PROGRAM Inovare - Proiect Robo-Mocs

Prezentarea generala a proiectului in format PDF

CUPRINS

ETAPA I

- 1 senzori tip sonar
- 2 echipamente de culegere informatii
- 3 echipamente de calcul
- 4 experimentari-testari-simulari

ETAPA a II-a

- 1.1 baza robotului
- 1.2 sistemul de telecomanda
- 1.3 senzorii pentru navigatia robotului
- 1.4 echipamentele pentru culegerea informatiilor
- 1.5 alimentarea cu energie a platformei
- 1.6 comunicatiile
- 1.7 calculatorul de bord
- 1.8 platforma software pentru modelul experimental
- 1.9 experimentari-testari-simulari

ETAPA a III-a

- 1 introducere
- 2 calculatorul de bord
- 3 controler Fuzzy, bazat pe comportamente pentru navigare autonoma
- 4 camera omnidirectionala ca instrument de baza in teleoperarea robotului
- - 4.1 desfasurarea(expandarea) imaginilor omnidirectionale
- - 4.2 sistemul de vedere omnidirectionala OMNI-VIN
- 5 telecomanda bazata pe imaginea transmisa de robot

ETAPA a IV-a

- 1 probleme generale privind realizarea protipului
- 2 elementele componente ale prototipului realizate in cadrul proiectului

Ca abordare noua bazata pe dezvoltarile de ultima ora din domeniu, proiectul va fi realizat intr-un concept larg utilizat in tarile dezvoltate, cel al utilizarii componentelor „din raft” sau „dual use”, prin canalizarea eforturilor proprii spre acele parti ale proiectului in care avem calificarea, experienta si forta de munca necesare. O parte dintre echipamentele de supraveghere care se monteaza pe robot sunt deja in curs de realizare in cadrul proiectului OPTELLA coordonat de S.C. IOR S.A.. Ca urmare a acestor considerente, pentru optimizarea unor solutii robuste si realiste fata de un set de cerinte ale beneficiarului, strategia tehnica de realizare a proiectului impune utilizarea predominanta a componentelor”din raft”. In principiu, ROBO-MOCS trebuie sa poata actiona in teren cu denivelari dar si sa poata intra in tuneluri, bunkere, canale cand este utilizat in localitati. Va fi un robot cu roti sau senile, ieftin, actionat de la distanta, cu un dispozitiv tip joystick, printr-o legatura de RF. Robotul este compus din sistemul de rulare, sistemul de comanda si sistemul de senzori. Pentru a-si indeplini misiunea ROBO-MOCS va avea urmatoarea componenta: Platforma de baza a robotului, constituita din mobilul propriu-zis, sasiu, roti sau senile de deplasare, motoare, senzori de pozitie, automatica de actionare si executie a comenzilor, baterii de alimentare; Echipamentul de calcul care asigura intreg managementul robotului; Software inteligent pentru navigatie si operare; Senzori pentru deplasare si detectare obstacole; Brat articulat pentru manevra sarcinii utile; Senzorii atasati robotului pentru a indeplini o misiune. Ne propunem sa concentram cercetarea pe patru aspecte principale: Echipamentul de calcul - creierul robotului; Software inteligent pentru managementul deplasarii si indeplinirii misiunii de catre robot; Echipamentul pentru telecomanda robotului si transmiterea informatiilor la operatorul uman; Realizarea unor senzori performanti care sa confere robotului calitatile de observare, cercetare si supraveghere video (posibil si audio) a unei zone ce prezinta pericol sau nu este accesibila omului. Printre senzorii si echipamentele ce se vor realiza vor fi ca o cerinta minima: Echipament de observare optica zi/noapte si in conditii de iluminare redusa;Camera termala pentru distante scurte; Iluminator laser de medie distanta; Echipament de detectare a aparatelor optice; Echipament de compresia imaginilor. modificat ddd lll sss

Descrierea echipamentelor:

Platforma de baza a robotului va fi compusa din elementele necesare deplasarii robotului, cele de sustinere a sarcinii utile pentru observare, alimentarea sistemului si mijloacele de comunicatie cu operatorul uman pentru comenzi si obtinerea de informatii. Caracteristicile esentiale ale platformei de baza sunt: - Dimensiuni: 500X400X300 mm; masa 12-15 kg; masa utila 10-12 kg;Tractiunea va putea fi cu roti sau senile si va fi aleasa la modelul experimental si in principiu va fi bazata pe 4 roti motrice.Rotile sau senilele vor fi actionate de 2 motoare de curent continuu care vor fi cuplate cu cutii de viteze variabile pentru un control mai eficient al puterii si cuplului motoarelor; Alimentare de la baterii de 12V sau 24V cu o putere de 200-250 W asigurand o misiune de 3-4 ore, cu o viteza de 1-1,5 km/ora si o panta maxima de 35-45%;

-Va avea in compunere un microcontroler care va furniza toate comenzile necesare deplasarii robotului, elaborate de computerul propriu sau cele primite de la operator, scop in care acesta va avea implementat un software adecvat care va face si monotorizarea senzorilor montati pe platforma precum accelerometre, inclinometre, senzori de temperatura si de curent; In baza va fi inclus si calculatorul de bord care va culege datele de la mediul de deplasare prin senzorii de proximitate, va receptiona instructiunile primite de la operator si in baza unui program bazat pe inteligenta artificiala va lua deciziile pe care microcontrolerul le va executa asigurand deplasarea robotului si culegerea datelor;

-Va avea in compunere un modem radio de preferinta in banda de 2,4 GHz, care va primi comenzile de la distanta si va transmite informatiile utile culese de robot si de asemenea in baza vor fi inclusi si senzorii de proximitate (sonar si IR) prin care sunt detectate obstacolele si cu ajutorul carora robotul va trebui sa rezolve problema spinoasa a evitarii acestora.
Echipamentele de culegerea informatiilor.
1. Echipament de observare optica zi/noapte si in conditii scazute de iluminare.
  
  Caracteristici principale: Sensibilitate ridicata - Color: 0.8 lx (F1.4, 50IRE) / A/N (Mod Zi/Noapte): 0.07 lx (F1.4, 50IRE); 480 linii orizontale; Iesire video PAL; Sistem de ZOOM motorizat pentru control de la distanta; Compensarea iluminarii (selectabila): Interfata RS-485 pentru control si transmitere la distanta; Rezolutie 752x582; Alimentare duala 12V sau 24 V pentru o mai mare compatibilitate.
2. Camera termala pentru distante scurte;
  
  Caracteristici:Microbolometru fara racire cu rezolutie de 320x240; Unghiul de observare 7x5 grade (HXV); Rezolutie spatiala 0,4 mrad; ZOOM electronic 2x; Incalzitor automat; Iesire video PAL;Tensiunea de alimentare 14-32 V; Puterea consumata 8W; Temperatura de operare -32/+550 C; Control si transmitere la distanta prin interfata RS232; Distanta detectie persoana 1,6 km; Distanta de detectie a obiectelor 4,4 km.
3. Iluminator laser de medie distanta VIS – (ג= 635nm) si IR – (ג= 830nm), ILIR- cu urmatoarele caracteristici principale: distanta de actiune in VIS - nu mai mica de 25m; distanta de actiune in IR - nu mai mica de 20m; puterea comsumata – nu mai mare de 150mW din baterie de 6V.
4. Echipament de detectare aparate optice de supraveghere.-DECT-400;
  
  Detectia aparatelor optice este o problema de mare necesitate cu multiple aplicatii civile si militare. Pe cat este de utila pe atat este de complicata realizarea, deoarece are la baza un efect optic cunoscut al „ochiului de pisica” dar greu de pus in evidenta, la distante mari 400-500m. In domeniu sunt totusi realizari remarcabile atat in vest cat si in est, rusii fiind mari specialisti. Echipamentul va fi destinat pentru: protectia persoanelor VIP; descoperirea tragatorilor; descoperirea aparatelor optice de supraveghere, in incaperi sau afara; descoperirea paparazilor; asigurarea protectiei obiectivelor importante; in activitati antiteroriste. Cateva caracteristici de baza ale aparatului-DECT-400: reflexia radiatiei laser, (R= 0,1…0,25) la suprafata obiectivelor optice, cu λ = 905nm; distanta de descoperire a tragatorilor de elita – nu mai mica de 200 m; camp de vedere: 4x3grade; distanta minima de actiune -1m; Iesire video; autonomia de functionare -1,5ore; masa nu mai mare de 1,5Kg.
5. Echipament de compresia imaginilor;
  
  Echipamentul va prelua semnalul video de la camera de supraveghere, il va transforma in semnal digital si il va comprima folosind un algoritm standard de compresie sau unul complet nou functie de nevoi. Va fi realizat cu un procesor de semnal DSP sau va putea fi implementat software in procesorul robotului conditia principala de indeplinit fiind cea a unui raport de compresie cat mai mare asigurand viteze de transmitere a imaginilor pe canale de banda larga: 20-25 imagini/secunda; iar pe canale de banda ingusta: 2-3 imagini/secunda. Aceste caracteristici permit robotului sa transmita imagini din locuri acoperite unde comunicatiile de banda larga nu functioneaza, utilizind comunicatii radio UHF de banda ingusta.

REALIZARI PE ETAPE:

ETAPA I

Proiectul „ROBOT MOBIL PENTRU OBSERVARE, CERCETARE SI SUPRAVEGHERE – ROBO-MOCS “ si-a propus sa realizeze in etapa I "Studiul privind realizarea platformei de bază a robotului purtător de senzori de cercetare".

In structura acestui studiu a fost abordata o problematica complexa, determinata de necesitatea definirii principalelor subsisteme componente ale acestui robot mobil, care sa poata fi dezvoltate in etapele ulterioare. Pornind de la o structura de baza specifica unor roboti mobili, in cadrul studiului realizat pe capitole, s-a procedat la o analiza in detaliu a unor subsisteme de baza, evidentiind realizarile specifice pe plan mondial in acest domeniu, care in ultima perioada cunoaste o dinamica de dezvoltare de-a dreptul impresionanta.

In figura alaturata se prezinta o schema functionala a robotului mobil ce urmeaza a se realiza in cadrul proiectului ROBO-MOCS.

Pentru realizarea acestui sistem de robot mobil s-a preliminat folosirea unei platforme mobile din familia MMP-40, care este o platformă simplă senilata şi cu aplicatii dedicate în robotica de cercetare şi supraveghere. Parametrii principali ai acestei platforme sunt:

Dimensiuni:Lungime xLatime xInaltime 70x50x20cm.
Greutate: 20 Kg;
Payload : 10 Kg. suplimentar;
Corp realizat din aluminiu cu acoperiri speciale;

Actionare:

2 Motoare a 100W fiecare;
Motoarele cu reductoare sunt actionate la 24 V;
Axele sunt montate pe rulmenti;
Comanda directiei este de tip diferential;
Dispune de două codoare optice pentru pozitia rotilor;

Comanda acţionării se face prin interfata RS-232 sau interfata standard PMW;
Alimentarea de la baterii 24V NiCad-7,2 Ah reîncărcabile, autonomie 2 ore.

Un element important in structura sistemului este si „Consola de Telecomanda’’ (CDT), care este constituită din urmatoarele parti: unitate de calcul, memorare şi afisare; unitate de comenzi; unitate de comunicatii; unitate de alimentare. Unitatea de calcul va fi realizata sub forma unui laptop robustizat cu performante necesare gestionarii comenzilor, informatiilor video, permitand afisarea imaginilor transmise de robot si a informatiilor de stare si pozitie a robotului. Unitatea de comenzi va fi realizata in mai multe variante, de preferinta cu produse “din raft” iar solutia definitiva se va stabili după experimentari. Unitatea de comunicatii va cuprinde echipamentele de transmitere si receptie radio atat pentru imagini cat si pentru comenzi si date.

Analiza principalilor senzori si realizarea fuziunii datelor

In sectiunea destinata analizei pentru "Senzori si fuziunea datelor", se prezinta mai multe tipuri de senzori pentru masini automate, precum si senzori specifici robotilor mobili (cu ultrasunete, inertiali, vizuali, de orientare vizuala, pentru urmarirea drumului sau detectarea obstacolelor), senzorii liniari si de rotatie, senzorii de accelerare, de proximitate si de imagine. Elementul forte il constituie analiza modului de utilizare a senzorilor pentru a permite robotului sa vada, sa auda si sa simta, facilitati rezultate din actiunea de conlucrare a diferitilor senzori, aspect tratat intr-o sectiune special destinata.

