mgr inĪ. Tomasz WiĊk
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Politechnika Krakowska
LASEROWY SYSTEM NAWIGACJI PLATFORMY MOBILNEJ
NA PRZYKàADZIE SKANERA NAV300
Laserowy system nawigacji NAV300 jest najnowszym i najbardziej zaawansowanym technicznie urządzeniem nawigacyjnym przeznaczonym do pojazdów AGV. W pracy przedstawiono problematykĊ związaną z implementacją tego urządzenia w prototypie platformy mobilnej do zadaĔ transportowych budowanym w Zakáadzie Zautomatyzowanych Systemów Produkcyjnych.
AGV LASER NAVIGATION SYSTEM BASED ON NAV300
Laser NAV300 navigation system is the newest and most advanced navigation device designed for an AGV. The paper presents problems connected with the implementation of this equipment in a prototype mobile platform built for transportation purposes in the Department of Automated Production Systems.
1. WSTĉP
Prace rozwojowe nad automatycznie sterowanymi pojazdami AGV (ang. Automated Guide Vehicle) prowadzone są juĪ od kilkudziesi Ċciu lat. Od sam ego początku jednym z kluczowych problem ów, który nale Īaáo rozwi ązaü by áo prowadzenie pojazdu wzd áuĪ zaplanowanej trasy oraz okre Ğlanie jego po áoĪenia. Oba te zagadnienia m oĪna wspólnie nazwa ü nawigacj ą. Zgodnie z definicj ą sáownikową nawigacja jest to dziaá nauki obejmuj ący: prowadzenie statku wodnego lub lataj ącego po wytyczonej tras ie, o kreĞlanie jego pozycji oraz wyboru kursu [1]. Co prawda w de finicji nie znajdujemy inform acji o nawigowaniu pojazdów l ądowych, jednak wydaje si Ċ oczy wiste, Īe ich ona równie Ī dotyczy, zw áaszcza w dzisiejszych czasach, w dobie GPS i powszechnego
zainteresowania robotam i mobilnym i (np. pr ojekt „Urban Challenge” organizowany i sponsorowany przez DARPA [8]). Problem atyka związana z okreĞlaniem poáoĪenia i jest równieĪ jednym z podstawowych zada Ĕ do rozwiązania w prowadzonych w Zakáadzie Zautomatyzowanych Systemów Produkcyjnych na Politechniki Krakowskiej pracach badawczych nad autonom icznymi platformami mobilnymi do celów transportu wewnątrzzakáadowego [2í5].
2. NAWIGACJIA MOBILNYCH PLATFORM TRANSPORTOWYCH
Od pocz ątku prac nad robotam i mobilnym i oraz platform ami transportowym i powsta áo w iele róĪnych metod ich nawigacji. Niektóre z tych m etod zostaáy opracowane specjalnie dla nich, a inne zostaáy zap oĪyczone i dostosowane z innych dziedzin techniki. Ka Īda z metod bazuje na wykorzystaniu specyficznego zjawiska fizycznego. Z punktu widzenia platform mobilnych metody nawigacji moĪna podzieliü na dwie podstawowe grupy.
Do pierwszej z nich zalicza ü si Ċ bĊdą sposoby nawigacji bazuj ące na istnien iu fizycznej ĞcieĪki, umieszczonej pod powierzchnią lub na powierzchni podáoĪa, wzdáuĪ której ma poruszaü siĊ pojazd, np. nawigacja indukcyjna, m agnetyczna czy optyczna. Metody nawigacyjne z tej grupy mają jedn ą wspóln ą wad Ċ, która w aspekcie wym agaĔ stawianych nowoczesnym, rekonfigurowalnym system om pr odukcyjnym, znacznie ogranicza ich stosowanie z powodu káopotliwej i czasoch áonnej procedury m odyfikacji ĞcieĪki. Ka Īda zm iana ĞcieĪki wi ąĪe si Ċ fizycznym usuniĊciem poprzedniego odcinka i zastąpienia go nowym, co znacząco wpáywa na czas przystosowania systemu transportowego do nowych zadaĔ.
