Zastosowanie dalmierza laserowego do wyznaczania położenia obiektów w otoczeniu bezzałogowego pojazdu lądowego

Transkrypt

1 BIULETYN WAT VOL. LV, NR 3, 2006 Zastosowanie dalmierza laserowego do wyznaczania położenia obiektów w otoczeniu bezzałogowego pojazdu lądowego ANDRZEJ TYPIAK Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy Maszyn, Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 Streszczenie. Rozpoznanie otoczenia pojazdów bezzałogowych jest jednym z podstawowych czynników warunkujących ich prawidłowe przemieszczanie się w terenie. W artykule przedstawiono zadania dla systemu rozpoznania i zaproponowano zastosowanie dalmierza laserowego 2-D do lokalizowania położenia obiektów w otoczeniu pojazdu. Następnie zaprezentowano rezultaty zastosowania przyjętej metody filtracji wyników pomiarów, do przestrzennego zobrazowania otoczenia. Słowa kluczowe: zdalne sterowanie, pojazd bezzałogowy, dalmierz laserowy, zobrazowanie otoczenia Symbole UKD: Wprowadzenie Rozpoznanie otoczenia bezzałogowego pojazdu lądowego (BPL), klasyfikacja obiektów w jego bezpośrednim sąsiedztwie, ocena zagrożeń i wybór bezkolizyjnych korytarzy są naczelnymi zadaniami układu sterowania pojazdem. Jednym z podstawowych czynników umożliwiających prawidłowe wykonanie zadania przez układ rozpoznania jest dobór czujników postrzegania otoczenia. Należy przy tym uwzględnić następujące prawidłowości: 1. Nie istnieje jeden uniwersalny czujnik należy dokonać doboru wieloelementowego czujnika opartego o różne metody pomiarowe, umożliwiającego dobór najkorzystniejszej metodyki pomiaru dla danych warunków działania pojazdu.

2 60 A. Typiak 2. Dobór czujników o pokrywających się możliwościach zapewni redundantność systemu, zwiększy dopuszczalną tolerancję błędu pomiarowego i wymagany stosunek sygnał/szum poprzez wykorzystanie kilku czujników. 3. Minimalizacja liczby rodzajów stosowanych czujników ułatwi ich obsługę i opracowywanie wyników pomiarów. Korzystnym rozwiązaniem może być stosowanie czujników dających szerokie spektrum informacji. Należy natomiast ograniczać liczbę czujników przystosowanych do wykonywania specjalizowanych pomiarów w specyficznych warunkach. Do najpowszechniej stosowanych czujników umożliwiających lokalizowanie obiektów w otoczeniu mobilnych pojazdów należą między innymi: skanery laserowe 3-D, skanery błyskowe (Flash LADAR), kamery wideo (w tym zestawy stereowizyjne) i termalne oraz radary mikrofalowe. Najdogodniejszym narzędziem do tworzenia trójwymiarowego zobrazowania otoczenia jest skaner laserowy 3-D (rys. 1) [4]. Jednakże ze względu na jego wysoką cenę (ok. 100 tys. dolarów) oraz niską częstotliwość przetwarzania obrazu (0,5 Hz), jego dotychczasowe zastosowanie ogranicza się jedynie do prac naukowo-badawczych związanych z rozwojem pojazdów bezzałogowych. Podejmowane są natomiast próby wykorzystania dalmierza laserowego 2D, wyznaczającego w płaszczyźnie skanowania odległości do obserwowanych obiektów, do przestrzennego zobrazowania otoczenia [2, 3, 4, 6]. Rys. 1. Obraz terenu otrzymany za pomocą: a) zdjęcia fotograficznego; b) LADAR-a 3D poprzez pomiar reflektancji; c) LADAR-a 3D poprzez pomiar odległości [4]