Studiile preliminare au arătat că pentru cercetarea în teren pe distanţe mari este nevoie ca operatorul să fie ajutat în teleoperarea robotului cu sistem de calcul şi cu o suita de senzori care îi vor permite o navigare mai usoara dar va aduce bineinteles costuri suplimentare,sofisticarea sistemului şi consumuri mai mari. In principal sistemul anticoliziune va consta într-o reţea de senzori IR si o retea de senzori sonar. Suplimentar este posibil ca pe sasiu sa se monteze doua camere video una care vede in fata si una care vede in spate pentru a ajuta operatorul în manevrare (camerele sunt cu nivel scazut de iluminare si focalizare fixa).

Senzori tip SONAR

Senzori IR

Printre alte tipuri de senzori utilizati pentru detectarea obstacolelor se numara si senzorii IR . Ei lucrează la fel ca celelalte tipuri de senzori, masurand timpul de intarziere al unui semnal emis si apoi receptionat datorita reflexiei de obstacole. Acest tip de senzori au cateva calitati care îi fac atractivi: pret de cost redus, diagrama de directivitate îngusta (de ordinul gradelor si fractiuni de grad), distante acceptabile pentru roboti(de la cativa cm la 6-7 m). Principalul dezavantaj îl reprezinta faptul ca pot da multe masuratori eronate datorate diverselor surse de lumina si reflexivitatii variabile a mediului de deplasare.

In figura alaturata se prezinta schema cu modul de utilizare a senzorilor IR pentru evitarea obstacolelor.

Camere video de manevre si camere pentru stereo-viziune

Pentru dirijarea robotului se vor monta doua camere in partea din fata a robotului pentru a furniza operatorului imagini din fata platformei acoperind si zonele laterale pe care va rula robotul. Imaginile vor fi transmise operatorului în timp real si care stau la baza dirijarii. Printre cele mai performante sisteme de navigare folosite în robotică si in care se fac eforturi permanente cu rezultate remarcabile sunt sistemele stereo care foloseste pentru determinarea distantei principiul de lucru al ochiului uman. Alaturat se da o schita de principiu a unui sistem stereo care este compus din două camere dispuse la o anumita distanta numita baza. Principiul de determinare a adancimii (distantei) imaginii ilustrat in continuare este destul de simplu. Se defineste diferenta intre imaginile vazute cu cele doua camere numita disparitate si apoi se calculeaza distanta ca o functie de disparitate si baza. Complexitatea problemei este data de executarea in timp real a calculului distantei la toate punctele din imagine ceea ce presupune o mare putere de calcul. Problema este rezolvata de actualele procesoare de semnal care se integreaza chiar in electronica celor doua camere. Cu toate rezultatele excelente obtinute pretul unor asemenea sisteme este mare si este dictat de software-ul de prelucrare. In figurile alaturate sunt prezentate: un exemplu de vedere stereo, un robot echipat cu camere cu stereo viziune, si se pot vedea versiuni ale Camerei stereo STOC.

Senzori de scanare tip LASER

Scanarea laser este o metoda larg utilizata pentru ridicarea hartii terenului avand la baza acelasi principiu al reflexiei, razei laser si al masurarii timpului de propagare. Este o metoda foarte precisa dar majoritatea dispozitivelor oferite pe piata sunt de mari dimensiuni, grele, consumatoare de energie. In ultimul timp au aparut realizari de inalta performanta in domeniu, un exemplu fiind produsul prezentat alaturat si pe care intentionam sa-l folosim la proiect.

Sistem de navigatie inertiala, senzori de masurare a miscarii robotilor

Masurarea fara informatii exterioare (Dead-reckoning) utilizeaza codoare care masoara rotatia rotilor si/sau orientarea directiei. Are avantajul ca nu foloseste elemente de orientare exterioare si este capabila sa furnizeze in permanenta estimarea pozitiei vehiculului. Dezavantajul metodei este dat de erorile de masura care se datoreaza terenului si care se acumuleaza continuu fiind nevoie ca periodic sa se refaca referinta pentru a reduce erorile. Navigatia inertiala utilizeaza giroscoape si accelerometre pentru a masura viteza de rotatie si acceleratia. Aceste sisteme au de asemenea avantajul ca nu necesita repere exterioare fiind complet independente. Prin integrarea o data sau de doua ori se obtine pozitia robotului. Pe de alta parte datorita nevoii de integrare erorile se acumuleaza si nu avem o determinare precisa a pozitiei pe o mare perioada de timp. O alta problema majora o reprezinta preturile de cost mari pentru produse de inalta performanta. In ultimul timp au aparut insa special pentru roboti giroscoape si accelerometre de precizii acceptabile si la preţuri rezonabile. Un exemplu de sistem de navigatie inertiala este produsul MTi-G realizat de compania XSENS—prezentat alaturat. Are dimensiuni reduse şi greutate mica fiind recomandat pentru controlul si navigatia sistemelor autonome. Este un sistem inertial avand integrat si un GPS si un senzor de presiune statica. Procesorul incorporat asigura fuziunea datelor in timp real furnizand orientarea 3D cu un drift scazut si un GPS îmbunatatit. De regula in cazul majoritatii robotilor, echiparea cu senzori este modulara si se va efectua functie de tipul de misiune.

Echipamentele de culegere informatii

Cerinte exprese pentru sistemul de senzori video: este cunoscut faptul ca succesul oricarui vehicul de culegere a informatiilor video depinde de abilitatea operatorului de a fi asistat de imaginile video primite, imagini care trebuie sa fie clare si stabile. Avand aceste imagini operatorul are control total asupra robotului. Apar referitor la dirijarea pe baza imaginii video urmatoarele probleme:1) imaginile video transmise pe canale analogice sufera de interferente si degradare; 2) imaginile video transmise pe canale digitale necesita benzi largi(10 cadre pe secundă); 3) jiterul mecanic, cand robotul se deplasează; 4) nevoia de rezolutie mare pentru camera de cercetare si existenta unui sistem de stabilizare a imaginii si a unui zoom de aproximativ 24x, autofocus, autoiris si stabilizarea electronica a imaginii. Echipamentele de culegere informatii se vor monta pe o platforma sprijinită de un pilon rabatabil care sa poata fi manevrat în directie si inaltime, astfel:

Camera CCD

Va fi o camera de mare performanta pentru a furniza imagini de calitate. De preferinta va avea un sistem de stabilizare a imaginii, un zoom de 24x, autoiris si autofocus.
Camera CMOS (noapte)

De preferinta va fi o camera CMOS cu banda spectrala extinsa spre IR pentru ca impreuna cu iluminatorul sa permita achizitia imaginilor in zone cu slaba iluminare si pe timp de noapte.
Iluminator Laser

Se va dezvolta un iluminator IR de mici dimensiuni avand o amprenta larga astfel ca la distanta de 100 m sa poata supraveghea suprafete de 1x1m la 50x50m.
Camera termala

Pentru a putea sa fie montata pe robot camera termala trebuie sa fie de joasa rezolutie, mici dimensiuni si consum redus.
Detectorul de aparate optice

Performantele detectorului se vor stabili pe durata realizarii modelului experimental in esenta fiind un detector in miniatura pentru distante mici (100-200m), de greutate redusa ,mici dimensiuni si consum redus. Va fi abordata si varianta realizarii detectiei pe baza sunetului prin realizarea unei retele de microfoane directive.
Alimentarea cu energie a platformei

Alimentarea se va face de la un sistem de baterii care va cuprinde doua pachete de baterii, unul pentru comanda motoarelor de 24V, 7,2Ah si un pachet de baterii pentru întreaga aparatura electrica si se va dimensiona pe parcursul cercetarii. De asemenea, platforma va dispune si de un sistem de incarcare a bateriilor. Tipul bateriilor va fi NiMH sau NiCd.
Comunicatiile

Platforma Robo MOCS presupune o singura legatura fara fir pentru date, video si audio. Modemul radio va fi realizat pe frecventa de 2,4 Ghz si vor fi produse de serie care sa lucreze in conditii deosebite de mici dimensiuni si greutate redusa asigurand o viteza de transmitere de 3Mbps si o putere de 100-300 mW. Statia pereche montata pe echipamentul de telecomanda va avea in plus antene corespunzatoare pentru asigurarea distantei de 1000m. Vor fi testate mai multe variante de comunicatii-statie radio pentru comanda robot separata si canal video separat, de asemenea se va studia posibilitatea utilizarii unei singure statii de frecventa mai mica si distanta mai mare dar care va utiliza compresia semnalelor video. Se vor studia de asemenea statiile ce utilizeaza principiul diversitatii pentru a minimiza efectul reflexiilor multiple. O atentie deosebita se va da locului de montare a antenei pe robot si tipului acesteia pentru a evita intreruperea transmisiei datorita obstacolelor din teren.
Echipamentele de calcul

Deoarece ROBO MOCS este un sistem robotic mobil integrat avand un sistem senzorial compus din: sonare; senzori IR; senzori de contact; odometru si busola va fi dotat pentru asigurarea prelucrarilor si luarea deciziilor de un sistem multiprocesor special, denumit calculator de bord, care controleaza senzorii, miscarea si comunicatiile. La nivel inalt robotul este controlat de o placa PC Pentium care opereaza sub sistemul de operare Windows sau Linux.

Din punct de vedere al controlului , la nivelul perifericelor (senzori, actionari) vor exista cateva microcontrolere care asigura gestiunea senzorilor si sistemului de actionare.

Procesorul de nivel înalt , in principiu va fi (figura alaturata): Intel® Celeron® M or Mobile Intel® Celeron® Processor la 600MHz.

Microcontrolerele: Un microcontroler este un sistem de calcul pe un chip continand procesor, memorie si periferice de intrare-iesire programabile. Avand un mare grad de integrare este superior microprocesoarelor care contin numai un CPU. In plus fata de elementele aritmetice si logice ale unui microprocesor, microcontrolerul integreaza memorii de date(R/W,ROM), Memorii Flash, Periferice şi Interfete I/O. Cu frecvente de ceas de 32KHz, lucreaza de obicei cu viteze foarte mici in comparatie cu microprocesoarele dar sunt adecvate unor aplicatii tipice. Consuma o mica putere (mili sau micro wati). Microcontrolerele sau Embedded Processors (Procesoare de timp real) sunt componentele de baza ale majoritatii sistemelor de achizitie si control a datelor. Aceste dispozitive electronice au parcurs o dezvoltare rapida bazandu-se pe realizarile din ultimii ani a tehnologiilor microelectronice. Spre exemplu microcontrolerul MC68HC908GP32 produs de Freescale Inc. integreaza o memorie Flash de 32KB, un RAM de 512MB, un canal de comunicatii serial, Converytor A/D, Timer,Generator PWM si costa aproximativ 5 Euro dar sunt si altele mai simple care costa 1 Euro. Astfel este posibil ca sute de astfel de chipuri sa fie utilizate in sistemele de control, in automobile, in aparatura casnica. Astazi ,programarea microcontrorelor în limbaj C este ceva uzual si prin integrarea unor Flash-uri de memorie pachetul software poate fi mult extins. Exemplu de microcontroler de mare performanţă: MAXQ7665A–MAXQ7665D este un sistem inteligent pe un chip folosit ca sistem de achizitie date. Lucreaza pe 16-biti si are o arhitectura RISC, fiind ideal pentru cost scazut, putere mica, aplicatii în timp real in automobile ,robotica, control industrial. Contine un convertor ADC-12-biti si unul DAC 12-biti, cu un ceas de 8Mhz. Are o memorie de programe si date de 128KB. Alaturat se da schema bloc simplificată.

Experimentari-Testari-Simulari.

Experimentarile efectuate pana in aceasta faza a proiectului au utilizat platforma hardware si software IntelliBrain Bot DeLuxe. Acesta este o platforma creata cu scop educational. Experimentarile efectuate cu ajutorul acestei platforme au avut ca scop scrierea de secvente de program sau adaptarea unora existente pentru:

Ridicarea caracteristicii de directivitate pentru sonar si detectorul IR destinat navigatiei.
Etalonarea codorului de pozitie a rotilor motrice (shaft encoder).
Testarea senzorilor si actuatorilor cu care este dotata aceasta platforma.
Testarea posibilitatii de a manevra acest robot, in conditiile specificarii conditiilor deplasarii prin intervale de timp.
Testarea unui program de navigare autonoma, cu evitarea obstacolelor, care are drept criteriu parcurgerea unei distante predefinite si intoarcerea la punctual de plecare.