W drugiej grupie znajd ą si Ċ wszystkie m etody nawigacji, które nie wym agają istnien ia fizycznej ĞcieĪki transp ortowej. Po zwalają one na przem ieszczanie s iĊ pojazdu wzd áuĪ dowolnej trasy, której reprezentacja istnieje w pamiĊci ukáadu sterownia pojazdu. Do tej grupy zaliczaj ą siĊ metody: odom etryczna, inercyjna oraz bazuj ące na zasad zie dzia áania radaru (RADAR í ang. RAdio Detection And Ranging lub LIDAR í ang. LIght Detection And Ranging).
Wirtualna trasa m oĪe by ü w bardzo prosty i szybk i sposób m odyfikowana w celu dostosowania jej do nowych wymagaĔ produkcyjnych lub teĪ w celu ominiĊcia przeszkód aktualnie na niej znajduj ących s iĊ. Spo Ğród m etod nale Īących do tej grupy najlepsze param etry zapewnia system nawigacji laserowej, gdy Ī jako jedyny pozwala na okre Ğlenie pozycji i o rientacji z wyso ką oraz staáą dokáadnoĞcią. W nawigacji inercyjnej i odometrycznej báąd okreĞlenia pozycji i orientacji roĞnie ze wzrostem przebytej drogi. W celu utrzym ywania go na akceptowalnym poziom ie wymagane jest okresowe korygowanie pozycji wyliczanej w stosunku do pozycji rzeczywistej.
Metoda nawigacji laserowej jest najlepsza z dost Ċpnych obecnie m etod nawigacji dedykowanych dla robotyki m obilnej. Z tego powodu w áaĞnie ta m etoda zosta áa zastosowana w budowanym w Zakáadzie Z automatyzowanych System ów Produkcyjnych prototypie autonomicznej platformy transportowej [4].
3. LASEROWY SYSTEM NAWIGACJI W PROTOTYPIE AUTONOMICZNEJ PLATFORMY TRANSPORTOWEJ
Na chwil Ċ obecn ą is tnieją tylko dwa przem ysáowe systemy nawigacji laserowej dedykowane do pojazdów AGV (przedstawione na rysunku rys. 1), s ą to NAV200 oraz jego nowsza wersja NAV300 produkowane przez firmĊ SICK.
Rys. 1. Laserowy system nawigacji NAV200 i NAV300
Zasada dziaáania obu urz ądzeĔ nawigacyjnych, bazuj ąca na pom iarze odlegáoĞci miĊdzy wirująca gáowicą pom iarową a specjalny mi znacznikam i um ieszczonymi na obwodzie p áaszczyzny wyznaczonej przez wirującą wiązkĊ pomiarową, przedstawiona zostaáa na rys. 2 [6].
Pomiary dokonywane s ą we wspó árzĊdnych biegunowych z zaprogram owaną rozdzielczoĞcią kątową. Do pomiaru kąta zastosowano enkoder obrotowy o rozdzielczo Ğci 0,0625º (5760 imp). Na etapie konfiguracji urz ądzenia moĪliwe jest ustawienie rozdzielczoĞci pomiarowej jako wielokrotnoĞci podwojonej rozdzielczoĞci podstawowej zastosowanego enkodera, np. 0,125º, 0,25º, 0,375º, … Pom iar odleg áoĞci dokonywany jest na podstawie pom iaru czasu propagacji modulowanego im pulsu Ğwiatáa laserowego m iĊdzy g áowicą urz ądzenia, a elementami otoczenia. Urządzenie jest w stanie rozró Īniü m aksymalnie 32 znaczniki w jednym cyklu pom iarowym, a informacja o ich poáoĪeniu udostĊpniana jest przez interfejs RDI (ang. Reflektor Data Interface).