3 Zastosowanie dalmierza laserowego do wyznaczania położenia obiektów Zadania systemu rozpoznania otoczenia bezzałogowego pojazdu lądowego Osiągnięcie rozpoznania otoczenia na poziomie wymaganym do autonomicznego przemieszczania się BPL w nieznanym terenie jest obecnie poza zasięgiem możliwości technologicznych. Dotychczasowe prace nad rozwojem dziedzin technologii związanych z systemem autonomicznego zachowania BPL prowadzone są niezależnie w wielu krajach, dotyczą rozwiązywania wyodrębnionych problemów i ciągle brak jest rozwiązań zapewniających pełne działania autonomiczne takich pojazdów [4, 7, 11]. Aktualnie, autonomicznie działające BPL mogą pokonywać częściowo rozpoznaną trasę z szybkością porównywalną do ludzkich możliwości. W ciągu dnia przy sprzyjających warunkach pogodowych mogą się one przemieszczać z prędkością ok. 100 km/h. Jednakże w nocy lub w niesprzyjających warunkach pogodowych prędkość ta maleje do maksymalnie ok. 30 km/h. Głównym powodem zmiany tych możliwości są trudności w wyborze trasy jazdy przez systemy sterujące. Zadania dla układu rozpoznania otoczenia zależą od rodzaju terenu, w jakim przemieszcza się pojazd. Gdy porusza się on po utwardzonej drodze, system rozpoznania musi odnajdować drogę, a także określać jej przebieg, wyznaczać i omijać przeszkody, identyfikować cechy pojawiających się obiektów, wykrywać oraz identyfikować znaczniki, wykrywać i wyznaczać tory ruchu innych pojazdów. Jeżeli natomiast przemieszcza się po bezdrożach, systemy sterujące muszą realizować o wiele bardziej skomplikowane zadania: wyznaczać trasę na podstawie podanych założeń taktycznych a następnie określać możliwości przejazdu po wyznaczonym terenie lub ponownie planować trasę; wyznaczać i omijać przeszkody; identyfikować cechy dostrzeganych obiektów i znaczników; wyszukiwać, identyfikować i wyznaczać tory jazdy innych pojazdów w formacji oraz ludzi. Efektem prowadzonych prac badawczych jest duża rodzajowość stosowanych czujników. Wprowadza to nadmiar informacji, nie rozwiązując problemu rozpoznania otoczenia. Jednym ze sposobów unormowania tego zagadnienia jest propozycja utworzenia tzw. stref postrzegania, na które podzielony byłby obszar przed przemieszczającym się pojazdem (rys. 2) [7]. Teren w promieniu 50 m określono mianem strefy aktywnej. W tej strefie system postrzegania BPL nakierowany jest na omijanie znajdujących się w niej przeszkód. Teren w odległości od 50 do 500 m jest strefą planowania trasy. Na podstawie informacji z tej strefy system rozpoznania otoczenia wyznacza trasę przejazdu. Strefa taktyczna sięga na odległość do 1000 m. Informacje z tej strefy przeznaczone są do wyznaczania cech terenu. Zadanie to ma istotne znaczenie zarówno przy wyznaczaniu dróg przejazdu, jak również przy wyszukaniu miejsc do ukrycia. Przydzielenie różnych priorytetów dla poszczególnych stref, pozwoli dobrać rodzaj czujników do wykonywanego zadania, a w konsekwencji uniknąć generowania sprzecznych rozkazów przez system sterujący pojazdu.

4 62 A. Typiak Rys. 2. Strefy rozpoznania otoczenia BPL [7] 3. Badania laboratoryjne i poligonowe wyznaczania położenia obiektów za pomocą dalmierza laserowego Stosowany do wyznaczania położenia obiektów dalmierz laserowy LMS 211 (Laser Measurment Systems) firmy SICK (rys. 3a) dokonuje pomiaru odległości poprzez pomiar czasu. Emitowany promień światła laserowego załamywany jest przez lustro wirujące z prędkością 75 obr/s w kierunku odwrotnym do ruchu wskazówek zegara. Układ sterujący dalmierza odmierza czas, w którym promień lasera przemierza odległość od nadajnika dalmierza do obiektu i po odbiciu się od jego powierzchni do odbiornika (rys. 3b). Na podstawie danych z dalmierza możemy otrzymać obraz będący przekrojem przestrzeni w płaszczyźnie wirującego promienia lasera (rys. 3c). Pomiar odległości może być wykonywany w pięciu zdeterminowanych zakresach (8, 16, 32, 80 i 160 m) w dwóch zakresach kąta azymutu: 100º (40 140º) oraz 180º (0 180º). Dla kąta skanowania 180º pomiar może być wykonywany z rozdzielczością 0,5º lub 1º, natomiast dla kąta 100º możliwe są trzy