Pentru desfasurarea testelor listate la punctul 5 am avut la dispozitie urmatoarele :

Robotul IntelliBrain Bot, prezentat in imaginile alaturate.
Un echipament de calcul (laptop) pe care este instalat mediul de dezvoltare RoboJDE (implicit si API aferent).
Documentatia care prezinta senzorii, actuatorii s ielementele de control si semnalizare utilizate de robot.
Documentatia cu descrierea functiilor API si cu exemple de utilizare a acestora pentru prelevarea de informatii de la senzori si comanda actuatorilor.

Rezultatul experimentelor implementarii unei aplicatii care asigure navigarea robotului si controlul la distanta al acestuia.

Obiectivele propuse au fost urmatoarele :

Implementarea functiilor de localizare si navigare utilizand functiile bibliotecii API destinata modulului IntelliBrain Bot.
Aplicatia utilizeaza conceptul de behavior.
Controlul functionarii se realizeaza cu ajutorul unei telecomenzi (IR Remote Control).
Functiile implementate cu ajutorul acestei telecomenzi sunt:
- stabilirea factorului de multiplicare pentru coordonata Xd a destinatiei,
- start deplasare catre un punct de coordonate (Xd, Yd),
- oprire deplasare,
- reluare deplasare,
- stop aplicatie.
Evitarea obstacolelor,
Intoarcerea la locatia initiala cu coordonatele (Xi=0, Yi=0).

Studiu privind utilizarea vederii stereo si omnidirectionale pentru evitarea obstacolelor de catre roboti

ETAPA a II-a

Proiectul „ROBOT MOBIL PENTRU OBSERVARE, CERCETARE SI SUPRAVEGHERE – ROBO-MOCS“ si-a propus sa realizeze in etapa II "MODELUL EXPERIMENTAL" al robotului de observare, cercetare si descoperire. Prin activitatile propuse am incercat sa acoperim acele zone ale cercetarii care pun probleme deosebite in realizarea unui robot mobil: realizarea unei baze sigure si eficiente care sa poata sta la baza indeplinirii misiunilor ROBO MOCS; Telecomanda bazei la distante corespunzatoare cerintelor; Realizarea unui sistem de teledirijare eficient sub forma unui “Echipament Optronic pentru Teledirijarea unui Robot Mobil” care face si obiectul unui brevet de inventie depus la OSIM; Realizarea unui sistem de alimentare care sa asigure o autonomie de 2-4 ore; Montarea si verificarea unor senzori utili pentru navigatia robotului; Montarea sarcinii utile, senzorii de vedere de zi si noapte; Realizarea calculatorului de bord; Realizarea unor pachete de programe care sa asigure citirea senzorilor, determinarea pozitiei robotului, comanda motoarelor, citirea si prelucrarea imaginilor; Realizarea sistemului de transmitere la distanta a imaginilor.
Principalele activitati desfasurate in cadrul Etapei a II-a au fost concentrate pe realizarea unei analize de detaliu care a vizat:
- realizarea unei baze sigure si eficiente care sa poata sta la baza indeplinirii misiunilor ROBO MOCS;
- realizarea unui sistem de teledirijare eficient sub forma unui “Echipament Optronic pentru Teledirijarea unui Robot Mobil” care face si obiectul unui brevet de inventie depus la OSIM;
- realizarea unui sistem de alimentare care sa asigure o autonomie de 2-4 ore;
- montarea si verificarea unor senzori utili pentru navigatia robotului;
- realizarea unor pachete de programe care sa asigure citirea senzorilor, determinarea pozitiei robotului, comanda motoarelor, citirea si prelucrarea imaginilor;
- realizarea iluminatorului laser VIS si IR, precum si a echipamentelor de detectie sonar, laser, IR;
- elaborarea documentatiei de executie ME pentru platforma robot, iluminator laser, echipamente de detectie;
- elaborarea manualului de utilizare a modelului experimental al robotului;
- experimentarea modelului robotului;
- prezentarea dovezii de protejare a proprietatii intelectuale si a planului de afaceri pentru robot si recuperarea investitiei in 4,4 ani.

Din schema de ansamblu rezulta principalele componente ale ROBO MOCS astfel:

1.1 Baza robotului:

Pentru realizarea acestui sistem de robot mobil a fost folosita o platforma mobila din familia MMP-40, care este o platformă simplă senilata şi cu aplicatii dedicate în robotica de cercetare şi supraveghere. Parametrii principali ai acestei platforme sunt:
-Dimensiuni: Lungime x Latime x Inaltime 70x50x20cm.
-Greutate: 20 Kg;
-Sarcina utila: 10 Kg suplimentar;
-Corp realizat din aluminiu cu acoperiri speciale;
-Actionare: 2 Motoare a 100W fiecare;
-Autonomie 2 ore

1.2 Sistemul de telecomanda

Un element important in structura sistemului robotic este si “Consola de Telecomanda” (CDT), care este constituită din urmatoarele parti: unitate de calcul, memorare şi afisare; unitate de comenzi; unitate de comunicatii; unitate de alimentare. Pentru modelul experimental a fost folosita o telecomanda RC standard lucrand pe frecventa de 2400 MHz si avand o distanta de actiune de 300m, suficienta pentru experimentarea platformei. O serie de comenzi date de telecomanda au fost modificate si folosite la receptie pe robot pentru managementul echipamentelor de culegere video si stabilirea regimurilor de functionare ale robotului.

1.3 Senzorii pentru navigatia robotului

Pentru cercetarea în teren pe distanţe mari este nevoie ca operatorul să fie ajutat în teleoperarea robotului cu un sistem de calcul şi cu o suita de senzori care sa îi permita o navigare mai usoara la modelul experimental a fost aleasa solutia unui sistem anticoliziune constand dintr-o retea de senzori sonar(5 sonare) dispusa in partea frontala, un compas electronic care furnizeaza permanent capul compas(directia) si unghiurile de inclinare ale robotului, un sistem de odometrie pentru determinarea pozitiei robotului prin masurarea drumului parcurs.

1.3.1 Senzori pentru detectarea obstacolelor de tip SONAR

Sonarul este larg folosit în detectia obstacolelor pentru robotii mobili din cauza pretului scazut si a relativei independente fata de mediu, lumina, fum etc. Principalele caracteristici ale sonarului utilizat:
- Distanta - 3cm la 6ms
- Diagrama de dir. 60 grade;
- se pot face 3 citiri pe secunda (aprox.3,3 Hz).
Pentru a realiza o detectie eficienta au fost utilizate 5 sonare care acopera complet o zona unghiulara de 60-80 grade in fata robotului, dispunerea facandu-se ca in figura de mai jos.

Am reusit ca realizand tuburi de 3cm cu material absorbant sa ingustam diagrama de directivitate la 10-15 grade fara o scadere apreciabila a distantei de detectie.

1.3.2.Senzorii odometrici

In calitate de senzori de rotatie se folosesc doua encodere cu rezolutia: 500impulsuri/rotatie.
Pozitia encoderelor este citita de microcontroler, transformata in elemente de pozitie a robotului x, y, θ(orientare) si este folosita de robot pentru navigatie. Preciziile obtinute in determinarea pozitiei se apreciaza ca fiind de ordinul a 4÷5%.

1.3.3 Senzorii de pozitie a robotului(Compasul magnetic digital)

Pozitia robotului calculata pe baza odometriei are erori mari dar recalculata folosind unghiul furnizat de busola, rezultatele se imbunatatesc radical. Principalele caracteristici:
-precizie in directie: 0.5º;
-precizia in inclinare: <1º;

Datele furnizate de busola, capul compas si inclinarea robotului in cele doua planuri, se transmit operatorului pentru a cunoaste in permanent pozitia robotului, in acelasi timp vor fi utilizate la calculul automat al pozitiei robotului, compensand erorile furnizate prin odometrie. Eroarea in furnizarea capului compas este sub 0,7%.

1.3.4 Echipamentul Optronic pentru TEledirijarea unui Robot Mobil(EOTERM).

A fost realizat un Echipament optronic pentru teleoperarea robotilor mobili, sub forma unei combinari a unei camere omnidirectionala cu o camera directionala cu o dispunere speciala pentru a servi la teleoperarea unui robot mobil. Echipamentul inlatura neajunsurile camerelor omnidirectionale, precum rezolutia scazuta, lipsa zoom-ului, efectul de bluring, coma si astigmatism, prin montarea unei camere directionale care poate creea imagini de inalta calitate in orice punct de interes al imaginii omni. Aplicatiile echipamentului sunt multiple si se refera la culegerea imaginilor de pe mobile in miscare, culegerea informatiilor in sistemele de supraveghere, telecomanda robotilor, navigatia autonoma a robotilor. Avantajul principal in teleoperarea robotilor este ca operatorul aflat la distanta are iluzia ca se gaseste dispus chiar pe robot iar terenul pe care il vede camera omni si deci si operatorul este nedistorsionat, pana la distanta de 2-3 m. Echipamentul realizat este propus pentru brevetare la OSIM.

1.3.5 Echipamentul stereo pentru detectia obstacolelor.

Pentru proiectul propus culegerea informaţiilor furnizate de 2 camere web s-a facut prin achiziţia de imagini cu librăria de instrumente virtuale IVISION V1.8 de la HypertechFuncţiile de procesare a imaginilor sunt bazate pe librăria Intel OpenCV.
Deoarece camerele web sunt conectate orizontal şi eroarea de paralaxă este folosită pentru calculul distanţei la obiecte, rezulta ca detaliile verticale sunt cele mai importante pentru a fi evidenţiate. Acest lucru se obţine realizând o derivare a imaginii pe linii.
Locaţia acestor zone de interes pe orizontala poate fi data de rezultatul derivării imaginii mai sus prezentat. Pentru poziţionarea lor pe verticală se va împărţi imaginea in benzi verticale cu lăţimea egala cu a zonei de interes. Astfel ca pentru zone de interes cu dimensiune mica vor fi mai multe astfel de benzi pe care se va realiza căutarea, rezultând o rezoluţie mai buna. În cazul zonelor mai mari vor fi mai puţine astfel de benzi si deci o rezoluţie mai mică:

Din exemplul ataşat se remarca ca pe orizontală zonele de interes se pot întrepătrunde. Este posibilă şi o întrepătrundere pe verticală însa timpul de calcul creste semnificativ, limitarea fiind data doar de puterea de calcul al sistemului folosit.

1.4 Echipamentele pentru culegerea informatiilor.

1.4.1 Camera CCD

Camera montata pe robot este o camera de mare performanta, capabila sa furnizeze imagini de calitate cu un castig in zona IR de minim 0.8 pentru a putea lucra in conjunctie cu un iluminator in IR cu ajutorul caruia poate vedea zonele umbrite si cele intunecate din timpul noptii..A fost aleasa o camera zoom variabil de 24x, autoiris si autofocus. In cazuri speciale camera va avea si un sistem de stabilizare a imaginii.Principalele caracteristici:
-Rezolutie PAL 460 linii TV;
-Optica - zoom 26X;
-Zoom digital 12X(312X impreuna cu zoom optic);
-Unghi de vizualizare orizontala : de la 42 degrade la 1.6 grade;
-Dimensiuni 55.3x57.5x81.8mm

1.4.2 Platforma de actionare a camerei CCD.

Platforma are doua grade de libertate in plan orizontal si in plan vertical. Prin comanda platformei camera CCD va lua imaginea zonei dorita de operator, marimea imaginii fiind reglata tot de operator prin comanda de la distanta a zoomului.

1.4.3 Iluminator Laser

S-a dezvoltat un iluminator IR de mici dimensiuni avand o amprenta larga astfel ca la distanta de 100 m sa poata supraveghea suprafete de 1x1m la 50m, cu urmatoarele caracteristici:
-Lungime de unda 790nm;
-Unghi de iluminare 1º -10º;
-Autonomie 3-4 ore;
Experimentarile efectuate au dat rezultate foarte bune o imagine aflata la 100m. este vazuta de camera CCD in conditii de intuneric total, ceea ce exclude nevoia unor camere cu intensificator de imagine exceptie facand misiunile in care se cere un echipament pasiv care sa nu poata fi descoperit de adversar.

1.4.4 Camera termala

Este destinata luarii de imagini in conditii de vizibilitate redusa, ceata, praf, fum, ploaie puternica sau pe timpul noptii. Prin camera termala pot fi supravegheate ansambluri de echipamente unde pot aparea temperaturi periculoase, cautarea fiintelor vii in daramaturi etc.Camera termala montata este o camera joasa rezolutie, mici dimensiuni si consum redus. Camera are urmatoarele caracteristici de baza:
-detector microbolometru FPA,
-rezolutie: 384x228 pixeli,
-banda spectrala: 8-14 microni,
-dist. de detectie om: 780m,
-camp vizual: 17x12º,
Camera utilizata pentru experimentari este o camera din productia IOR, realizata in cadrul proiectului OPTELLA si a corespuns cerintelor pentru model.

