Как реализовать систему навигации мобильного робота?

Question

[artyom_n]

Есть мобильный робот, который напичкан всевозможными датчиками. Он перемещается внутри пустого поля с размерами 3 на 3 м.
Как сделать так, чтобы робот перемещался в заданную мной точку поля?
А если я его перенесу руками, то робот должен вернуться обратно в заданную мной точку.

А если роботов будет 10?

Answer 1

[Виталий Инчин ☢]

Ему нужно знать текущую координату, можно поставить в каждом углу поля какие-то датчики или т.п, на которые он будет ориентироваться (т.е, север, юг, запад, восток).

Comments

[artyom_n]

А можно поконкретней, что это за датчики?

[Виталий Инчин ☢]

artyom_n: откуда же мне знать - это у вас там робот и всякие примочки. В общем, в теории это предметы, на которые среагируют его "всевозможные датчикаи" и на каждый по разному.

[artyom_n]

Робот – представляет собой колесную платформу с Arduino Mega на борту. Микроконтроллеру доступны следующие датчики:
1. Гироскоп (GY-80)
2. Акселерометр (GY-80)
3. Компас (GY-80)
4. Датчик пройденного расстояния (Опто-пара на каждой гусенице)
5. Два ультразвуковой дальномера HC-SR04 (спереди и сзади робота)
6. Bluetooth модуль

[artyom_n]

Конструкция робота и стола может быть модифицирована.
Можно сделать всё что угодно, здесь полный полет фантазии.

Сейчас у робота дальномеры статичны, и находятся спереди и сзади робота.

[Виталий Инчин ☢]

artyom_n: В общем, если довать полю стены и использовать компас+дальномер, можно легко узнать координату. Вот только дальномеры должны быть справа и спереди...в общем, не на 1 плоскости.

[artyom_n]

Да, на счет поля. Поле имеет стены, высоту стен можно регулировать.

Вы предлагаете не модифицировать робота, а перейти к модификации поля?

Забыл ещё сказать, что на поле одновременно может быть до 10 таких роботов.

А в такой случае как быть?

[Виталий Инчин ☢]

artyom_n: добавить*

[Дмитрий Макаров]

Когда определяешь координаты по пройденному расстоянию, то ошибка накапливается. Нужно время от времени заново калиброваться, позиционируясь другими способами.

[Виталий Инчин ☢]

artyom_n: тогда расположите дальномеры выше (каждому роботу на разной высоте, чтобы не пересекались), либо организуйте общение между роботами, чтобы они делились своими координатами в момент, когда перекрывают друг-другу дальномер или делайте что-то вроде того, как Дмитрий Макаров говорит.

[artyom_n]

То есть в любом случае, одна система навигации не поможет, нужно именно комплексное решение, например QR код и Ультразвуковые излучатели.

Возникает вопрос синхронизации :)

[Виталий Инчин ☢]

Дмитрий Макаров: да по пройденному и не нужно - достаточно определять расстояние до северной и западной стен, в этом поможет дальномер и компас. Но тут 1 загвоздка - нужно или постоянно вертеть робота, или поставить датчики со всех 4 сторон.

[artyom_n]

Дальномер не сможет узнать расстояние до объекта, если на поле будет более одного робота. Роботы будут засвечивать друг друга. Какие идеи есть по этому поводу?

[Виталий Инчин ☢]

artyom_n: выше написал, не заметили.

[artyom_n]

Виталий Инчин: А что Вы считаете на счет использования компьютерного зрения? Если над полем поместить камеру и пакет компьютерного зрения?

[Виталий Инчин ☢]

artyom_n: неплохой вариант, но опять же, нужно как-то организовать получение роботами данных с камеры.

[Виталий Инчин ☢]

artyom_n: Кстати, интересно, сколько точек в пространстве занимает сам робот? И на какой из них он фактически находится.

[artyom_n]

Виталий Инчин: Робот размером 20х20х10 см.

[Виталий Инчин ☢]

artyom_n: а текущая его координата - крайняя точка спереди или по центру?
В общем, я к тому, что нужно будет не забывать брать его размеры в расчет!

[artyom_n]

Текущая координата - середина робота. Спасибо за идеи.
Всегда рад услышать новые идеи и подходы для решения этой задачи!

Answer 2

[Дмитрий Макаров]

Так или иначе роботу нужно выделить особенности его конкретного местоположения и связать их с координатами. Для этого нужна дополнительная информация о поле.
Дополнительная информация закладывается либо с существующего поля ("забор", "столбы", "маяки", рисунок на поле или заборе),
либо создается дополнительно специально (особый рисунок на поле или заборе, активные ультразвуковые маяки, некое интерференционное ультразвуковое поле особое к каждой точке).