5 Zastosowanie dalmierza laserowego do wyznaczania położenia obiektów Rys. 3. Dalmierz laserowy LMS 211: a) widok ogólny; b) zasada działania dalmierza; c) obraz otrzymany poprzez skanowanie terenu w kącie 100º z rozdzielczością 1º, x zarejestrowane punkty pomiarowe rozdzielczości skanowania: 0,25º, 0,5º lub 1º. Technicznie pomiar dokonywany jest zawsze z rozdzielczością 1º większe rozdzielczości skanowania uzyskuje poprzez dwu- lub czterokrotne pomiary dla zmiennej wartości kąta pierwszego pomiaru (0º i 0,5º lub 0º, 0,25º, 0,5º, 0,75º). Dlatego czas wykonywania pomiarów z większą rozdzielczością jest dwu- lub czterokrotnie dłuższy. Dane pomiarowe przesyłane są do komputera pomiarowego poprzez złącze szeregowe RS 232 lub RS 422 z programowaną szybkością transmisji: 9,6; 19,2; 38,4 lub 500 kb/s (dla RS 422). Do komunikacji komputera z dalmierzem opracowano w oparciu o protokół transmisyjny producenta program umożliwiający sterowanie dalmierzem i rejestrację danych pomiarowych. Dane zapisywane są w postaci macierzowej i zawierają: wartości kąta pomiaru, zmierzoną odległość do obiektu oraz wartość binarną informującą o poprawności wykonanego pomiaru. W celu określenia możliwości zastosowania dalmierza laserowego do lokalizowania przedmiotów i obiektów terenowych, przeprowadzono badania laboratoryjne i poligonowe. Podczas badań laboratoryjnych testowano: szybkości transmisji danych pomiarowych, stabilność pomiarów w czasie oraz zdolność wyznaczania położenia obiektów o różnych kształtach. Szybkość transmisji danych pomiarowych jest jednym z czynników decydujących o możliwości zastosowania dalmierza do zobrazowania otoczenia pojazdu w czasie rzeczywistym. Przyjęto, że dla pojazdu kołowego, posiadającego zdolność pokonywania rowów o szerokości 0,6 m i poruszającego się z prędkością 30 km/godz. teren przed pojazdem powinien być skanowany z częstotliwością 15 Hz. Przy skanowaniu przestrzeni w kącie 180º z rozdzielczością 1º, czas pomiaru wynosi 13,32 ms, ramka sygnału ma długość 362 bity, a czas jej transmisji wynosi 7,4 ms umożliwia to prawidłową i niezakłóconą transmisję danych