1.4.5 Camera de vedere pe timp de noapte cu intensificator de imagine.

Este un echipament de vedere care are inclus un intensificator de imagine dar si un sistem de extragerea automata a imaginii si este dedicata in special utilizarii ca echipament de vedere in cazurile cand robotul este destinat operatiunilor nocturne si are urmatoarele performante:
-grosisment: 3x,
-camp vizual:10,4º,
-distanta de observare;15m,
-intensificator de imagine:XR5,
-iesire video pentru preluare imagine.
Camera folosita este din productia IOR si a fost realizata in cadrul proiectului OPTELLA.

1.5 Alimentarea cu energie a platformei

Alimentarea se face de la un sistem de baterii care cuprinde doua pachete de baterii, unul pentru comanda motoarelor de 24V, 7,2Ah si un pachet de baterii pentru întreaga aparatura electrica avand o capacitate de 2000mAh -12V. De asemenea, platforma va dispune si de un sistem de incarcare a bateriilor.

1.6 Comunicatiile

Platforma ROBO-MOCS are nevoie de o legatura fara fir pentru date, video si audio.
Din analiza studiilor effectuate in utilizarea robotilor am ales ca frecventa de transmitere pentru imagini si date, frecventa de 900 Mhz propagarea in comparatie cu frecventele de 2,4Ghz.si mai mari fiind cu mult mai buna in special la utilizarea in cladiri. Modemul radio este realizat pe frecventa de 900MHz lucrand in conditii de mediu deosebite, de mici dimensiuni si greutate redusa asigurand o viteze de transmitere de 3Mbps si o putere de 200-500mW. Statia pereche montata pe echipamentul de telecomanda are in plus o antena directive(Yagi) de mici dimensiuni, corespunzatoare pentru asigurarea distantei de 500m(in cazuri speciale1000m, utilizand o statie radio care utilizeaza principiul diversitatii pentru a minimiza efectul reflexiilor multiple). O atentie deosebita a fost acordata locului de montare pe robot a antenei de emisie si tipului acesteia pentru a evita intreruperea transmisiei datorita obstacolelor din teren.Transmiterea datelor se face pe aceiasi statie radio folosind canalul audio pe care sunt montate modemuri de mica viteza. Astfel operatorul dispune de o reactie rapida a robotului care ii furnizeaza date de pozitie, viteza de deplasare, inclinare robot, stare senzori, diverse alarme.

1.7 Calculatorul de bord.

Deoarece ROBO MOCS este un sistem robotic mobil integrat avand un sistem senzorial compus din: sonare;senzori de contact; odometru si busola va fi dotat pentru asigurarea prelucrarilor si luarea deciziilor de un sistem multiprocesor special, denumit calculator de bord, care controleaza senzorii, miscarea si comunicatiile. Pentru etapa Model Experimental robotul este dotat cu 2 microcontrolere, unul pentru gestiunea si citirea senzorilor si al 2-lea pentru primire, formare comenzi si luarea deciziilor.

1.8 Platforma software pentru modelul experimental

Prin platforma software se întelege pachetul software care concureaza la managementul tuturor activitatilor pe care le face robotul:
-program citire senzori sonar-Sonar-1;
-program de citire pozitie robot(encodere)-Encod-1
-program de citire compas electronic-Compas-1;
-program calcul pozitie robot(odometrie)-Odometrie-1
-program pentru comanda motoare-Motor-1;
-program pentru comanda platforma camera CCD;

1.9 Experimentari-Testari-Simulari

Pentru experimentarile efectuate la modelul experimental am utilizat 2 microcontrolere cu pachetul de software de dezvoltare AVR Studio 4 sub compilator GCC care este sub licenta publica de utilizare GPL si bibliotecile cu functii aferente. Prelucrarile la distanta pentru teledirijarea pe baza imaginii omnidirectionale sau efectuat pe un Laptop cu pachetul de software descris mai jos:
Programele scrise pentru microcontrolere au avut ca scop urmatoarele operatiuni:
-Ridicarea caracteristicii de directivitate ale sonarelor.
-Etalonarea encoderelor de pozitie a rotilor motrice.
-Testarea senzorilor si actuatorilor cu care este dotata platforma.
-Testarea posibilitatii de a manevra robotul, in conditiile specificarii conditiilor deplasarii prin intervale de timp.

Program pentru transformarea imaginii circulare omnidirectionale in imagine panoramica. Principalele functii asigurate de acest pachet software sunt:
-Manipularea imaginilor video precum ar fi : alocarea, copierea, conversia.
-Captarea imaginilor video (din fisier sau direct de la camera video), precum si afisarea acestora. Formatul de imagine de la camera video este AVI.
-Functiile de baza pentru prelucrarea de imagine sunt : filtrarea, detectia de muchii, esantionare si interpolare, conversie de culori, operatii morfologice si generare de histograme.
-Calibrarea camerei video, analiza miscarii si recunoasterea de obiecte.

Aplicatia ImageProc este exclusiv dedicata prelucrarii imaginii omnidirectionale
Interfata grafica permite operatorului sa :
-selecteze sursa imaginilor video : fisier sau direct camera video,
-aleaga parametrii de prelucrare ai imaginii video,
-selecteze zona de interes din cadrul imaginii omnidirectionale.

COLECTIV DE CERCETARE:
Dr. ing. Nicolae IRIMIE
ing. Alexandru ZORILĂ
ing. Alexandru NAN
ing. Lucian SIMION
ing. Nicolae NEACŞU

ETAPA a III-a

Proiectul „ROBOT MOBIL PENTRU OBSERVARE, CERCETARE SI SUPRAVEGHERE – ROBO-MOCS“ si-a propus sa realizeze in etapa III "PROTOTIPUL" robotului de observare, cercetare si descoperire. Prin activitatile propuse am incercat in primul rand sa eliminam deficientele constatate la Modelul Experimental, sa gasim solutii de substituire pentru unele echipamente scumpe care au fost scoase din configuratie ca urmare a constrangerilor bugetare, sa folosim facilitatile software pentru cresterea performantelor, sa realizam si unele dintre componentele robotului ca echipamente independente in scopul creerii unei noi piete de desfacere.
Principalele activitati desfasurate in cadrul Etapei a III-a au fost concentrate pe proiectarea, realizarea, verificarea si experimentarea prototipurilor componentelor robotului, care au vizat: - realizare baza robot care include procesoarele pentru actionare si management, senzorii pentru asigurarea deplasarii, modulul de comanda si modulul de telecomanda;
- realizare optica pentru senzori si prototip camera omnidirectionala combinata pentru teledirijare, incluzand pachetul de software de navigatie;
- realizare prototip iluminator;
- realizare software pentru coordonarea activitatilor robotului si pentru deplasarea in zone cu obstacole;
- experimentarea prototipurilor elementelor robotului.
Activitatile desfasurate au avut ca finalitate realizarea documentatiei de prototip si executarea in baza ei a prototipului robotului ROBO MOCS.

1 Introducere

Din experimentarile efectuate cu modelul experimental si conditionati de reducerea alocatiilor financiare necesare realizarii unor echipamente am ajuns la necesitatea restructurarii componentei si solutiilor de realizare ale prototipului astfel ca acesta sa-si poata indeplini misiunea pentru care a fost conceput. In acest sens au fost operate urmatoarele modificari majore:
• refacerea carcasei in scopul usurarii si asigurarii conditiilor de etanseitate necesare in teren;
• refacerea sistemului de montare si calibrare a “compasului electronic”-busola-care a devenit un instrument de baza in determinarea pozitiei;
• suplimentarea sursei de alimentare cu un acumulator de mare capacitate(160Wh) pentru a spori autonomia conform cerintelor;
• introducerea unui sistem electromecanic de protectie la impact frontal cu obstacole;
• suplimentarea sistemului de detectie obstacole cu 2 sonare laterale;
• introducerea unui sistem de iluminare pentru noapte pentru a asigura deplasarea;
• introducerea unui echipament de comunicatii pentru legatura robot telecomanda in banda 400-500Mhz, capabil sa mareasca distanta de actiune si sa poata lucra si in cladiri;
• realizarea unei noi telecomenzi care sa evite utilizarea frecventelor de 2,4Ghz care sufera de neajunsuri in zone cu obstacole si in cladiri, in plus deoarece dirijarea robotului se face dupa imagine am introdus pentru prelucrare un procesor puternic si un monitor de afisare;
• realizarea unui controler FUZZY bazat pe comportamente ca o solutie de navigatie autonoma a robotului conducand la eliberarea operatorului de o activitate foarte stresanta;
• refacerea camerei omnidirectionale prin proiectarea unui set intreg de oglinzi in scopul obtinerii unei imagini cat mai clare a terenului si asigurarea posibilitatii acesteia sa lucreze noaptea folosind iluminarea in IR;
• introducerea unui senzor acustic(microfon) pentru captarea “zgomotului” din zona cercetata;
• Crearea unui canal de transmitere date intre robot si telecomanda prin care se vor putea transmite informatii de la diversi senzori montati pe robot(senzor chimic, de radiatii, de gaze, biologic, etc.).
In continuare vor fi descrise principalele solutii noi adoptate in cadrul proiectarii prototipului.

2.Calculatorul de bord ca element de baza care asigura toate actiunile pe care robotul le desfasoara autonom sau telecomandat.

Calculatorul de bord a fost restructurat fata de prototip reducandu-se la doua microcontrolere lucrand in regim de Master-Slave, constatandu-se ca puterea de calcul oferita este suficienta pentru a asigura functionarea robotului iar placa de procesor utilizata la model a fost transferata in telecomanda unde pentru a prelucra imaginea omnidirectionala este nevoie de o mare viteza si putere de calcul. Microcontrolerul Slave are in sarcina citirea tuturor senzorilor si prelucrarea primara a informatiilor furnizate de acestia. Deasemenea, fiind legat direct cu senzorii montati pe sistemul de deplasare (encodere) si cu busola acest microcontroler realizeaza programul de odometrie furnizand in permanenta pozitia reala in teren a robotului, pozitie care se transmite la fiecare ciclu de 1 secunda la telecomanda unde se afisaza permanent. A fost transferata la Telecomanda sarcina prelucrarii imaginii pentru teledirijare.

Software-ul implementat pentru coordonarea actiunilor robotului.
Pachetul software descris in continuare curprinde elementele de baza, care guverneaza operationalitatea robotului la nivelul de platforma, cuprinzand senzorii sonar si de contact, busola electronica, platforma video, actuatori pentru comutare iluminare normala si infrarosu, actionarea motoarelor motrice, procesare comenzi si informatii de la si catre telecomanda. Se face o descriere amanuntita deoarece aceste programe sunt utile oricarui robot si dorim prin aceasta sa punem la dispozitia celor care lucreaza in domeniul roboticii aceste pachete standard.
Arhitectura sistemului de calcul este compusa din doua astfel procesoare avand o frecventa de tact de 16 MHz, unul operand ca Master si celalalt Slave, intre ele existand un protocol de comunicare bidirectional propriu stabilit in functie de nevoia de prioritati. Programele care deservesc achizitia de date sunt construite modular pentru fiecare senzor in parte, iar impreuna cu protocolul de comunicati aferent comunicari intre procesoare alcatuiesc software-ul pentru procesorul Slave.

Modulele program asigurate de catre Slave:
Citire Sonare
Citire Busola
Comanda camera directionala
Citire Poziti encodere
Calculare date Odometrice
Citire nivel baterie
Citire nivel lumina ambianta
Schimbul de date si mesaje-Master-Slave

Functile asigurate de catre Master
• Receptionare date Slave
• Trimite date Slave
• Receptionare Date de la Telecomanda
• Trimite date catre Telecomanda
• Calculator Fuzzy (evitare obstacole)
• Comanda motoare
• Comenzi actuatori

3.Controler Fuzzy, bazat pe comportamente pentru navigare autonoma

3.1.Generalitati

Mediul in care opereaza robotii mobili se clasifica in -structurat -semistructurat -nestructurat. Arhitectura sistemelor de navigatie autonoma depinde atat de aplicatia robotului cat si de informatiile pe care robotul le are despre mediul in care se deplaseaza. Capabilitatea de a evita coliziunile este unul dintre principalele blocuri care intra in componenta unui robot cu posibilitati de navigatie autonoma. Implementarea unui mecanism de decizie rapida are la baza folosirea fuziunii informatiilor de la mai multi senzori. Controlul robotului bazat pe comportamente s-a dovedit a fi o alternativa de baza la controlul conventional al robotilor si serveste ca metoda de baza pentru navigatia autonoma a robotilor. Tipul de senzori cu care este dotat robotul si numarul acestora s-a decis pe baza comportamentelor pe care robotul trebuie sa le realizeze. Deasemenea s-a avut in vedere domeniul de aplicatie (cercetare in teren), timpul de prelucrare si costul total al sistemului. Ca senzori de detectie am folosit sonare avand in vedere pretul mic al acestora, structura simpla, greutatea si prelucrarea usoara a semnalelor. Fig.1.reprezinta componenta controlerului.

