(c) KSIS Politechnika Poznanska

Transkrypt

1 Systemy lokalizacji i nawigacji robotów Wykład 7 Pomiary odległości za pomocą fal optycznych Dariusz Pazderski 1 1 Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów, Politechnika Poznańska 17 grudnia 2015

2 Klasyfikacja metod pomiaru odległości metodami optycznymi Podział w zależności na sposób oddziaływania na środowisko: metody pasywne metody aktywne Podział ze względu na fizyczną metodę pomiaru: metody triangulacyjne (czujniki wykorzystujące światło niekoherentne i koherentne) metody projekcji 3D-2D metody pomiaru czasu przelotu fali elektromagnetycznej (TOF ang. Time of Flight) metody pomiaru fazy metody wykorzystujące bezpośredni pomiar czasu przelotu fali elektromagnetycznej

3 Metoda triangulacji Spis treści 1 Metoda triangulacji Metoda pomiaru fazy Metoda bezpośredniego pomiaru czasu 2 Metody pomiaru w środowisku 3D Kamery TOF Wykorzystanie światła strukturalnego 3 Przykładowe rozwiązania optycznych układów lokalizacji

4 Metoda triangulacji Czujnik triangulacyjny Budowa czujników triangulacyjnych: czujniki posiadają własne źródło światła (najczęściej w zakresie IR) i odbiornik w postaci matrycy lub linijki CCD; wzajemne położenie nadajnika i odbiornika jest znane a ch osie optyczne przecinają się. Podstawowe właściwości: Zalety: prosta budowa, małe gabaryty, możliwość stosowania tanich źródeł światła, niski koszt. Wady: ograniczony zasięg (do kilku m), konieczność obserwacji oświetlonego obiektu przez odbiornik (co implikuje stosowanie krótkiej bazy).

5 Metoda triangulacji Zasada pomiaru Z podstawie analizy geometrii układu przedstawionego na rys. otrzymuje się d = L D x. (1) Obliczony metodą różniczki zupełnej błąd bezwględny pomiaru odległości wynosi: d x x d = x LD d2. (2) Rysunek: Ilustracja zasady pomiaru odległości metodą triangulacji

6 Metoda pomiaru fazy Spis treści 1 Metoda triangulacji Metoda pomiaru fazy Metoda bezpośredniego pomiaru czasu 2 Metody pomiaru w środowisku 3D Kamery TOF Wykorzystanie światła strukturalnego 3 Przykładowe rozwiązania optycznych układów lokalizacji

7 Metoda pomiaru fazy Dalmierz AMCW (1) Dalmierze laserowe AMCW (ang. Amplitude Modulated Continous Wave): nadajnik i odbiornik umieszczone są blisko siebie (możliwie współosiowo) źródło światła obecnie głównie diody laserowe np. GaAs, GaAsAl lub diody LED dużej mocy detektory diody PIN lub diody lawinowe APD amplituda światła jest modulowana odległość określana jest na podstawie przesunięcia fazowego pomiędzy sygnałem wysyłanym a odbieranym

8 Metoda pomiaru fazy Metoda pomiaru (1) Rysunek: Ilustracja zasady pomiaru odległości metodą przesunięcia fazy Załóżmy, że ω w jest pulsacją fali modulującej. Całkowity kąt przesunięcia fazy w czasie τ wynosi: ω wτ = 2π (n + φ), gdzie φ [0,1). Stąd odległość L wynosi: L = c (n + φ), (3) 2f w przy czym f w = 1 2π ωw.