Rys. 2. Zasada dziaáania nawigacji laserowej
W skanerze nawigacyjnym NAV300 w stosunku do jego poprzednika NAV200 nast ąpiáa zasadnicza zm iana idei dzia áania. Skaner NAV200 pozwala na uzyskanie inform acji o poáoĪeniu i orientacji pojazdu we wspóárzĊdnych globalnych. Jest to mo Īliwe po uprzednim zapisaniu w jego pamiĊci rzeczywistego po áoĪenia wszystkich znaczników. Skaner NAV300 natom iast dokonuje pomiaru poáoĪenia znaczników w jego uk áadzie lokalnym, a zadanie wyliczenia pozycji w ukáadzie globalnym spoczywa na komputerowym ukáadzie sterowania.
Rys. 3. Widok pojedynczego cyklu pomiarowego skanera NAV300
Pozornie takie ro związanie mo Īe wydawa ü si Ċ bardziej k áopotliwe, jednak po g áĊbszej analizie okazuje siĊ, ze zap ewnia znacznie wiĊkszą funkcjonalnoĞü. DziĊki moĪliwoĞci pomiaru odlegáoĞci do elem entów otoczenia, m oĪliwa jest im plementacja, w kom puterowym uk áadzie sterowania, funkcji pozwalaj ących na budowanie m apy lub poruszania si Ċ pojazdu w Ğrodowisku, w którym
niemoĪliwe jest umieszczenie znaczników, np. podczas au tomatycznego zaáadunku lub rozáadunku naczepy ciĊĪarówki, co jest uwidocznione na rys. 4.
Rys. 4. Przykáad zastosowania systemu NAV300 [6]
MoĪliwoĞü dok áadnego odwzorowania przestrzeni pracy jest szczególnie istotna w kontek Ğcie doboru w áaĞciwych warunków pocz ątkowych w m odelu symulacyjnym, który b Ċdzie niezb Ċdny do opracowania poprawnego algorytmu sterującego platformą transportową [2].
Do poprawnej i stabilnej pracy system u na wigacji laserowej, bazuj ącym na skanerze NAV300, wym agany jest odpo wiedni dob ór i rozm ieszczenie znaczników. W ykrywanie znaczników odbywa si Ċ na podstawie pom iaru nat ĊĪenia Ğwiatáa odbitego od obiektu. Je Īeli natĊĪenie jest wi Ċksze ni Ī zaprogram owana warto Ğü graniczna, sk aner in terpretuje ten fakt jako odbicie od znacznika i w sposób precyzyjny dokonuje pomiaru jego poáoĪenia. W innym przypadku mamy do czynienia z odbiciem od elem entu otoczenia. W aĪne jest wi Ċc, aby stosowane znacznik i byáy wykonane z odpowiedniego m ateriaáu, takiego który charakteryzuje si Ċ m inimalnym rozpraszaniem oraz bardzo wysokim stopniem odbijania Ğwiatáą w kierunku jego Ĩródáa. Mo gą to byü ma teriaáy odblaskowe bazuj ące zarówno na m ikropryzmatach, które s ą pol ecane przez producenta skanera jak i tzw. szklanych kropelkach (rys. 5). Z przeprowadzonych wstĊpnych testów wynika, Īe te pierwsze m ają lepsze param etry, gdy Ī wykazuj ą m niejszy stop ieĔ rozpraszan ia, co powoduje, Īe wiĊksza czeĞü energii impulsu wraca do detektora urządzenia.
Rys. 5. Folie odblaskowe – na bazie: szklanych kropel (lewa), mikropryzmatów (prawa)
Oprócz rodzaju powierzchni znaczn ika bardzo wa Īny jest te Ī jego rozm iar oraz kszta át. Rozmiar znacznika naleĪy rozumieü jako jego szeroko Ğü i wysokoĞü. Oba te wymiary s ą powiązane z torem pomiarowym skanera oraz m aksymalną odleg áoĞcią, z której m a by ü dokonywany pom iar. Pierwszym krokiem , który nale Īy wykona ü, jest przeanalizowanie warunków technicznych przestrzeni pracy platform y mobilne w celu okre Ğlenia m aksymalnej odleg áoĞci pom iarowej.