3.2 Controalele bazate pe comportamente.

Un sistem de navigatie pentru un robot mobil combina diferite comportamente ca: evitare obstacole, urmarirea unui coridor, urmarirea peretilor, cautarea(ghidarea) unei tinte, in scopul realizarii unei misiuni. Avand in vedere ca ROBO-MOCS este un robot telecomandat am prevazut ca ajutor pentru operator un regim autonom implementat printr-un controler fuzzy bazat pe comportamente (Fig.2) in care robotul se descurca singur creind timp operatorului pentru activitatea principala de culegere a informatiilor. Controlerul foloseste un numar de 4 comportamente care se descriu in continuare.

Comportamentul de pericol(evitare ciocniri).
Comportamentul de evitare obstacole.
Comportamentul de urmarire perete.
Comportamentul de ghidare la tinta.

3.3.Robotul, aranjamentul senzorilor si realizarea controlului bazat pe comportamente

3.3.1. Aranjament sonare

Robotul este de tip cu control diferential al directiei utilizand pentru executarea manevrelor viteze diferite pe cele doua roti motoare putand fi astfel manevrat inainte, inapoi, stanga, dreapta, intoarcere pe loc in ambele sensuri. In partea din fata sunt plasati 5 senzori sonar, unul in centru, urmatorul in stanga decalat cu 15grade, urmatorul in stanga decalat fata de centru cu 30grade, doi senzori in dreapta decalati la 15 respectiv la 30grade. Deasemenea pentru detectarea obstacolelor laterale a fost montat cate un senzor pe fiecare parte. Ca o masura redundanta de protectie pe partea din fata a robotului am montat trei senzori de contact care la ciocnirea cu un obstacol opresc brusc robotul. Senzorii au fost denumiti cu S1, S2, S3, S4, S5, Sls(senzor lateral stanga), Sld(senzor lateral dreapta), Cm(contacte mecanice).

3.3.2.Realizarea comportamentelor.

Comportamentele au fost implementate pe baza locului unde se afla obstacolele, determinat de sonare si a unghiului la tinta (directia de deplasare dorita) vazut de robot. Functiile de apartenenta ale intrarilor si ale iesirilor controlerului sunt date in graficele de mai jos.
Distantele la obstacole furnizate de sonarele S1 la S5 si unghiul T spre tinta sunt utilizate ca intrari pentru controlerul fuzzy care asigura comportamentele enuntate anterior.Iesirile sistemului fuzzy sunt Vlin.-viteza lineara si VUng.-viteza unghiulara a robotului.
Definirea variabilelor de intrare:

3.3.3.Stabilirea regulilor de inferenta si a metodei de defuzificare.

Robotul trebuie sa reactioneze in baza informatiilor culese despre obstacole si a directiei spre tinta de atins. Mai jos se ilustreaza spatiul din fata robotului divizat in 5 directii de detectie: -30; -15; 0; 15; 30 (grade) si 3 distante: DProt; D1-Medie; D2-Mare. In figura de mai jos se vede unde poate fi detectat un obstacol.

3.4. Implementare Software.

Inainte de a fi implementat pe microcontrolerul de navigatie a robotului Controlerul Fuzzy bazat pe comportamente a fost simulat in Matlab folosind instrumentul”Fuzzy Toolbox”. Pe scurt se prezinta in imagini modul de implementare si rezultatele simularii astfel:

3.4.1.Definirea controlerului: intrari, iesiri, tipul controler, denumire variabile si domeniul de apartenenta;

Am ales un numar de 6 intrari, constituite din sonarele S1,S2,S3,S4,S5 unde variabila Si este de tip distanta masurata cu valori cuprinse intre 0 si 5m. si Directia la tinta T definita in grade cu valori cuprinse intre -60 si +60grade, deasemenea s-au definit doua variabile de iesire, constituite din V.Lin-viteza lineara a robotului in m/s, cu valori cuprinse intre -0,4 si 1,5m/sec si V.Ung.- viteza unghiulara in rad./sec, cu valori cuprinse intre -2Rad/sec.si +2Rad./sec.Tipul controlerului, pentru usurinta implementarii pe un microcontroler, a fost ales de tip SUGENO. In figura de mai jos se vede modul de definire al controlerului Fuzzy.

3.4.2.Definirea si alegerea formei functiilor de apartenenta pentru variabilele de intrare si iesire.

Pentru variabilele de intrare am ales functii de apartenenta de forma triunghiulara si trapezoidala iar pentru variabilele de iesire am ales functii constante.

Variabila de intrare reprezentata de distanta la obstacol furnizata de senzorii sonar S1-S5 este constituita din 3 functii de apartenenta, doua trapezoidale si una triunghiulara, denumite Dprot, D1, D2 si avand valorile din figura de mai sus avand urmatoarea semnificatie: Dprot este zona in care distanta la obstacol este periculoasa pentru robot, reactia robotului fiind oprire si deplasare inapoi pana cand poate decide evitarea obstacolului prin ocolire; D1 este distanta medie la obstacol cu decizia robotului de evitare obstacol; D2 este distanta mare cu decizia robotului de deplasare spre tinta.
Variabila de intrare T avand semnificatia de directie spre tinta reprezinta valoarea in grade a directiei in care se afla tinta si este furnizata de operatorul care executa teledirijarea. Aceasta variabila este constituita din 3 functii de apartenenta ca in figura de mai jos cu denumirea S-stanga, C-centru, D-dreapta si cu valorile definite pe figura.

Variabila de iesire V.Lin-viteza lineara a robotului a fost definita ca avand 5 functii de apartenenta constante: Zero(sta pe loc)=0; Inapoi=-0,3, Mica=0,5, Medie=1, Mare=2, masurate in m/sec.ca in figura de mai jos.

Variabila V.Ung.- Viteza Unghiulara a robotului a fost definita ca avand 9 functii de apartenenta constante: Sfmare(stanga foarte mare)=-2; Smare(stanga mare)=-1,5; Smed(stanga medie)=-1; Smic(stanga mica)=-0,5; Z(zero)=0; Dmic(dreapta mica=0,5; Dmed(dreapta medie)=1; Dmare(dreapta mare)=1,5; Dfmare(dreapta foarte mare)=2; In figura de jos se da Functia de iesire Viteza lunghiulara.

3.4.3.Verificarea functionarii controlerului ;

Matlab ofera o facilitate deosebita pentru verificarea functionarii controlerului avand posibilitarea de a putea da orice valoare variabilelor de intrare, in limita domeniului de definitie si a afla pentru fiecare regula sau pe ansamblu ce valori iau variabilele de iesire. In figura de mai jos se vad 6 coloane cu variabilele de intrare, doua coloane cu variabilele de iesire, coloanele includ si functiile de apartenenta iar pe orizontala se afiseaza succesiv toate regulule stabilite si care dintre reguli este activa. Functiile de apartenenta pentru variabilele de intrare sunt afisate in galben iar cele de iesire in albastru. Se observa deosebirea intre functiile de intrare(triunghiuri si trapeze) si cele de iesire avand valori fixe,constante,controlerul fiind de tip SUGENO. Vezi figura de mai jos.

3.4.4.Afisarea grafica a dependentei variabilelor de iesire functie de valoarea variabilelor de intrare.

In graficul de mai jos se observa dependenta variabilei de iesire V.Lin. In functie de valorile detectate de sonarele 1 si 2. Este simplu de observat ca pentru distante mici sub 0,5metri(Dprot.)viteza lineara a robotului este negativa urmand ca viteza sa creasca pe masura ce obstacolele se indeparteaza.

Graficul de mai jos reflecta dependenta intre distantele la obstacol masurate de senzorii S1 si S3 si variatia V.ung.

Se observa usor ca pentru senzorul S1 care este lateral, viteza unghiulara este zero in zona de protectie si creste rapid la distanta D1 urmand ca pe masura cresterii distantei viteza sa ramana constanta. Pentru senzorul S3 fiind chiar pe directia robotului, viteza unghiulara este zero la distante mici creste cand obstacolul este in zona D1 pentru a ocoli obstacolul, si apoi la distante mari robotul merge inainte cu viteza unghiulara zero. Facand diverse combinatii intre senzorii de intrare prin aceasta reprezentare grafica am putut trage concluzia ca algoritmul functioneaza corect si robotul poate naviga intr-un teren necunoscut fara a se ciocni de obstacole fiind capabil sa ajunga singur la tinta(directia) fixata de operator.

4. Camera Omnidirectionala ca instrument de baza in teleoperarea robotului.

(Echipament electronic pentru teledirijarea unui robot mobil)

Recent sistemele de vedere omnidirectionale au inceput sa fie larg utilizate in robotica.Interesul pentru astfel de sisteme a rezultat din faptul ca ele pot furniza o imagine cu un camp de vedere de 360 grade in jurul robotului.Aceasta caracteristica poate fi importanta in misiuni de navigare in care un robot trbuie sa se localizeze singur in mediul de deplasare. Sunt mai multe moduri de obtinere a imaginilor omnidirectionale video in timp real. Sistemul abordat pentru ROBO MOCS este de tip catadioptric folosind lentile, combinate cu o oglinda convexa. Sistemul este construit prin montarea unei camere in fata unei oglinzi convexe astfel incat camera sa receptioneze imaginea reflectata de oglinda. Exista diverse forme ale oglinzii convexe, cu proprietati speciale de reflexie. Oglinzile pot fi sferice, conice, parabolice, hiperbolice sau forme proiectate special. Am ales o oglinda hiperbolica avand in vedere avantajele prezentate de acest tip de oglinda, in primul rand simplitatea sistemului optic. Deoarece oglinda hiperbolica are avantajul unui singur centru de proiectie se pot crea imagini de perspectiva nedistorsionate din imaginile receptionate reflectate de oglinda hiperbolica. Aceste imagini se obtin prin maparea pixelilor din imaginea omnidirectionala intr-un plan perpendicular pe raza care trece prin centrul de proiectie. Imaginea rezultata este echivalenta cu o imagine luata de o camera de perspectiva plasata cu focarul in centrul de proiectie al sistemului de vedere. Imaginea panoramica se poate obtine cand mapam pixelii imagini omnidirectionale intr-un plan cilindric in jurul sistemului de vedere ca in figura 1.

Fig.1 Creerea imaginilor de perspectiva si panoramice

4.1. Desfasurarea(expandarea) imaginilor omnidirectionale.

Un sistem de vedere omnidirectional translateaza mediul din jurul lui intr-un sistem de coordonate polar a imaginii achizitionate.Aceasta transformare este denumita desfasurare (expandare) si este utila pentru a obtine imagini panoramice sau de perspectiva, imagini care sunt mai obisnuite pentru ochiul uman.

Fig.3.Exemplu de proces de expandare a imaginii OMNI pentru a obtine o imagine panoramica

Translatarea directa din coordonate polare in coordonate rectangulare.
O imagine panoramica poate fi obtinuta cand se achizitioneaza o imagine de catre un sistem de vedere catadioptric si se translateaza din coordonate polare in coordonate rectangulare. Aceasta se poate face cand unghiul azimutal in imaginea originala este translatat in axa orizontala a imaginii panoramice iar coordonatele radiale din imaginea originala este translatata in axa verticala a imaginii panoramice ca in figura 3.

4.2. Sistemul de vedere omnidirectionala OMNI-VIN.

Sistemul realizat este compus dintr-o camera cu lentile de proiectie pentru perspectiva(camera si lentile conventionale), o oglinda convexa, un ansamblu mecanic de fixare care tine camera si oglinda in pozitia corecta ca in fig 5.

Camera ce preia imagini de la oglinda paraboloidala are urmatoarele caracteristici:
- senzor CCD ½ inch - rezolutie 795(H) x 596(V) Lentile. La camera video este atasat un obiectiv varifocal cu urmatoarele caracteristici:
lentile Auto Iris, vari-focal 3.5-8mm, F1.2, montura CS mount.

Oglinda hiperbolica.