9 Metoda pomiaru fazy Metoda pomiaru Pomiar odległości L wymaga: określenia całkowitej liczby n długości fali (dla n > 1 pojawia się problem niejednoznaczności) skokowe zmiany częstotliwości w szerokich granicach skokowe zmiany częstotliwości w wąskich granicach płynna zmiana częstotliwości określenia kąta przesunięcia fazy φ (wykorzystuje się detektor fazy)

10 Metoda pomiaru fazy Błędy pomiarowe (1) Błąd bezwględny pomiaru odległości można przedstawić następująco: ( ) c L c + f w L + λw φ. (4) 2 Źródła błędu pomiaru fazy: f w zmiana progów porównania w detektorze wejściowym nieliniowe zniekształcenia sygnałów sinusoidalnych błąd kwantyzacji wpływ szumów (szum fotonowy, szum obwodów wejściowych wzmacniacza, szum wywołany oświetleniem zewnętrznym) Model probabilistyczny: B σ L = kλ w SNR, (5) gdzie B określa pasmo przenoszenia toru wejściowego dalmierza, SNR określa współczynnik sygnału do szumu, natomiast k jest współczynnikiem proporcjonalności.

11 Metoda pomiaru fazy Błędy pomiarowe (2) Błędy systematyczne metody zależą od odległości od przeszkody i kąta padania wiązki światła: rodzaj powierzchni wpływa na zdolność do odbijania i rozpraszania wiązki światła zwiększenie kąta padania powoduje osłabienie wiązki odbitej oraz zwiększenie powierzchni śladu optycznego (oba zjawiska pogarszają stosunek sygnału do szumu) Rysunek: Warunki odbicia światła w dalmierzach AMCW (źródło: P. Skrzypczyński, Metody analizy i redukcji niepewnosci percepcji (...), Rozprawy, nr 407, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznan 2007.)

12 Metoda pomiaru fazy Błędy pomiarowe (3) Przyczyna błędów grubych: zjawisko śladu optycznego (ang. mixed pixels) powstaje na krawędziach obiektów Jako wynik superpozycji sygnałów o różnych amplitudach i przesunięciach fazowych otrzymuje się: V 1 cos (ω wt + ϕ 1) + V 2 cos (ω wt + ϕ 2) = V cos (ω wt + ϕ), (6) gdzie V = V1 2 + V V1V2 cos (ϕ1 ϕ2), tan ϕ = V 1 sin ϕ 1 +V 2 sin ϕ 2 V 1 cos ϕ 1 +V 2 cos ϕ 2. Rysunek: Zjawisko śladu optycznego (źródło: P. Skrzypczyński, Metody analizy i redukcji niepewnosci percepcji (...), Rozprawy, nr 407, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznan 2007.)

13 Metoda pomiaru fazy Błędy pomiarowe (4) Rysunek: Wyniki eksperymentalne ilustrujące zjawisko śladu optycznego - (źródło: P. Skrzypczyński. On Qualitative Uncertainty in Range Measurements From 2D Laser Scanners. Journal of Automation, Mobile Robotics & Intelligent Systems, Vol. 2, No. 2, 2008.)

14 Metoda pomiaru fazy Właściwości metody Zalety Wady łatwość generacji fali (nie są wymagane ukłądy o bardzo dużej szybkości działania) dostarczanie informacji w postaci fazy i amplitudy czas działania uśrednianie wyniku pozwala na redukcję wpływu szumu pomiaru ograniczona dynamika pomiaru wrażliwość na zjawisko śladu optycznego

15 Metoda bezpośredniego pomiaru czasu Spis treści 1 Metoda triangulacji Metoda pomiaru fazy Metoda bezpośredniego pomiaru czasu 2 Metody pomiaru w środowisku 3D Kamery TOF Wykorzystanie światła strukturalnego 3 Przykładowe rozwiązania optycznych układów lokalizacji

16 Metoda bezpośredniego pomiaru czasu Metoda pomiaru (1) Dalmierze laserowe wykorzystujące bezpośrednią metodę pomiaru czasu przelotu światła TOF: nadajnik i odbiornik światła podobne zrealizowany jest analogicznie jak w dalmierzach AMCW (powinien wykazywać dobre właściwości impulsowe) dioda laserowa wysyła impuls światła o czasie trwania rzędu kilku ns po odbiciu od przeszkody wiązka światła wraca do fotodetektora mierzony jest wypadkowy czas przelotu τ (rozdzielczość pomiaru czasu rzędu kilkudziesięciu-kilkuset ps; 1 ns odpowiada odległości 0,3m) a odległość określana jest według zależności gdzie c oznacza prędkość światła. L = 1 cτ, (7) 2