6 64 A. Typiak z wszystkich wykonanych pomiarów z częstotliwością 75 Hz. Natomiast przy rozdzielczości skanowania 0,25º czas pomiaru wynosi 52,28 ms, a maksymalna częstotliwość przetwarzania wynosi 18,8 Hz. Powyższa analiza wykazuje, że parametry techniczne dalmierza umożliwiają jego zastosowanie do wyznaczania położenia obiektów z wymaganą częstotliwością skanowania. W celu oceny stabilności pracy dalmierza przeprowadzono badania wyznaczania odległości do obiektu statycznego, umieszczonego w zadanej, stałej odległości. Wyniki pomiaru do płaszczyzny ustawionej prostopadle do osi podłużnej dalmierza w odległości 9440 mm, w czasie 1536 s (25,6 min) przedstawiono na rysunku 4. Wykres na rysunku 4a wykazuje cykliczny dryft wyników pomiaru (ok. 150 s), którego przebieg jest wyraźniejszy po zastosowaniu filtracji (rys. 4b). Analiza błędu pomiarowego wykazała, że wyznaczone odległości do płaszczyzny mieszczą się w przedziale od 9427 do 9449 mm, wartość średnia pomiaru wynosi 9439 mm, odchylenie standardowe 4,4 mm, wariancja 19,4 mm, rozrzut 0,23%. Rys. 4. Określenie stabilności pomiarów dalmierzem: a) wynik pomiaru: 1 dane pomiarowe, 2 wartość średnia; b) po filtracji danych pomiarowych: 1 dane po filtracji, 2 wartość średnia Następnie wyznaczono odległości do przedmiotów o różnorodnych kształtach (prostopadłościanu, walca) i różnym kącie ustawienia do dalmierza. Podczas badań skanowano przestrzeń z rozdzielczością 0,25º, 0,5º i 1º dla kątów skanowania 180º i 100º. Przykładowe wyniki przeprowadzonych pomiarów wyznaczania odległości do prostopadłościanu przedstawione są na rysunku 5. Przeprowadzone badania wykazały, że dokładność wyznaczania wymiarów i kształtów przedmiotów jest wprost proporcjonalna do rozdzielczości skanowania (rys. 5a). W czasie badań stwierdzono, że istnieje graniczna wartość kąta padania promienia lasera θ g, poniżej której nie jest on odbijany od powierzchni, lecz ulega załamaniu i rozproszeniu. Dla przeprowadzonych pomiarów wartość tego kąta wynosiła θ g = 5,75º.

7 Zastosowanie dalmierza laserowego do wyznaczania położenia obiektów Rys. 5. Wyznaczone punkty pomiarowe otrzymane przy wyznaczaniu odległości do prostopadłościanu (o wymiarach przekroju 680 mm x 120 mm): a) prostopadłościan ustawiony prostopadle do dalmierza; b) prostopadłościan ustawiony pod kątem 45º do dalmierza; rozdzielczości skanowania: pom 1 1º; pom 2 0,5º; pom 3 0,25º; ZS badany prostopadłościan (dla przejrzystości na rysunku przesunięty wzdłuż osi y) Kolejnym zaobserwowanym podczas badań zjawiskiem jest występowanie tzw. fałszywych punktów pomiarowych. Powstają one w wyniku interferencji promienia laserowego na krawędzi oświetlanego obiektu. Występuje ono wówczas, gdy część promienia odbijana jest od krawędzi obiektu, natomiast druga część od płaszczyzny za obiektem (rys. 6) [2, 10]. Rys. 6. Powstawanie tzw. fałszywych punktów pomiarowych podczas pomiarów otoczenia dalmierzem z wirującą wiązką laserową [10]

8 66 A. Typiak Celem badań poligonowych było określenie możliwości wyznaczania położenia i kształtów obiektów terenowych (budynków, drzew, krzewów, kamieni itp.) w płaszczyźnie skanowania dalmierza (rys. 7). Podczas pomiarów dalmierz ustawiany był kolejno w punktach 1 i 2, kąty skanowania wynosiły ϕ 1 = 180º i ϕ 2 = 100º a rozdzielczości skanowania odpowiednio 0,5º i 0,25º. Promień skanowania w obu przypadkach wynosił R = 80 m. Rys. 7. Teren badań poligonowych: B1, B2, B3 budynki; 1, 2 miejsca ustawienia dalmierza;.... ogrodzenie Fotografia terenu, w którym wykonano pierwszy pomiar, przedstawiona jest na rysunku 8a, natomiast jego obraz otrzymany na podstawie danych ze skanowania terenu w płaszczyźnie poziomej na wysokości 1,6 m od podłoża przedstawiony jest na rysunku 8b. Jego analiza jest utrudniona, ponieważ nie wszystkie zarejestrowane punkty pomiarowe są odzwierciedleniem obiektów z otoczenia dalmierza. Część z nich to punkty leżące na granicy zasięgu skanowania. Rejestrowane są one, gdy promień lasera nie napotyka na swej drodze żadnego obiektu, nie jest odbijany w danym ośrodku lub gdy pada na obiekt pod kątem mniejszym niż θ g. Wynikiem pomiaru jest wówczas punkt w odległości równej zaprogramowanej wartości zasięgu skanowania (tzw. błąd krótkiego zasięgu ) [8]. Z analizy rysunków 8a i 8b wynika, że promienie laserowe padające na szyby okienne nie są od nich odbijane i nie są rejestrowane przez odbiornik dalmierza (5 rys. 8a). Przenikają one przez szyby lub są przez nie rozpraszane (błąd rozproszenia ). Zjawisko to powinno być szczególnie uwzględniane przy wyznaczaniu położenia obiektów w terenie zurbanizowanym.