Oglinda a fost proiectata dupa o metoda originala fiind realizata pe un CNC de mare precizie si apoi slefuita pentru a obtine o imagine clara si rezolutie comparabila cu a camerei de parespectiva.

Imaginea furnizata de camera omnidirectionala

Imagine "desfasurata", panoramica

5. Telecomanda bazata pe imaginea transmisa de robot.

Pentru a realiza o teledirijare performanta am schimbat complect solutia abordata la modelul experimental renuntand la transmiterea comenzilor pe frecventa de 2400Mhz si trecand in banda de 400-500Mhz cu avantaje nete privind distanta de lucru,posibilitatea de lucru in cladiri si stabilitatea comenzilor la perturbatii.Deasemenea telecomanda a fost prevazuta cu un procesor puternic care a permis prelucrarea imaginii in scopul ajutarii operatorului cu o imagine panoramica(360grade in jurul robotului) si cu facilitate de a selecta un sector de 60 grade din imaginea panoramica spre care robotul se va indrepta.Imaginile de mai jos sunt edificatoare.

5.1.Schema bloc a telecomenzii

Telecomanda robotului este compusa din urmatoarele blocuri principale:

1.blocul de calcul si control care elaboreaza si trimite comenzile in functie de datele primite de la senzorii robotului;
2.blocul de comunicatie care asigura comunicarea bidirectionala de date si unidirectionala de imagini intre robot si telecomanda;
3.blocul de introducere date(Joystick);
4.blocul de afisare care permite vizualizarea comenzilor si datelor procesate de blocul de calcul si control
5.blocul de alimentare care furnizeaza tensiunile stabilizate de 12V si 5V;

5.2 Elaborarea comenzilor: joystick-ul dispune de un numar de 12 butoane folosite astfel:

1. Butonul ”CUPLARE ROBOT”(se cupleaza motoarele la microcontroller). Cand butonul”Cuplare Robot” nu este actionat robotul primeste comanda de trecere in modul RC, iar cand butonul este actionat robotul primeste comanda”Cuplare Robot” la care motoarele se cupleaza la microcontroller.
2. Butonul”CERCETARE-SUPRAVEGHERE”.
  2.1. Cercetare: Se trece in acest regim la cuplarea alimentarii Telecomenzii cand butonul CERCETARE-SUPRAV. este neactivat.
  2.2. Supraveghere: Se trece in acest regim la apasarea butonului ”Cercetare –Supraveghere”se emite codul de Supraveghere iar robotul cupleaza Camera DIR. la transmitatorul video. In acest regim operatorul poate transmite comenzi pentru platforma video prin Joystickul-V(stanga) si poate transmite comanda ‘ZOOM” prin butoanele ”Zoom-in” si “Zoom-out”. La telecomanda se afiseaza imaginea DIR.
  2.3. Butonul ”Zoom-in”, are effect de cate ori se apasa.(se poate face si cu Joystick-V)
  2.4. Butonul ”Zoom-out”, are effect de cate ori se apasa.(se poate face si cu Joystick-V)
3. Butonul ”LUMINA ALBA”: Se activeaza prin apasarea butonului “L-A”
4. Butonul ”ILUMINARE IR”: Se activeaza prin apasarea butonului ”I-IR”
5. Butonul ”AUDIO”: Se activeaza la apasare buton. Se cupleaza microfonul la TR.VIDEO iar la telecomanda incepe inregistrare sunet sau/si ascultare in difuzor.
6. Butonul ”Manual-autonom”, cand nu este apasat robotul este in regim telecomandat si asteapta comenzi de la Joystick-M. Cand butonul este actionat robotul trece in regim autonom si primeste comenzi de la Controlerul FUZZY.
7. Butonul ”Traseu impus”. Are efect cand se apasa butonul iar robotul executa programul format de operator in mesajul Traseu inpus. (se transmit perechi x, y, cu coordonatele punctelor din teren si unghiul Theta pentru schimbarea directiei.
8. Buton ”Misiune-Zoom”, are effect cand este apasat ,se comunica transmiterea directiei de deplasare(unghi) cu ajutorul Joystick-V. Directia este confirmata cu butonul Joystickului. Cand butonul nu este activat avem starea Zoom.

5.3.Afisare imagine de dirijare,imagini culese,comenzi si semnalizari primite dela robot.

5.3.1.Formatul de afisare pe ecranul telecomenzii.

5.3.2.Vizualizarea imaginilor video.

Imaginile video se obtin in regimul de supraveghere cand este cuplata camera directionala putand fi acompaniate de zgomotul sonor din proximitatea robotului.Aceasta se afiseaza in locul imaginii panoramice si va fi inregistrata pentru utilizari ulterioare.

5.3.3.Descrierea aplicatiei de vizualizare si prelucrare a imaginii omnidirectionale.

5.3.3.1.Descriere generala.

Imaginea omnidirectionala captata de la bordul robotului, de ansamblul camera video si oglinda parabolica, este transmisa la un echipament de calcul prin canal radio.
Aplicatia ImageProc asigura urmatoarele functiuni:

• Receptioneaza imaginea video transmisa de camara prin preluarea frame-urilor succesive,
• Afiseaza aceasta imagine intr-o fereastra de vizualizare,
• Transforma imaginea receptionata intr-o imagine desfasurata (unwrap) si o afiseaza intr-o alta fereastra dedicata. Imaginea aceasta va fi utila operatorului pentru evaluarea ambiantului in care evoluiaza robotul (imagine Omni).
• Permite decuparea din imaginea desfasurata a unei regiuni de interes care corespunde cu directia de deplasare a robotului. Aceasta imagine va fi utilizata pentru vizualizarea spatiului din directia de inaintare a robotului (imagine Robot).
• Asigura interactivatea cu operatorul in scopul alegerii urmatorilor parametri de prelucrare si vizualizare :
   o Selectia parametrilor geometrici ai imaginii receptionate.
   o Selectia algoritmului de interpolare utilizat,
   o Selectia zonei de interes care va fi decupata din imaginea desfasurata.

Aplicatia ImageProc necesita pentru utilizare un sistem de calcul cu sistem de operare Windows NT/XP si framework .NET 2.0. Minimum de resurse sunt : memorie RAM de 1MB, spatiu HDD 20 MB (doar in cazul in care nu se doreste si memorarea imaginilor receptionate de la camera video).

5.3.3.2.Asigurarea interactivitatii operator robot.

Aplicatia care asigura prelucrarea imaginii receptionate de la camera omnidirectionala permite si transmiterea catre robot a unor comenzi privind directia si viteza de deplasare sau actionarea unor elemente de la bordul robotului, precum si afisarea pentru operator a raportului de stare receptionat de la robot. Acest raport de stare se transmite in mod autonom fara interventia operatorului.
Pentru transmiterea de comenzi catre robot se utilizeaza o telecomanda conectata la sistemul de calcul. Comenzile generate de aceasta sunt receptionate de aplicatie si se formeaza un pachet de date care se transmite, pe canal radio, catre robot.
Informatiile de stare se transmit intr-un pachet de date care contine un raport complet al starii. Periodicitatea acestui raport este de circa 300 ms.
Aplicatia materializeaza informatiile de stare intr-o fereastra dedicata.
In mod special, in fereastra cu imaginea desfasurata, se afiseaza un reticul vertical care este pozitionat pe directia de deplasare a robotului si rezulta pe baza directiei de deplasare raportate de echipamentul de la bordul robotului.
Suprapus imaginii se afiseaza si informatii cinematice: viteza de deplasare si directia, exprimata in unghiul fata de nord.

COLECTIV DE CERCETARE:
Dr. ing. Nicolae IRIMIE
ing. Alexandru ZORILĂ
ing. Alexandru NAN
ing. Lucian SIMION
ing. Nicolae NEACŞU

Etapa a IV-a

Proiectul "ROBOT MOBIL PENTRU OBSERVARE, CERCETARE SI SUPRAVEGHERE – ROBO-MOCS" si-a propus sa realizeze in etapa IV "Documentatie realizare prototip robot si experimentare in conditii de teren", prototipul ROBO-MOCS si sa-l experimenteze in teren.

Platforma ROBO-MOCS

Telecomanda ROBO-MOCS

1.Probleme generale privind realizarea protipului

Deoarece in etapa III-a au fost realizate si experimentate individual toate componentele robotului in ultima etapa efortul principal a fost canalizat spre integrarea in sistem a componentelor hardware si software operatiune extrem de complexa.Am inceput prin asigurarea integrarii din punct de vedere mecanic si electronic prin elaborarea documentatiei tehnice cuprinzand desenele de ansamblu si cele de montare a elementelor robotului pe baza acestuia,activitate laborioasa dar de rutina pentru orice proiect complex.Problemele de reala dificultate cu care colectivul sa confruntat se refera la:integrarea senzorilor cu elementele de executie,cu echipamentele de comunicatii si cu platformele de calcul,compatibilizarea pachetelor software,functionarea de ansamblu a robotului si elaborarea unei metodologii de testarea robotilor-metodologie inexistenta in tara.Principalele elemente componente ale robotului sunt:

-Echipamentul optronic de dirijare,compus din camera Omnidirectionala,camera directionala si platforma de actionare a camerei directionale;
-Iluminatorul IR pentru lucrul camerei directionale in conditii de nivele scazute de iluminare;
-Iluminatorul (lumina alba)pentru lucrul camerei Omni pe timp de noapte;
-Senzorii sonar si de contact pentru detectarea obstacolelor in scopul navigatiei autonome a robotului;
-Sistemul de actionare al platformei;
-Sistemul odometric si de orientare(busola electronica);
-Sistemul de comunicatii date si video;
-Platforma de calcul-calculatorul de bord;
-Sistemul de Telecomanda;
-Sistemul de alimentare;
-Pachetul software aferent calculatorului de bord;
-Pachetul software aferent Telecomenzii.

2. Elementele componente ale prototipului realizate in cadrul proiectului

2.1.Echipamentul optronic de teledirijare

A fost realizat un Echipament optronic pentru teleoperarea robotilor mobili, sub forma unei combinari a unei camere omnidirectionala cu o camera directionala si un sistem de orientare al acesteia,cu o dispunere speciala pentru a servi la teleoperarea unui robot mobil. Echipamentul inlatura neajunsurile camerelor omnidirectionale, precum rezolutia scazuta, lipsa zoom-ului, efectul de bluring, coma si astigmatism, prin montarea unei camere directionale care poate creea imagini de inalta calitate in orice punct de interes al imaginii omni. Aplicatiile echipamentului sunt multiple si se refera la culegerea imaginilor de pe mobile in miscare, culegerea informatiilor in sistemele de supraveghere, telecomanda robotilor, navigatia autonoma a robotilor. Avantajul principal in teleoperarea robotilor este ca operatorul aflat la distanta are iluzia ca se gaseste dispus chiar pe robot iar terenul pe care il vede camera omni si deci si operatorul este nedistorsionat, pana la distanta de 2-3 m. Echipamentul realizat este o premiera in telecomanda robotilor si a fost propus pentru brevetare la OSIM.

2.2. Iluminatorul in lumina alba.

Este un echipament simplu constand din mai multe LED-uri care emit lumina alba si sunt montate in zona frontala a robotului pe un arc de cerc astfel ca sa asigure iluminarea terenului din fata robotului pe o distanta de 5-6m,zona in care se iau imagini de catre camera OMNI pentru navigatia robotului.

2.3. Iluminatorul IR.

S-a dezvoltat un iluminator IR de mici dimensiuni avand o apertura larga astfel ca la distanta de 100 m sa poata supraveghea suprafete de 1x1m la 50x50m, cu urmatoarele caracteristici:

-Lungime de unda 790nm;
-Unghi de iluminare 1º-10º;
-Greutate 0.08 Kg;
-Optica ajustabila;
-Alimentare 3V- 1xCR123;
-Autonomie 3-4 ore;

Experimentarile efectuate au dat rezultate foarte bune o imagine aflata la 100m. este vazuta de camera CCD in conditii de intuneric total,ceea ce exclude nevoia unor camere cu intensificator de imagine exceptie facand misiunile in care se cere un echipament pasiv care sa nu poata fi descoperit de adversar.