Вообще, исторические и бытовые методы геопозиционирования кладезь идей для вашего вопроса. =)

Comments

[artyom_n]

Робот настольный.
Вернее даже так, его рабочая зона – представляет собой плоский стол, имеющий бортики по периметру, ограничивающая передвижения робота за рабочую зону.
Робот может перемещаться в любом направлении по рабочей зоне. Поле имеет размеры изменяемые размеры от 1 на 1 метр до 5 на 5 метров.

Добавив конкретики к вопросу, может быть у Вас появились новые идеи?

[Дмитрий Макаров]

на столе рисовать можно? свои конструкции на углах и бортиках можно?

[artyom_n]

Конструкция робота и стола может быть модифицирована.
Основным остается вопрос, что модифицировать ? :)

[Дмитрий Макаров]

В трех углах ставим ультразвуковые излучатели, каждый со своей частотой. Каждую секунду излучатели делают "пик". Робот слушает излучатели из измеряет время приема каждого "пика". Зная разницу между первым и вторым "пиком" и вторым и третьим "пиком", зная координаты излучателей, зная скорость распространения звука, можно найти координаты робота. Скорость звука меняется в зависимости от температуры и давления. Перед началом работы установить робота в известное место и нажать кнопку "калибровать".

Просто два ультразвуковых маяка по углам. Робот меряет направления на маяки, зная их координаты, вычисляет свое местоположение.

На поле на каждом квадратном сантиметре нарисовать QR-код с его координатами. =)

[Дмитрий Макаров]

Во втором случае лучше не два, а три маяка. Иначе нужно знать еще одно выделенное направление. На север, например, ну или как раз на еще один маяк.

[artyom_n]

А если на поле будет не один робот, а например максимально возможное количество: 10? Какие есть идеи по этому поводу?

[Дмитрий Макаров]

Мои три метода будут работать независимо от количества роботов. Максимум что, затенять будут роботы друг друга. Но можно маяки сделать повыше.

[artyom_n]

Дмитрий, уделите пожалуйста, ещё минутку внимания.

Расскажите поподробней про два ультразвуковых маяка по углам. Немного поподробней, как Вы видите этот механизм работы.

[Дмитрий Макаров]

Чтобы определить координаты, нужно знать три направления: на север и на два маяка или на три маяка. Только два направления не хватает: насколько помню из школы - мы так не точку получим, а окружность.....линию в общем.

Теперь надо понять как мерить направление. Проще всего тут сканирование. На голове робота ставим вращающийся ультразвуковой приемник и непрерывно измеряем уровень сигнала. Кроме того, мы должны знать момент времени t0, когда сонар проходит некоторое выделенное направление (например смотрит вперед робота) это чтобы нулевой угол знать. Если построить график сигнала - будут три явных пика в определенные моменты времени относительно t0. Зная скорость вращения сонара, мы узнаем углы. Зная углы - получим координаты.

[Дмитрий Макаров]

Бонусом получим ориентацию робота. Куда у него морда смотрит.

[Дмитрий Макаров]

Но мой первый способ дешевле и проще. На одном роботе достаточно одного неподвижного ультразвукового приемника и вычислителя. Во втором способе нужна вращающаяся система и лучше два сонаправленных приемника - так пики острее будут (при правильной обработке) и соответственно точно позиционирования выше.

[artyom_n]

Дмитрий Макаров: Вариант имеет место быть. Буду рад услышать ещё идеи :)

[Дмитрий Макаров]

Можно по принципу емкостного мультитач-экрана сделать. Под полем располагаются пластинки конденсаторов. Соединенные матрицей. Постоянно сканируется изменения емкости каждой ячейки. Если над ячейкой робот - емкость ячейки будет отличаться. Можно посредством емкостной связи роботу его координаты передать.

[artyom_n]

Дмитрий Макаров: А мультитач будет работать при 10 прикосновениях одновременно?

[Дмитрий Макаров]

будет. Это вопрос ПО, а не аппаратуры, насколько я понимаю...

[Макс]

Дмитрий Макаров: artyom_n: ну кстати тут можно много вариантов придумать. начиная от матрицы герконов в поле - и магнита на роботе, и заканчивая опять-же матрицей светодиодов в поле, свет на которые заслоняет робот. одно но - все эти варианты не различат роботов. т.е. как каждый из роботов поймет, что эти конкретные координаты - его? двигаться по очереди?

[Макс]

хотя можно брать ближайшие новые координаты. А после столкновения вводить разную задержку старта

Answer 3

[Виталий Пухов]

Если есть компас, на робот установить серву (360 градусов) подстраивать серву так, чтобы "столик" на серве смотрел всегда в 1 направлении. На "столике" разместить 2 или больше лазерных или еще каких дальномеров, которые будут измерять расстояние до стенок. Эти расстояния и будут ваши координаты.

Comments

[artyom_n]

Но для каждого поля разной размерность, необходимо будет снова калибровать систему. Даже в одном и том же помещении в разное время суток, нужно калибровать систему. А есть ли у Вас идеи "ленивой" системы. Частая калибровка - решение, но может быть у Вас есть идеи как его улучшить? Или есть идея совсем иного подхода?