9 Zastosowanie dalmierza laserowego do wyznaczania położenia obiektów Rys. 8. Wyznaczanie położenia obiektów w terenie: a) widok terenu w którym wykonywano badania; b) obraz terenu otrzymany za pomocą dalmierza laserowego: 1 metalowy maszt; 2 krawędź pionowa budynku B1; 3 drzewo; 4 budynek B3; 5 okna sali wykładowej w budynku B2 4. Tworzenie przestrzennego zobrazowania otoczenia pojazdu Do wyznaczania w terenie trasy dla pojazdu bezzałogowego niezbędna jest informacja zarówno o rozmieszczeniu obiektów znajdujących się powyżej powierzchni terenu, po którym przemieszcza się pojazd (tzw. przeszkody dodatnie ), jak również informacja o występowaniu dziur lub rowów (tzw. przeszkody ujemne ). Dlatego wymagane jest skanowanie przestrzeni przed pojazdem nie tylko w płaszczyźnie poziomej, ale także w płaszczyznach ukośnych. Badania poligonowe wyznaczania położenia obiektów przeprowadzono przy wjeździe do garażu znajdującego się wewnątrz budynku B2 oraz na przylegającym do niego terenie (rys. 7). W pierwszym etapie skanowanie wykonywano stacjonarnym dalmierzem laserowym umieszczonym w punkcie A (rys. 9) na wysokości 2500 mm nad powierzchnią, zmieniając kąt pochylenia dalmierza φ w zakresie od 0º do 15º co 0,5º. Pomiary wykonano dla kąta skanowania ϕ 2 = 100º z rozdzielczością 0,25º [10]. Na rysunku 9c przedstawiony jest obraz otrzymany w wyniku skanowania terenu w płaszczyźnie równoległej do podłoża (L na rysunku 9). Widoczne na rysunku 9c, punkty pomiarowe (BDP) w odległości równej zasięgowi dalmierza powstały w wyniku wystąpienia tzw. błędów rozproszenia (załamanie promienia lasera na gładkiej ścianie garażu lub w gałęziach krzewów).

10 68 A. Typiak Rys. 9. Wyznaczanie położenia obiektów za pomocą dalmierza stacjonarnego: a) widok terenu badań; b) widok wjazdu do garażu; c) obraz otoczenia otrzymany poprzez skanowanie terenu w płaszczyźnie przechodzącej przez prostą L; 1 latarnia, 2 drzewo i brama, 3 przeszkoda wewnątrz garażu, 4 brama, 5 kosz, 6 drzewo, 7 kamień i krzewy, 8 krzewy, M przęsło mostu; A punkt startowy; BDP punkty wyznaczone na podstawie błędnych danych pomiarowych W celu otrzymania przestrzennego obrazu otoczenia pojazdu, przetransformowano dane otrzymane w wyniku wielopłaszczyznowego skanowania z układu współrzędnych związanego z dalmierzem laserowym do globalnego układu współrzędnych (rys. 10) g lg = Tl ll, (1) gdzie: l (,, ) T g = xg yg zg współrzędne obiektów w układzie globalnym; l (,, ) T l = xl yl z współrzędne obiektów we współrzędnych dalmierza l laserowego; g T macierz transformacji układu współrzędnych dalmierza l do globalnego układu współrzędnych.