2.4. Senzorii sonar si de contact.

2.4.1 Senzori pentru detectarea obstacolelor, de tip SONAR

Detectorii de distanta bazati pe sonar au la baza principiul timpului necesar unui pachet(impuls) de unde acustice de a parcurge distanta pana la un obstacol, cunoscandu-se viteza in aer se poate determina distanta. Sonarul este larg folosit în detectia obstacolelor pentru robotii mobili din cauza pretului scazut si a relativei independente fata de mediu, lumina, fum etc. Datele furnizate de sonar sunt utilizate atat pentru detectarea obstacolelor cat si pentru ridicarea hartii terenului. Totusi, datele furnizate de sonar sunt afectate de o serie de erori cu implicatii majore asupra preciziei masuratorilor care depind de temperatura si presiune a mediului. Principalele caracteristici ale sonarului utilizat:

- Distanta - 3cm la 6ms
- Alimentare: 5V; +/-10%
- Consum: 15 mA;
- Interfata: I2C;
- Diagrama de dir. 60 grade;
- Frecventa pachetului - 40 kHz pentru 200 μS durata;
- Dimensiuni: L- 43 mm,W- 20 mm, H- 17 mm.

Deoarece distanta nominala a unui senzor sonar este de aproximativ 11m, citirea unui senzor dureaza 65 ms, rezultand ca pentru o citire fara influente intre cele 5 sonare sa se obtina o durata de 65x5=325ms. Deci pe secunda se pot face 3 citiri(aprox.3,3 Hz). Frecventa obtinuta este suficienta, dar pe viitor avand in vedere tehnologia de reducere a diagramei de directivitate se va putea scurta durata unui ciclu la 20ms, iar sonarele vor fi comandate in pachete, respectiv sonarele 1, 3, 5 si 2, 4 cea ce va conduce la o durata totala de 200ms cu consecinta realizarii unei frecvente de 5Hz. Pentru a realiza o detectie eficienta au fost utilizate 5 sonare care acopera complect o zona unghiulara de 60-80 grade in fata robotului, dispunerea facandu-se ca in figura de mai jos.

dispunerea sonarelor

Experimentarile au demonstrat ca sonarele sunt extrem de performante detectand obiecte mari la distante de peste 5-6 m. Un tub de carton cu diametru de 10cm este detectat constant la peste 2-2,5m. Deoarece in teren datorita marii sensibilitati apar obstacole nedorite(iarba, frunze, etc.) iar rezolutia unghiulara este mare, peste 60º am efectuat o cercetare pentru ingustarea diagramei de directivitate prin montarea unor tuburi de lungimi variabile(1-3cm) si din materiale cu diverse calitati de propagare a sunetului(plastic, metal, materiale absorbante). Am reusit ca realizand tuburi de 3cm cu material absorbant sa ingustam diagrama de directivitate la 10-15 grade fara o scadere apreciabila a distantei de detectie.

2.4.2.Senzorii de contact.

Pentru a realiza protectia robotului la ciocniri directe cu obstacolele,au fost prevazuti in partea frontala 3 senzori mecanici bazati pe contacte mecanice care la atingerea unui obiect semnalizeaza impactul iar calculatorul de bord ia decizia de oprire a robotului.Este o situatie nedorita si iesirea din impas o poate rezolva numai operatorul cu ajutorul telecomenzii.

2.5. Sistemul de navigatie al platformei(robotului)

Sistemul de navigatie este destinat coordonarii activitatilor de deplasare ale robotului constand in principal din doua componente functie de regimul de lucru al robotului si este compus din Calculatorul de bord,senzorii de obstacole,sistemul odometric si busola si telecomanda aflata la distanta.

2.5.1. Navigatia in regim Telecomandat.

Acest regim este regimul de baza de lucru al robotului si se executa prin intermediul calculatorului de bord si al telecomenzii pe baza imaginilor furnizate de catre Echipamentul optronic de dirijare si a datelor transmise de catre robot operatorului(pozitie robot,viteza,directia de deplasare,starea mediului,etc.).

2.5.2. Navigatia in regim autonom.(Controler Fuzzy pentru navigatie).

In regimul de functionare autonom pe baza datelor furnizate de senzori a fost elaborat un algoritm de evitare obstacole bazat pe teoria comportamentelor si implementat in logica Fuzzy, algoritmul a fost simulat in Matlab si transferat apoi in C++ ruland pe microcontrolerul Master.
Algoritmul este compus din mai multe functii :

• Generarea functilor de apartenenta pentru intrari se face cu ajutorul unor functii generale denumite triunghi si respectiv trapez cu diferiti parametri, in functie de parametri de intrare se definesc punctele de inflexiune ale functilor.

• Generarea regulilor de inferenta logica se face in urma simulari din matlab si a functiilor de apartenta pentru fiecare senzor in parte. Daca val S1 apartine functiei Dprot, sau daca S2 apartine functiei Dprot, iar val S3 apartine functiei Dprot si S4 sau S5 apartin tot Dprot atunci V.C=Z , VL=Inapoi;

• Functia de defuzzificare pentru calcularea deciziei se foloseste algoritmul Sugeno pentru discretizare functilor de iesire astfel reducandu-se mult numarul de operati de calcul efective in defavoarea unui rezultat mai putin precis insa ofera o precizie satisfacatoare pentru cerintele propuse.

Regimul autonom este supravegheat de catre operator pe consola telecomenzii si periodic operatorul poate schimba directia de deplasare prin modificarea unghiului spre tinta(destinatie) in acest fel operatorul este ajutat sa deplaseze robotul in zona dorita cu un efort minim.

2.6. Sistemul odometric si de orientare

Este compus din 2 componente principale si care se compenseaza reciproc.

2.6.1 Senzorii odometrici

In calitate de senzori de rotatie se folosesc doua encodere cu urmatoarelecaracteristici:
-rezolutia: 500impulsuri/rotatie;
-semnale furnizate: 2canale in cuadratura;
-alimentare 5v@85mA;
-vibratii: 5-2000Hz = 20g;
-temp de lucru: -40÷100ºC.

Pozitia encoderelor este citita de microcontroler, transformata in elemente de pozitie a robotului x, y, θ(orientare) si este folosita de robot pentru navigatie. Formulele de calcul folosite sunt dezvoltate la partea de programe. Preciziile obtinute in determinarea pozitiei se apreciaza ca fiind de ordinul a 4÷5%, insa depinde de gradul de accidentare al terenului , pe care se face deplasarea robotului si natura sa.

2.6.2. Senzorii de pozitie a robotului(Compasul magnetic digital)

A fost introdus in componenţă avand in vedere faptul ca directia de deplasare a robotului, determinata prin metoda odometriei, are o precizie mica iar operatorul telecomenzii are nevoie permanenta de capul compas. Deasemenea pozitia robotului calculata pe baza odometriei are erori mari dar recalculata folosind unghiul furnizat de busola, rezultatele se imbunatatesc radical. Principalele caracteristici:
-precizie in directie: 0.5º;
-precizia in inclinare: <1º;

-consum redus: <30mA@ 3.3V;

-compensat la prezenta metalelor; -interfata seriala RS 232;
-rezistenta la socuri: 10000g.

Datele furnizate de busola, capul compas si inclinarea robotului in cele doua planuri, se transmit operatorului pentru a cunoaste in permanent pozitia robotului, in acelasi timp vor fi utilizate la calculul automat al pozitiei robotului, compensand erorile furnizate prin odometrie. Eroarea in furnizarea capului compas este sub 0,7%.

2.7. Echipamentul stereo pentru detectia obstacolelor

La faza de prototip a fost realizat un model de sistem pentru detectia obstacolelor folosind vederea stereo care ar putea deveni pe viitor un mijloc excelent navigarea robotului in teren cu obstacole eliberand operatorul de o sarcina dificila. Experimentarile au fost incurajatoare si se descriu in cele ce urmeaza. Pentru proiectul propus culegerea informaţiilor furnizate de 2 camere web s-a facut prin achiziţia de imagini cu librăria de instrumente virtuale IVISION V1.8 de la Hypertech. Aceasta librărie conţine rutine sub forma de instrumente virtuale capabile sa achiziţioneze imagini si sa înregistreze filme de la surse comune precum camerele web, TV-tunere, sau orice placa de captura ce suporta drivere WDM sau VFW compatibile cu modul de lucru DirectShow. Funcţiile de procesare a imaginilor sunt bazate pe librăria Intel OpenCV.
Deoarece camerele web sunt conectate orizontal şi eroarea de paralaxă este folosită pentru calculul distanţei la obiecte, rezulta ca detaliile verticale sunt cele mai importante pentru a fi evidenţiate. Acest lucru se obţine realizând o derivare a imaginii pe linii.
Locaţia acestor zone de interes pe orizontala poate fi data de rezultatul derivării imaginii mai sus prezentat. Pentru poziţionarea lor pe verticală se va împărţi imaginea in benzi verticale cu lăţimea egala cu a zonei de interes. Astfel ca pentru zone de interes cu dimensiune mica vor fi mai multe astfel de benzi pe care se va realiza căutarea, rezultând o rezoluţie mai buna. În cazul zonelor mai mari vor fi mai puţine astfel de benzi si deci o rezoluţie mai mică:

Segmentare pe zone de 40 pixeli cu evidenţierea benzilor orizontale

Din exemplul ataşat se remarca ca pe orizontală zonele de interes se pot întrepătrunde. Este posibilă şi o întrepătrundere pe verticală însa timpul de calul creste semnificativ, limitarea fiind data doar de puterea de calcul al sistemului folosit.Este o cercetare care pe viitor ar putea fi exploatata in domeniul roboticii si in general al navigatiei autonome.

2.8. Sistemul de comunicatii date si video.

Platforma ROBO-MOCS are nevoie de o legatura fara fir pentru date, video si audio.
Din analiza studiilor efectuate in utilizarea robotilor am ales ca frecventa de transmitere pentru imagini si date, frecventa de 900 Mhz propagarea in comparatie cu frecventele de 2,4Ghz.si mai mari fiind cu mult mai buna in special la utilizarea in cladiri. Modemul radio este realizat pe frecventa de 900MHz lucrand in conditii de mediu deosebite, de mici dimensiuni si greutate redusa asigurand o viteze de transmitere de 3Mbps si o putere de 200-500mW. Statia pereche montata pe echipamentul de telecomanda poate avea in plus o antena directive(Yagi) de mici dimensiuni, corespunzatoare pentru asigurarea distantei de 500m(in cazuri speciale1000m, utilizand o statie radio care utilizeaza principiul diversitatii pentru a minimiza efectul reflexiilor multiple). O atentie deosebita a fost acordata locului de montare pe robot a antenei de emisie si tipului acesteia pentru a evita intreruperea transmisiei datorita obstacolelor din teren.Transmiterea datelor se face pe aceiasi statie radio folosind canalul audio pe care sunt montate modemuri de mica viteza.Astfel operatorul dispune de o reactie rapeda a robotului care ii furnizeaza date de pozitie,viteza de deplasare ,inclinare robot,stare senzori,diverse alarme.Legarea Telecomenzii de robot sa facut prin utilizarea unui echipament radio-modem de mica viteza dar in banda de frecvente 400-500Mhz,banda care asigura distente de 500-1000m. fara probleme.

2.8.1.Modemul Radio(E/R).

Modemul radio care asigura transmiterea comenzilor catre robot si receptionarea mesajelor de stare ale robotului are urmatoarele caracteristici:
1.Gama frecvente: 406 - 512MHz.
2.Alimentare: 12VDC (10V – 15.5DC)
3.Transmitator:
1.1.1.Putere RF Out: 470TR-1 - 10mW - 750mW
1.1.2.Modulatie: Programabila pentru FFSK, 2-nivele FSK, GMSK sau 4-nivele FSK.
4.Modem intern :
Comunicatia seriala: asincrona cu viteza de transmitere programabila intre 150bps si 38,400bps cu formatele:

Format: Asincron (sau Sincron cu software corespunzator).
Programabil; Par, Impar sau Fara Paritate, 1/2 biti de stop, 8/9 biti de date.
Viteza de transfer: Programabila de la 150bps la 38400bps

2.8.2.Emitator analogic.

Este un emitator radio pe frecventa de 900 Mhz. avand o putere de 500mW,special destinat transmiterii semnalelor video,cu distanta de transmitere cu mult sporita fata de transmitatoarele din banda de 2400Mhz.Are 2 canale de transmitere,video si sunet pe care se transmit imaginile furnizate de camere si sunetele captate de microfonul montat pe robot.

2.8.3. Receptor video analogic.

Partea de comunicatii analogice receptioneaza date de la sistemele de captura a imaginii si a sunetului de la robot.
Aceasta parte este asigurata de un receptor audio/video in banda UHF, cu urmatoarele caracteristici:

receptor audio/video cu 4 canale selectabile din comutator;
largimea de banda totala: 400+ linii TV color + un canal audio mono
modulatie in frecventa(FM modulation)
stabilitate semnal +/- 250KHz PLL
greutate: 139g

2.9.Platforma de calcul-Calculatorul de bord.