W pracach nad proto typem autonomicznej platfor my trans portowej (ry s. 6) przy jĊto m aksymalną odlegáoĞü wynoszącą 30 m.
Rys. 6. Wizualizacja prototypu platformy mobilnej wyposaĪonej z skaner NAV300
Kolejnym czynnikiem wp áywającym na rozm iar znaczników jest roz bieĪnoĞü wi ązki pomiarowej emitowanej przez obrotow ą gáowice urz ądzenia. W edáug infor macji podanych przez producenta wynosi ona 5 mrad. ĝrednicĊ wi ązki pom iarowej dla danej odleg áoĞci uwzgl Ċdniającą niedokáadnoĞci uk áadu optycznego przedstawia poni Īsza zale ĪnoĞü (1). W ynika z niej, Īe na odlegáoĞci 30 m wiązka pomiarowa ma ĞrednicĊ ok. 170 mm.
Ğrednica wiązki = odlegáoĞü × 5 mrad + 20 mm (1) Ostatnim czynnikiem wp áywającym na rozm iar znacznika, który nale Īy uwzgl Ċdniü przy prawidáowo projektowanym systemie nawigacji laserowej jest k ątowa rozdzielczo Ğü pom iarowa. Musi ona b yü tak dobrana, aby nie dosz áo do s ytuacji, w której znaczn ik znajdzie siĊ w m artwej strefie pom iarowej, czy li w p rzestrzeni m iĊdzy kolejnym i punktam i pom iarowymi. Na rys. 7 zilustrowano ten problem , gdzie kolorem czerwonym zaznaczono obiekt, któ ry nie zostanie wykryty w aktualnym cyklu pom iarowym. M oĪliwe jes t jego wykry cie p rzy in nym po áoĪeniu skanera nawigacyjnego (przejazd platform y transportowej) lub innym po áoĪeniu obiektu, w przypadku gdy jest on w ruchu.
Dla zakáadanej w projekcie odleg áoĞci 30 m i r ozdzielczoĞci wynoszącej 0,125º, odleg áoĞü miĊdzy kolejnymi pomiarami wynosi ok. 65,45 mm. Aby mieü pewnoĞü Īe znacznik zawsze bĊdzie rozpoznany z m aksymalnym moĪliwym natĊĪeniem Ğwiatáa odbitego jego szeroko Ğü powinna by ü nie mniejsza niĪ suma odlegáoĞci miĊdzy punktami pomiarowymi i Ğrednicy wiązki przy zakáadanej odlegáoĞci. W rozpatrywanym przypadku szeroko Ğü ta wynosi ok. 235 mm. Wysoko Ğü znacznika uzaleĪniona jest od Ğrednicy wiązki pomiarowej, nierównoĞci podáoĪa, po którym przemieszcza siĊ platforma transportowa oraz wysokoĞci i sztywnoĞci zamocowania skanera.
Rys. 7. NieciągáoĞü pomiaru kątowego
Ksztaát znaczników mo Īe przyb ieraü jedn ą z dwóch form. Mog ą one by ü w postaci p áaskiego arkusza folii odblaskow ej lub w postaci cylindrycznej. Znaczniki cylindryczne s ą korzystn iejsze gdyĪ eliminują problem zwi ązany ze zm ianą wspóáczynnika odbijania Ğwiatáa przy duĪych kątach padania wi ązki pom iarowej. Przy ich wyborze nale Īy poda ü Ğrednice cylindra w odpowiedni m parametrze konfiguracyjnym. Jest to niezbĊdne do prawidáowego okreĞlenia Ğrodka znacznika. 4. KONCEPCJA ALGORYTMU OKREĝLANIA POZYCJI POJAZDU
WE WSPÓàRZĉDNYCH GLOBALNEGO UKàADU NA PODSTAWIE POMIARÓW ZE SKANERA NAV300
Laserowy system nawigacji NAV300 dzi Ċki swojej uniwersalno Ğci pozwala na wyznaczenie aktualnego poáoĪenia platformy mobilnej na dwa odmienne sposoby.