[Виталий Пухов]

artyom_n: Не совсем, если использовать лазерные дальномеры (дорого, но можно самому сделать) то ничего вторично колибровать не нужно, главное чтобы стол стоял так же (одной стороной на север к примеру). Совсем иной это создать свой "миниgps", но не думаю что на таком растоянии это будет работать, такие решения обычно в десятках-сотнях метров измеряются (и то сложно заметить разницу в сигнале)

[Виталий Пухов]

artyom_n: как вариат можно попытаться сделать чтото вроде echo радио точек, то есть по углам nrf24l01 с МК, каждая "слушает" эфир и ждет echo запроса и ID, как только получила отвечает своим echo +IDточки+IDзапрашивающего. Тогда получится на 1 echo от машины придет 3-4 echo ответа от точек, тут замерить время отправки echo и время получения (длительность ожидания), по полученным данным можно делать триангуляцию. Опять же не уверен что это будет работать на таком растоянии (скорее всего будет работать метров от 50)

Answer 4

[Макс]

вклинюсь.
задача разделяется как минимум на 2 :
1. позиционирование.
2. построение маршрута.

первая - и самая сложная и самая интересная.
дабы не стереть пальцы в кровь отошлю Вас к неплохой статье тут.
по сути в указанных условиях нас устроит только система локального позиционирования - только они обеспечат необходимую точность. если ограничение на оборудование поля отсутствует (для себя, не для соревнований) - то imho эффективнее будет использовать неподвижные излучающие маяки поля и приемник(и) на роботе.
это как вариант с ультразвуком, который уже предлагали, так и вариант классического "маяка" - свет видимый/инфракрасный(плюс света - отсутствие зависимости от влажности/температуры). "маяки" разных цветов на углы поля. Ставите приемники с фильтрами по цвету на вращающуюся платформу/серву, Зная углы между полученными "отсчетами" от "маяков" вычислить координаты на поле несложно.

все хуже, если маяки ставить нельзя. Тут пожалуй только CV спасет. посмотрите пример с соревнований на ютьюб - поле, 2 робота, позиционирование в основном по CV.
2. построение маршрута - зная координаты стартовой точки и конечной точки вектор по 2-м токам.
наличие других роботов сути не меняет - разве что они могут начать загораживать друг-другу маяки (решается подъемом маяков) и начнут "толкаться" - ну для этого стоит учесть это при цикле движения.

Comments

[artyom_n]

Спасибо! Буду рад услышать идеи реализации этой задачки.

Answer 5

[Emil]

Предлагаю схему со своей системой маяков. Вдоль двух перпендикулярных стен проложить провода- антенны. На каждый провод свой генератор со своейчастотой. Двумя амплитудными детекторами определять наведенное напряжение в приемной антенне. По мощности каждой амплитуды высчитывать удаление.
Или решить обратную задачу. Камера сверху снимает всех роботов и передает ( ИК, радио, звук) пакет с координатами всех роботов.

Comments

[artyom_n]

Emil Вы не могли бы несколько детализировать описываемую систему? Можно добавить чуть-чуть конкретики.

[Emil]

Может быть совсем всё поздно, но попробую...
1) Как-то находил в советских радиолюб. журналах машинка которая не натыкалась в стены из-за проложенного вдоль стен провода. На проводе излучалась ЭМ-волна низкой частоты (могу соврать ~ 10 - 100 КГц) и нему же передавались команды. Причем управление действовало только внутри контура стен. Т.е. система радиомаяков - только маяк вся стена.
2) Камера с потолка снимает крыши роботов (у каждого на ней допустим номер). Передает в проц. который стоит стационарно, тот обсчитает координаты. Затем по радиоканалу передает данные. "Чувак с номером 1 - координаты 100, 200. Чувак с номером 2 - ....."

Answer 6

[ТыжСисАдмин]

Когда-то обсуждали такую задачу, единственное, принятое всеми участвующими, решение - "Придумать датчик запаха колбасы и в нужном месте класть кусок данного продукта питания" :)

Comments

[artyom_n]

На счет колбасы - хорошее решение, однако, это очень странный предмет. Если она есть, то её сразу нет. Робот просто не будет успевать на неё ориентироваться, по причине её скорого исчезновения.

[ТыжСисАдмин]

Согласен, но на какой-то выставке "Вау" эффект обеспечен :)

[Макс]

ну к слову датчик алкоголя существует штатный. так что навигация по рюмке с коньяком вполне реальна

Answer 7

[Marvelmind Robotics]

Высокоточная (+-2см) система навигации внутри помещений для автономных роботов и коптеров: marvelmind.com
Демо видео по вашей теме:
- https://youtu.be/TBTw1njQ7QY
- https://youtu.be/sqUcEjRizbc