11 Zastosowanie dalmierza laserowego do wyznaczania położenia obiektów Rys. 10. Schemat transformacji współrzędnych dalmierza do globalnego układu współrzędnych: x g, y g, z g współrzędne globalne, x v, y v, z v współrzędne pojazdu, x l, y l, z l współrzędne dalmierza Współrzędne geodezyjne obiektów zarejestrowanych przez dalmierz wyznaczano na podstawie zależności x = lc c c ls s s + tc c rc s + ps + m g yg = lc ( s s c + c s ) + ls ( c c s s s ) + t( s s c + c s ) r( c c s s s ) ps c + n zg = lc ( s s c s c ) + ls ( c s s + s c ) + t( s s c s c ) r( c s s + s c ) + pc c + o, (2) gdzie: c cosinus kąta; s sinus kąta; l zmierzona odległość obiektu od dalmierza; α kąt pomiędzy promieniem lasera a osią x l. Na rysunku 11 przedstawiony jest, wyznaczony na podstawie obliczeń (2), przestrzenny obraz otoczenia pojazdu, widoczny z punktu A (rys. 9b). Zawiera on zniekształcenia, ponieważ oprócz obiektów terenowych widoczne są na nim obiekty wyznaczone na podstawie błędnych danych pomiarowych (BDP). W celu ich eliminacji przetworzono wyniki pomiarów, stosując ich filtrację za pomocą filtru Wiennera. Rezultat filtracji danych z rysunku 8 (dla dodatniej osi 0x) przedstawiony jest na rysunku 12a. Filtr Wiennera jest efektywny przy filtracji szumu

12 70 A. Typiak Rys. 11. Obraz otoczenia pojazdu (z rys. 9a) otrzymany poprzez skanowanie terenu w kącie azymutu ϕ = od 40 do 140 i w kącie elewacji φ od 0 do 15 Rys. 12. Obraz terenu otrzymany poprzez filtrację danych pomiarowych (linie pogrubione); obraz terenu na podstawie danych pomiarowych (linie cienkie): a) zastosowanie filtru Wiennera; b) zastosowanie Adapcyjnego Filtru Medianowego niezależnego od sygnału, jednak, jak wykazały obliczenia, w rozpatrywanym przypadku sygnał i zakłócenie są ze sobą skorelowane. Ponieważ zastosowana procedura filtracji danych pomiarowych nie eliminuje błędów krótkiego zakresu oraz rozproszenia, zastosowano Adaptacyjny Filtr Medianowy (AFM). Filtry medianowe, dzięki zastosowaniu charakterystyki lokal-

13 Zastosowanie dalmierza laserowego do wyznaczania położenia obiektów nych danych wejściowych do zidentyfikowania uszkodzonych pikseli, zachowują lepszy stosunek pomiędzy wiernym odwzorowaniem szczegółów a redukcją szumów [3]. Rezultaty zastosowania filtru medianowego dla danych pomiarowych z rysunku 8b przedstawiono na rysunku 12b. Na rysunkach 13a i 13b przedstawione są natomiast obrazy skanowanego terenu, odpowiednio w punktach pomiarowych 1 i 2 (rys. 7), otrzymane w wyniku filtracji danych pomiarowych za pomocą filtru medianowego. Rys. 13. Obraz terenu otrzymany za pomocą dalmierza laserowego poprzez zastosowanie filtru medianowego: a) obraz terenu z rysunku 8a; b) obraz terenu z rysunku 9a Obraz terenu otrzymany na podstawie danych poddanych filtracji (rys. 13a) jest bardziej czytelny niż obraz otrzymany na podstawie bezpośrednich danych pomiarowych (widoczne jest to szczególnie przy wyznaczeniu linii ściany budynku B2), jednak zastosowany sposób przetworzenia danych pomiarowych wprowadza zniekształcenia. Obraz widocznego na rysunku 8a drzewa (3) ma średnicę około 0,8 m (rys. 8b), natomiast po zastosowaniu filtracji ma średnicę około 2 m (rys. 13a). Zjawisko to w przypadku wyznaczania trasy pojazdu odgrywać może zarówno rolę pozytywną (omijanie przeszkód terenowych w większej, bezpiecz-