Pierwszy z nich bazuje na system ie znaczników odblaskowych umieszczonych na obwodzie przestrzeni roboczej. Skaner, po kaĪdym cyklu pomiarowym, przekazuje do komputerowego ukáadu sterowania inform acje o liczb ie ro zpoznanych znacznikó w oraz ich wspó árzĊdnych w ukáadzie lokalnym. Na podstaw ie tych danych specjalny algorytm zaim plementowany w komputerowym ukáadzie sterowania dokonuje niezb Ċdnych obliczeĔ w celu wyznaczenia rzeczywistego po áoĪenia pojazdu.
W drugim sposobie nawigacji nie wystĊpują znaczniki odblaskowe, dokonywane s ą jedynie pomiary odleg áoĞci m iedzy skanerem NAV300 a elem entami otoczenia. Do jednostki cen tralnej przekazywana jest tablica pom iarów, gdzie ka Īdy elem ent tab licy przedstawia warto Ğü pom iaru odlegáoĞci dla kolejnego po áoĪenia k ątowego g áowicy pom iarowej. Rozm iar tablicy zale Īny jest rozdzielczoĞci kątowej: przy rozdzielczoĞci 0,125º tablica zawiera 2880 pomiarów odlegáoĞci. W tej metodzie zadanie wyznaczenia poáoĪenia platformy transportowej moĪe byü dokonywane w sposób programowy poprzez zawansowane algorytm y sam olokalizacji i budow ania m apy otoczenia tzw. SLAM – Self Localization And Mapping [7].
WaĪną cech ą urz ądzenia nawigacyjnego N AV300 jest m oĪliwoĞü równoczesnej i niezaleĪnej pracy obu przedstawionych sposobów nawigacji. Na aktualnym etapie prac nad prototypem platform y transportowej zdecydowano si Ċ na zastosowanie jako pierw szej, m etody bazującej na znacznikach. Metoda bez znaczników bĊdzie weryfikowana w nastĊpnej kolejnoĞci.
Metoda bazuj ąca na znacznikach pozwala na bardzo szybkie i precyzyjne ok reĞlenie poáoĪenia oraz orientacji pojazdu. Mo Īliwe jest to przy za áoĪeniu, Īe w danej chwili widoczne s ą co najmniej trzy znaczniki, co oznacza, Īe znane jest ich po áoĪenie w uk áadzie lokalnym oraz znaczniki mają ustalone poáoĪenie w ukáadzie globalnym.
Rys. 8. Przykáadowe zadanie transportowe
W rzeczywistych waru nkach pracy platformy zdarza ü si Ċ bĊdą sytuacje, w których cz ĊĞü znaczników bĊdzie przesáaniana przez elem enty wyposaĪenia hali produkcyjnej, inne pojazdy lub pracowników. Dodatkowo istnieje problem zwi ązany z ustaleniem po áoĪenia pocz ątkowego w momencie uruchom ienia systemu. Algorytm wyznaczania rzeczywistej pozycji p latformy powinien rozwiązywaü te problem y oraz by ü niewraĪliwy na chwilowe zaniki widoczno Ğci czĊĞci znaczników. Po wst Ċpnej analizie sposobu rozwi ązania problemu zaproponowano algorytm , który zostanie poddany weryfikacji do Ğwiadczalnej na proto typie platformy. Do jego przedstawienia posáuĪono si Ċ rys. 8. P rzedstawiono na nim platform Ċ mobiln ą realizu jącą zadan ie transpo rtowe miedzy dwoma punktami trasy poruszając siĊ po wyznaczonej ĞcieĪce. Ukáad globalny zaznaczono na zielono, a lokalny, związany z platformą na czerwono. Znaczniki odblaskowe oznaczono kolejno Z1, Z2...Z6. Rysunek przedstawia mom ent, w którym jeden ze znaczników jest zas áoniĊty przez przeszkodĊ.
