerenje vremena putovanjegeneriranog impulsa
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 20/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 20
Mjerenje vremena
putovanja zrakeMjerenje faznog pomaka između
odlazećeg i dolazećeg signala
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 21/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 21
Mjerenje vremena
putovanja zrake
• Problem nejednoznačnosti:
• Nejednoznačnost se pojavljuje kada ∆Φ prijeđe iznos 2π . => fazni pomak se može jednozančno odrediti samo do
• Rješenje: Sukcesivno slanje dvaju signala različitihmodulacijskih frekvencija.
Mjerenje faznog pomaka izmeđuodlazećeg i dolazećeg signala
R
• Fazni pomak između signaladobiva se njihovim množenjem, iusrednjavanjem umnoška prekovelikog broja perioda.
• Rezultat množenja daje:
2 ( ) 4cos cos cos
x n Rπ λ π
λ λ
+ ∆Φ = =
max2 R λ =
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 22/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 22
Mjerenje vremena
putovanja zrake
• Frekvencijska modulacija periodičkim trokutastim signalomkoji povećava i smanjuje noseću frekvenciju oko srednjefrekvencije f
0:
Mjerenje razlike frekvencijaodlazećeg i dolazećeg signala
0( ) f t f at = +
2
( ) ( )beat
aR
f f t f t T a T c= − + = =
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 23/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 23
Ultrazvučni senzori udaljenosti
• Poteškoće pri njihovojprimjeni:velika širina zrakemala brzina zvuka – spor odziv bočni snopovi zraka jako gušenje signalaminimalna udaljenost koja se
može mjeriti relativno velikaograničena maksimalna
udaljenost spekularne refleksijevišestruke refleksije ambijentalna interferencija
• I pak se često koriste jer su: iznimno jeftini, jednostavni,
lagani,male potrošnje te izvrsni za izbjegavanje
prepreka.
Sonar -SOund NAvigation and Ranging
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 24/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 24
Ultrazvučni senzori
udaljenosti
• Zvučnik imikrofon u istomkućištu, obično
piezoelektričkiefekt.
Načelo rada
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 25/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 25
• Minimalna mjerljiva udaljenost:Ovisi o trajanju slanja impulsa (tipično 1 ms) i
frekvencijskom opsegu metalne dijafragme / piezoeletričkog kristala (tipično 1 ms).
Za ove tipične vrijednosti dobije se minimalnaudaljenost oko 60 cm (330 m/s · 0.002 s).• Frekvencija uzorkovanja:Određena je brzinom zvuka i maksimalnim dometom -
za domet od 20 m iznosi oko 8 Hz: (330[m/s]/40[m]=8,25 [Hz]), kod upotrebe više senzora zbogsprečavanja interferencije frekvencija uzorkovanja je
još manja
KarakteristikeUltrazvučni senzori
udaljenosti
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 26/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 26
• Kutna preciznostStožasti oblik glavne zrake sonara
Karakteristike
-30°
-60°
0°
30°
60°
Amplitude [dB]
measurement cone
Ultrazvučni senzori
udaljenosti
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 27/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 27
• Problem “pomiješanih piksela”:
Zaobljavanje kutova.• Ovo je posljedica efekta integracije intenziteta zrake preko
čitavog prostora refleksije zrake.
KarakteristikeUltrazvučni senzori
udaljenosti
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 28/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 28
• Problem spekularnih refleksija:
Rayleighov uvjet za
spekularnu refleksiju
Karakteristike
• Nema povratnog signala:
Ultrazvučni senzori
udaljenosti
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 29/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 29
• Višestruke refleksije:
• Neki komercijalni sonari:
KarakteristikeUltrazvučni senzori
udaljenosti
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 30/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 30
Laserski senzori udaljenosti
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 31/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 31
Laserski senzori udaljenosti
• Mjeri se fazni pomak (tehnički najjednostavniji), vrijeme putovanja, razlikafrekvencija
• Mehanički mehanizam s zakretnim zrcalom
2D ili 3D mjerenja
Phase Measurement
Target
D
L
Transmitter
Transmitted Beam
Reflected Beam
P
λ π
θ
22 +=+=′ L D L Dλ = c/f θ
π
λ
4= D
θ
L ki i
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 32/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 32
• Odlike: Visoka sjajnost, mala širina zrake, velikaspektralna razlučivost
• Preciznost:
Glavni izvor pogreške je slabljenje povratnog signala sudaljenosti i s upadnim kutom. U nekim laserskimsenzorima provodi se kompenzacija.
KarakteristikeLaserski senzori
udaljenosti
L ki i
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 33/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 33
• Efekt pomiješanih piksela:Zbog konačne širine zrake može nastupiti netočnostmjerenja udaljenosti na rubovima, što ovisi o relativnojudaljenosti (r2-r1), trenutačnom vidnom polju, refleksijskimsvojstvima površina prepreka.
Problem se može djelomično samo riješiti primjenommedijan filtra.
KarakteristikeLaserski senzori
udaljenosti
L ki i
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 34/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 34
Laserski senzori
udaljenosti
• Utjecaj okolišnih uvjeta na ponovljivost mjerenjaudaljenosti:
• Spekularne refleksije:
Karakteristike
voda, led, ...
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 35/36
Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 35
Ostali percepcijski
senzori
• Radari:mapiranje prostora s niskom rezolucijom, izbjegavanje prepreka, aktivni orijentiri u prostoru.Problemi:
• velika širina zrake - slično kao kod sonara,• apsorpcija signala
• IR senzori: Infracrveno zračenje.Za izbjegavanje vrlo bliskih prepreka (do 0.5 m)Problem: osjetljivi na dnevnu svjetlost.
Radari i IR senzori
Ostali percepcijski
8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12
http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 36/36
A t k © I P t ić S id ž 36
Ostali percepcijski
senzori
• Pri izboru kamere važne su sljedeće specifikacije:Analogna / digitalna kameraKutna rezolucija (retci i stupci)Brzina procesiranja u pikselima/okvirimaKolor / crno-bijela kamera
• Leća kamere obično je zaseban modul. Važnespecifikacije leće su:Žarišna udaljenost (određuje širinu vidnog polja)Fokusiranje ručno/automatskiDistorzija leće i kako je korigirati.
• Pri primjeni kamera za robotski vid koriste sealgoritmi računalnog vida => posebno predavanje.
CCD kamere