14 72 A. Typiak niejszej odległości), jak również negatywną (wyznaczanie innej trasy przejazdu, ponieważ źle oszacowano szerokość dostępnego korytarza). Korzystniejsze wyniki otrzymano przy zastosowaniu filtracji do wyznaczania obrazu otoczenia terenu przedstawionego na rysunku 9a. Zarejestrowano mniej błędnych wyników pomiarowych (błędów krótkiego zakresu ) występowały głównie fałszywe punkty pomiarowe. Przyczyną tego był fakt, że odległość do obserwowanych obiektów terenowych będących w polu widzenia dalmierza była mniejsza od zaprogramowanego zasięgu skanowania (rys. 7). Przedstawiony na rysunku 14 przestrzenny obraz otoczenia jest wycinkiem sfery o promieniu R równym ustawionemu zasięgowi skanowania (80 m) o środku w punkcie ustawienia dalmierza, zawartym pomiędzy kątem elewacji równym kątowi zmian pochylenia dalmierza φ = 15 oraz kątem azymutu równym kątowi skanowania ϕ = 100, ograniczonym powierzchnią terenu oraz znajdującymi się na nim obiektami. Otrzymano go poprzez filtrację za pomocą AFM Rys. 14. Obraz otoczenia pojazdu (z rysunku 11a) otrzymany poprzez skanowanie terenu w kącie azymutu ϕ = od 40 do 140 i w kącie elewacji φ od 0 do 15

15 Zastosowanie dalmierza laserowego do wyznaczania położenia obiektów danych pomiarowych z wielopłaszczyznowego skanowania terenu, a następnie poprzez zastosowanie przekształcenia (2). Otrzymany obraz umożliwia wyznaczenie położenia obiektów w otoczeniu pojazdu oraz ocenę ukształtowania terenu (widoczne jest pochylenie podjazdu z punktu A do wnętrza garażu), pozwalające na wyznaczenie mobilnego korytarza dla pojazdu. Na jego podstawie można wyznaczyć położenie w przestrzeni punktów widocznych z punktu ustawienia dalmierza (np. odległość przeszkody 3 rysunek 14b) od tylnej ściany garażu. Kolejny etap badań obejmował wyznaczanie obrazu otoczenia za pomocą dalmierza zamontowanego na pojeździe. Dalmierz zamontowano pod stałym kątem pochylenia (β = 15 ), natomiast pojazd przemieszczał się od punktu A (rys. 9b) na odległość 40 m w głąb garażu. Wyniki pomiarów rejestrowano co 1 m. Otrzymany na podstawie skanowania terenu przemieszczającym się dalmierzem obraz otoczenia jest bardziej szczegółowy (przedstawia więcej obiektów). Teren jest skanowany ze stałą rozdzielczością wzdłuż drogi pojazdu (rys. 15). Dlatego przedstawione są na nim elementy niewidoczne z miejsca wykonywania pomiarów metodą stacjonarną, takie jak np. ściany wewnętrzne oraz boczny korytarz wewnątrz budynku (rys. 15). Przy zastosowaniu obu metod skanowania (dalmierzem stacjonarnym i ruchomym) część terenu nie jest widoczna. Są to miejsca przesłonięte przez obiekty terenowe. Podczas skanowania terenu metodą stacjonarną obszary niewidoczne ułożone są promieniście od punktu umieszczenia dalmierza (rys. 14), natomiast Rys. 15. Obraz otoczenia pojazdu (z rys. 11a) otrzymany poprzez skanowanie terenu w kącie azymutu ϕ = od 40 do 140 przy stałym kącie elewacji φ = 15