Zaproponowany algorytm bĊdzie realizowaá trzy nastĊpujące zadania: 1. Wybór znaczników
SpoĞród wszystkich dost Ċpnych w danej chwili znacznikó w wybierane s ą trzy o najwyĪszych mocach sy gnaáu odbitego. Podej Ğcie takie m a za zadanie wyklu czyü problem zwi ązany z nieciągáoĞcią pomiaru kątowego, który zostaá przedstawiony w rozdziale 3.
2. OkreĞlenie pozycji globalnej wybranych znaczników
Na podstawie uzyskanych inform acji o po áoĪeniu wzgl Ċdem siebie wybranych znacznik ów nastąpi ich identyfikacja i zostan ą im przypisane wspó árzĊdne globalne przechowywane w lokalnej bazie danych. Pojazdy, za po Ğrednictwem swoich agen tów transpo rtowych, b Ċdą mogáy wymieniaü si Ċ informacjami o po áoĪeniach znaczników w celu aktualizacji swoich baz [3].
3. Wyznaczenie poáoĪenia i orientacji platformy
Mając informacje o lokalnym i globalnym poáoĪeniu znaczników wyznaczenie pozycji platformy nie stanowi juĪ Īadnego problemu i sprowadza siĊ do prostego przeliczenia wspóárzĊdnych.
Z1 Z2 Z3 AGV Z4 Z5 Punkt początkowy Punkt koĔcowy Przeszkoda yg xg yl xl Z6
4. PODSUMOWANIE
W pracy przedstawion o zagadnienia zwi ązane z prob lematyką prawid áowej konfiguracji oraz budowy laserowego system u na wigacji platform m obilnych wykorzystuj ących urz ądzenie NAV300. Przedstawiono równie Ī koncepcj Ċ algorytm u wyznaczaj ącego rzeczyw iste po áoĪenia platformy. Z przeprowadzonych dotychczas prób i testów wynika, Īe zastosowany laserowy system pozycjonowania daje du Īe m oĪliwoĞci precyzyjnego okre Ğlania lokalizacji tego typu pojazd ów. Dodatkowo dzi Ċki mo ĪliwoĞci dokonywania pom iaru przestrzeni otaczaj ącej platfor mĊ transportową znacz ąco u áatwi rozwi ązywanie problem ów powsta áych w przypadku wyst ąpienia niespodziewanych przeszkód na trasie przejazdu. Ponadto, stwarza warunki do rozwoju algorytmów samolokalizacji oraz budowy m apy Ğrodowiska pracy, co niew ątpliwie zostanie wykorzystane w dalszych pracach.
BIBLIOGRAFIA
1. Kopali Ĕski W.: Sáownik wyrazów obcych i zwrotów obcojĊzycznych. Wydawnictwo Muza S.A. 2003.
2. Ma áopolski W .: Metoda wyznaczania do wolnych tras przejazdu obiektó w system u transportowego w Ğrodowisku symulacyjnym Arena. Pomiary Autom atyka Robotyka, Nr 2, 2011.
3. Zając J., Chwajoá G.: Koncepcja integracji rozproszonego systemu sterowania produkcją AIM
z podsystemem transportu miĊdzyoperacyjnego zbudowanym z autonomicznych robotów mobilnych. Pomiary Automatyka Robotyka, Nr 2, 2011.
4. Zaj ąc J., Krupa K., S áota A., WiĊk T.: Konstrukcja i uk áad sterowania autonomicznej platformy mobilnej. Pomiary Automatyka Robotyka, Nr 2, 2011.
5. Zaj ąc J, S áota A., Chwajo á G.: Distributed Manufacturing Control: Models and Software Implementations. Management and Production Engineering Review, Vol. 1., No. 1., May 2010, s. 38í56.
6. Dokumentacja techniczna skanera NAV300,
http://www.robotsinsearch.com/file/SICK/NAV300-2232/operatingInstructions.pdf
7. Strona gáówna projektu OpenSLAM, http://www.openslam.org/