Deoarece ROBO MOCS este un sistem robotic mobil integrat avand un sistem senzorial compus din: sonare;senzori de contact; odometru si busola a fost dotat pentru asigurarea prelucrarilor si luarea deciziilor de un sistem multiprocesor special, denumit calculator de bord, care controleaza senzorii, miscarea si comunicatiile. Calculatorul de bord este compus din 2 microcontrolere de tip AVR ATMega 128 unul pentru gestiunea si citirea senzorilor si al 2-lea pentru primire ,formare comenzi si luarea deciziilor.

Microcontrolerele au urmatoarele caracteristici principale:
-Arhitectura RISC pe 8 biti, 133 de instructiuni, 10MIPS;
-128Kb memorie Flash, 4Kb EEPROM si 4Kb RAM, interfete de programare SPI si JTAG pentru hardware debug;
-8 canale ADC de 10 biti, 6 canale PWM de max 16 biti; interfata I2C; 2 USART; SPI; comparator intern; 2 timere a 8 biti si alte 2 a 16 biti;
-Oscilator intern de maxim 8 Mhz; Prescaler de frecventa max 1024; Intreruperi interne si externe; mod de functionare cu consum de putere redus si in asteptare;
-Tensiunea de alimentare 4.5-5.5V iar frecventa de operare 0-16Mhz

2.9.1 Sistemul de Telecomanda.

Schema bloc a telecomenzii

Telecomanda robotului este compusa din urmatoarele blocuri principale:
1.blocul de calcul si control care elaboreaza si trimite comenzile in functie de datele primite de la senzorii robotului;
2.blocul de comunicatie care asigura comunicarea bidirectionala de date si unidirectionala de imagini intre robot si telecomanda;
3.blocul de introducere date (Joystick);
4.blocul de afisare care permite vizualizarea comenzilor si datelor procesate de blocul de calcul si control
5.blocul de alimentare care furnizeaza tensiunile stabilizate de 12V si 5V.

2.10 Sistemul de alimentare.

Robotul este dotat cu doua tipuri de acumulatori.
Acumulatorii pentru alimentarea componentei motoare, care contin doua pachete de tip NiCad, de 24V fiecare, conectate in paralel; fiecare pachet continand celule de 1.2V si 3Ah. Timpul de functionare continua este de aprox. 2 ore.
Acumulatorii pentru electronica suplimentara sunt de tip Li-ion, cu o capacitate de 133Wh, dimensiuni 27 cm x14.5 cm x 3.25 cm, tensiune de iesire de 16V si max. 4.75A, asigura o functionalitate de minim 4h.

2.11 Platforma software a robotului.

Pachetul software descris in continuare curprinde elementele de baza, care guverneaza operationalitatea robotului la nivelul de platforma, cuprinzand senzorii sonar si de contact, busola electronica, platforma video, actuatori pentru comutare iluminare normala si infrarosu, actionarea motoarelor motrice, procesare comenzi si informatii de la si catre telecomanda. Se face o descriere amanuntita deoarece aceste programe sunt utile oricarui robot si dorim prin aceasta sa punem la dispozitia celor care lucreaza in domeniul roboticii aceste pachete standard.

Software-ul a fost implementat pe procesoare RISC de 8 biti la frecv de 16Mhz, constituind Calculatorul de bord si care sunt capabile sa execute aproximativ 16MIPS(milioane de instructiuni pe secunda). Codul aferent este editat intr-un mediu IDE specific producatorului, AVRStudio si compilat sub AVR-GCC care este un compilator GPL(General Public License). Limbajul de programare folosit este C/C++ sau asembler.

Arhitectura sistemului de calcul este compusa din doua astfel procesoare avand o frecventa de tact de 16 MHz, unul operand ca Master si celalalt Slave, intre ele existand un protocol de comunicare bidirectional propriu stabilit in functie de nevoia de prioritati. Programele care deservesc achizitia de date sunt construite modular pentru fiecare senzor in parte, iar impreuna cu protocolul de comunicati aferent comunicari intre procesoare alcatuiesc software-ul pentru procesorul Slave. Masterul asigura receptionarea datelor de la telecomanda si prelucrarea lor iar sistemul de comenzi ale motoarelor de deplasare ale platformei robotului este asigurata de catre Master pe baza regimului de functionare autonom/manual ales. Algoritmul decizional in cazul regimului autonom este asigurat tot de catre procesorul Master in baza informatilor colectate de procesorul Slave de la senzori si trimise la Master.

Functiile asigurate de catre Slave:

Citire Sonare
Citire Busola
Comanda camera directionala
Citire Poziti encodere
Calculare date Odometrice
Citire nivel baterie
Citire nivel lumina ambianta
Schimbul de date si mesaje-Master-Slave

Functile asigurate de catre Master

Receptionare date Slave
Trimite date Slave
Receptionare Date de la Telecomanda
Trimite date catre Telecomanda
Controler Fuzzy (evitare obstacole)
Comanda motoare
Comenzi actuatori

2.12 Platforma software a Telecomenzii.

Pachetul software este implementat pe un procesor Intel-Celeron-1,3Ghz.lucrand sub Windows XP. Procesorul este deosebit de performant fiind apt pentru a face prelucrarea in timp real a imaginilor furnizate de camerele montate pe robot.Deasemenea procesorul permite memorarea imaginilor culese de robot si redarea ulterioara a acestora.

2.12.1 Software pentru gestiunea telecomenzii,formarea comenzilor si afisarea starii robotului

2.12.2 Software de vizualizare si prelucrare a imaginii omnidirectionale.

Receptioneaza imaginea video transmisa de camara prin preluarea cadrelor succesive,>
Afiseaza aceasta imagine intr-o fereastra de vizualizare,
Transforma imaginea receptionata intr-o imagine desfasurata (unwrap) si o afiseaza intr-o alta fereastra dedicata. Imaginea aceasta va fi utila operatorului pentru evaluarea ambiantului in care evoluiaza robotul (imagine Omni).
Permite decuparea din imaginea desfasurata a unei regiuni de interes care corespunde cu directia de deplasare a robotului. Aceasta imagine va fi utilizata pentru vizualizarea spatiului din directia de inaintare a robotului (imagine Robot).
Asigura interactivatea cu operatorul in scopul alegerii urmatorilor parametri de prelucrare si vizualizare :
- Selectia parametrilor geometrici ai imaginii receptionate.
- Selectia algoritmului de interpolare utilizat,
- Selectia zonei de interes care va fi decupata din imaginea desfasurata.

Aplicatia ImageProc necesita pentru utilizare un sistem de calcul cu sistem de operare Windows NT/XP si framework .NET 2.0. Minimum de resurse sunt : memorie RAM de 1MB, spatiu HDD 20 MB (doar in cazul in care nu se doreste si memorarea imaginilor receptionate de la camera video).

Imaginea furnizata de camera omnidirectionala

Imagine "desfasurata", panoramica

3 Echipamentele pentru culegerea informatiilor.

3.1 Camera CCD

3.1.1 Platforma de actionare a camerei CCD.

3.2 Camera termala

proiectului OPTELLA

3.3 Camera de vedere pe timp de noapte cu intensificator de imagine.

4 Integrarea echipamentelor si pachetelor software in platforma robotului.

5 Experimentari si testari.

Majoritatea experimentarilor facute se refera la: culegerea imaginilor de dirijare,verificarea efectului telecomenzilor, compatibilizarea parametrilor din pachetele software cu efectul produs in teren asupra robotului ca: viteza de deplasare, directia de deplasare, raza de curbura, rapiditatea comenzilor, numarul de comenzi pe secunda, durata de lucru a bateriilor, pantele de urcare si coborare, inclinarea robotului, precizia pozitie robotului transmisa la operator, corectitudinea imaginilor culese. Aceste activitati au insumat o mare parte din timpul afectat fazei prototip, rezumatul sau concluziile se prezinta in raportul la planul de testare.

COLECTIV DE CERCETARE:
Dr. ing. Nicolae IRIMIE
ing. Alexandru ZORILĂ
ing. Alexandru NAN
ing. Lucian SIMION
ing. Nicolae NEACŞU

PROGRAM Inovare - Proiect Robo-Mocs

CUPRINS

Descrierea echipamentelor:

Echipamentele de culegerea informatiilor.

REALIZARI PE ETAPE:

ETAPA I

Senzori tip SONAR

Echipamentele de culegere informatii

Echipamentele de calcul

Experimentari-Testari-Simulari.

ETAPA a II-a

1.1 Baza robotului:

1.2 Sistemul de telecomanda

1.3.1 Senzori pentru detectarea obstacolelor de tip SONAR

1.3.2.Senzorii odometrici

1.3.3 Senzorii de pozitie a robotului(Compasul magnetic digital)

1.3.4 Echipamentul Optronic pentru TEledirijarea unui Robot Mobil(EOTERM).

1.3.5 Echipamentul stereo pentru detectia obstacolelor.

1.4 Echipamentele pentru culegerea informatiilor.

1.4.1 Camera CCD

1.4.2 Platforma de actionare a camerei CCD.

1.4.3 Iluminator Laser

1.4.4 Camera termala

1.4.5 Camera de vedere pe timp de noapte cu intensificator de imagine.

1.5 Alimentarea cu energie a platformei

1.6 Comunicatiile

1.7 Calculatorul de bord.

1.8 Platforma software pentru modelul experimental

1.9 Experimentari-Testari-Simulari

ETAPA a III-a

1 Introducere

2.Calculatorul de bord ca element de baza care asigura toate actiunile pe care robotul le desfasoara autonom sau telecomandat.

3.Controler Fuzzy, bazat pe comportamente pentru navigare autonoma

3.1.Generalitati

3.2 Controalele bazate pe comportamente.

3.3.Robotul, aranjamentul senzorilor si realizarea controlului bazat pe comportamente

3.3.1. Aranjament sonare

3.3.2.Realizarea comportamentelor.

3.3.3.Stabilirea regulilor de inferenta si a metodei de defuzificare.

3.4. Implementare Software.

3.4.1.Definirea controlerului: intrari, iesiri, tipul controler, denumire variabile si domeniul de apartenenta;

3.4.2.Definirea si alegerea formei functiilor de apartenenta pentru variabilele de intrare si iesire.

3.4.3.Verificarea functionarii controlerului ;

3.4.4.Afisarea grafica a dependentei variabilelor de iesire functie de valoarea variabilelor de intrare.

4. Camera Omnidirectionala ca instrument de baza in teleoperarea robotului.

4.1. Desfasurarea(expandarea) imaginilor omnidirectionale.

4.2. Sistemul de vedere omnidirectionala OMNI-VIN.

5. Telecomanda bazata pe imaginea transmisa de robot.

5.1.Schema bloc a telecomenzii

5.2 Elaborarea comenzilor: joystick-ul dispune de un numar de 12 butoane folosite astfel:

5.3.Afisare imagine de dirijare,imagini culese,comenzi si semnalizari primite dela robot.

5.3.1.Formatul de afisare pe ecranul telecomenzii.

5.3.2.Vizualizarea imaginilor video.

5.3.3.Descrierea aplicatiei de vizualizare si prelucrare a imaginii omnidirectionale.

5.3.3.1.Descriere generala.

5.3.3.2.Asigurarea interactivitatii operator robot.

Etapa a IV-a

1.Probleme generale privind realizarea protipului

2. Elementele componente ale prototipului realizate in cadrul proiectului

2.1.Echipamentul optronic de teledirijare

2.2. Iluminatorul in lumina alba.

2.3. Iluminatorul IR.

2.4. Senzorii sonar si de contact.

2.4.1 Senzori pentru detectarea obstacolelor, de tip SONAR

2.4.2.Senzorii de contact.

2.5. Sistemul de navigatie al platformei(robotului)

2.5.1. Navigatia in regim Telecomandat.

2.5.2. Navigatia in regim autonom.(Controler Fuzzy pentru navigatie).

2.6. Sistemul odometric si de orientare Este compus din 2 componente principale si care se compenseaza reciproc.

2.6.1 Senzorii odometrici

2.6.2. Senzorii de pozitie a robotului(Compasul magnetic digital)

2.7. Echipamentul stereo pentru detectia obstacolelor

2.8. Sistemul de comunicatii date si video.

2.8.1.Modemul Radio(E/R).

2.8.2.Emitator analogic.

2.8.3. Receptor video analogic.

2.9.Platforma de calcul-Calculatorul de bord.

2.9.1 Sistemul de Telecomanda.

2.10 Sistemul de alimentare.

2.11 Platforma software a robotului.

2.6. Sistemul odometric si de orientare

Este compus din 2 componente principale si care se compenseaza reciproc.