16 74 A. Typiak przy skanowaniu terenu za pomocą przemieszczanego dalmierza obszary niewidoczne ułożone są prostopadle do jego drogi (rys. 15). Dlatego na obrazie terenu otrzymanym w wyniku skanowania przemieszczającym się dalmierzem zawartych jest więcej informacji o wymiarach obserwowanych obiektów terenowych (M,1,8 rysunki 14 i 15) oraz widoczne są obszary terenu za obserwowanymi obiektami (niewidoczne z punktu A rysunek 9). Podsumowanie Opracowanie układu rozpoznania otoczenia i lokalizacji obiektów terenowych jest głównym zadaniem warunkującym sterowanie pojazdem bezzałogowym. Przeprowadzone badania laboratoryjne i poligonowe wykazały, że do jego rozwiązania może być zastosowany dalmierz laserowy. Uwidoczniły one jednakże konieczność prowadzenia prac (zarówno doświadczalnych, jak i teoretycznych) ukierunkowanych na zwiększenie możliwości jego użycia poprzez zastosowanie filtracji i przetwarzania otrzymanych danych w zależności od warunków atmosferycznych, środowiskowych (trawa, krzewy, liście), oświetlenia, jak również na opracowanie wydajnych metod przetwarzania otrzymywanego sygnału w celu otrzymania w czasie rzeczywistym wiernego obrazu otoczenia. Kolejnym zadaniem jest opracowanie algorytmów przetwarzania filtrowanych sygnałów, które umożliwią osiągnięcie wymaganej (15 Hz) częstotliwości skanowania terenu przed pojazdem. Następny etap pracy winien obejmować zastosowanie agregacji danych z dalmierza laserowego z obrazami z kamer wideo i termalnych w celu eliminowania fałszywych danych i błędów pomiarowych, a następnie z danymi z systemów lokalizacji (GPS, mapa cyfrowa, inercyjne systemy nawigacyjne) w celu precyzyjnego wyznaczania położenia pojazdu i obiektów w jego otoczeniu. Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w marcu 2006 r. LITERATURA [1] J. BORENSTEIN, Y. KOREN, Tele-autonomous Guidance for Mobile Robots, IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Special Issue on Unmanned Systems and Vehicles, vol. 20, no. 6, November/December [2] Y. CANG, J. BORENSTEIN, Characterization of a 2-D Laser Scaner for Mobile Robot Obstacle Negotiation, 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Washington DC, [3] Y. CANG, J. BORENSTEIN, A Novel Filter for Terrain Mapping With Laser Rangefinders, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 20, no. 5 October 2004, [4] C. D. CRANE III, D. G. ARMSTRONG JR., M. W. TORRIE, S. A. GRAY, Autonomous Ground Vehicle Technologies Applied tonthe DARPA Grand Challenge, ICCAS 2004, Thailand, 2004.

17 Zastosowanie dalmierza laserowego do wyznaczania położenia obiektów [5] S. KONOPKA, F. KUCZMARSKI, A. TYPIAK, Lokalizowanie przeszkód w otoczeniu zdalnie sterowanej maszyny inżynieryjnej, Transport Przemysłowy, nr 4, [6] F. KUCZMARSKI, B. SIEMIĄTKOWSKA, A. TYPIAK, A Multi-element System of Surrounding Recognition and Objects Localization for Unmanned Ground Vehicles, 20 th International Symposium on Automation and Robotics in Construction Eindhovend, Holland, September [7] Technology Development for Army Unmanned Ground Vehicles, The National Academy of Sciences, USA, [8] Telegrams for Operating/Configuring the LMS 2xx Laser Measurement Systems, SICKAGAuto Ident Ident Nimburger Strasse 11, Reute, Germany. [9] A. TYPIAK, Niektóre problemy rozpoznania otoczenia, Pomiary Automatyka Robotyka, 1, [10] A. TYPIAK, Wyznaczanie położenia obiektów statycznych w otoczeniu zdalnie sterowanych maszyn i pojazdów, Biul. WAT, 6-7, Warszawa, [11] K. YOON, G. JANG, S. KIM, I. KWEON, Fast Landmark tracking and Localization Algorithm for the mobile robot self-localization, IFAC Workshop on Mobile Robot Technology, May 20-30, 2001, Jejudo Island, Korea. A. TYPIAK Application of laser telemeter for localisation of obstacles in surrounding of unmanned ground vehicle Abstract. Recognition of unmanned vehicles urrounding is one of the major factors determining its required movement in rugged terrain. This article shows the tasks of the recognition system and application a 2D laser telemeter for localizing objects in vehicles surrounding. Also, the results of filtering measurement data with the method for spatial imaging of environment are presented. Keywords: remote control, unmanned vehicle, laser telemeter, surrounding recognition Universal Decimal Classification: 681.5

18