17 Metoda bezpośredniego pomiaru czasu Metoda pomiaru (2) Rysunek: Przebiegi czasowe sygnału na wyjściu przetwornika dalmierza laserowego TOF - (źródło: K. Holejko. Precyzyjne elektroniczne pomiary odległości i kątów. Warszawa WNT 1987) Głównym problemem technicznym jest precyzyjna detekcja zbocza impulsu powrotnego (poziom odcięcia zależy od wartości amplitudy) oraz konieczność określenia krótkich czasów (można tutaj wykorzystać np. metody ekspanderowe lub metody pojedynczego lub podwójnego noniusza).

18 Metoda bezpośredniego pomiaru czasu Źródła błędów Dokładność pomiaru zależy od odległości i kąta padania wiązki światła na powierzchnię (wpływ amplitudy sygnału odbieranego przez odbiornik na dokładność detekcji) Niedokładność pomiaru czasu przelotu fali Stosunkowo niewielka wrażliwość na zjawisko śladu optycznego

19 Metoda bezpośredniego pomiaru czasu Źródła błędów wyniki przykładowe Rysunek: Wyniki badania dalmierza/skanera laserowego TOF typu Sick LMS (źródło P. Skrzypczyński. Metody analizy i redukcji niepewności percepcji w systemie nawigacji robota mobilnego. Rozprawy, nr 407, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej 2007)

20 Metoda bezpośredniego pomiaru czasu Wybrane właściwości metody Zalety: Wady prosta zasada pomiaru wysyłanie ciągu impulsów o dużej energii pozwala na poprawę stosunku sygnał użyteczny/szum (możliwość wyraźnego odcięcia od poziomu tła) ograniczona wrażliwość na zjawisko śladu optycznego wymagana bardzo duża precyzja pomiaru czasu przelotu fali trudność dokładnej detekcji promienia odbitego jako wynik rozpraszania światła trudność generacji impulsów fali świetlnej o krótkim czasie trwania

21 Metody pomiaru w środowisku 3D Kamery TOF Spis treści 1 Metoda triangulacji Metoda pomiaru fazy Metoda bezpośredniego pomiaru czasu 2 Metody pomiaru w środowisku 3D Kamery TOF Wykorzystanie światła strukturalnego 3 Przykładowe rozwiązania optycznych układów lokalizacji

22 Metody pomiaru w środowisku 3D Kamery TOF Budowa kamery TOF Elementy sensora TOF: źródło światła (najczęściej modulowane amplitudowo) światłoczuły czujnik macierzowy rejestrujący obraz odbity od elementów środowiska układ próbkujący i przetwornik A/C przetwarzający sygnał odbity z poszczególnych pikseli na wartość cyfrową szybki detektor cyfrowy Rysunek: Budowa typowej kamery 3D TOF na przykładzie sensora Swiss Ranger (źródło: materiały firmy Mesa Imaging)

23 Metody pomiaru w środowisku 3D Kamery TOF Zasada detekcji metodą czteropunktową (1) Detekcja czteropunktowa jest powszechnie wykorzystywana w czujnikach wykorzystujących falę zmodulowaną. Sygnał analogowy pochodzący z każdego piksela czujnika jest próbkowany w równych odstępach czasu. Załóżmy, że sygnał odebrany przez dany piksel ma postać: m(t) = A cos (ωt + ϕ). Rysunek: Próbkowanie metodą czteropunktową (technika four bucket ) (na podstawie: Sergi Foix i inni, Lock-in Time-of-Flight (ToF) Cameras: A Survey, IEEE Sensors Journal, Vol. 11, No. 3, March 2011)

24 Metody pomiaru w środowisku 3D Kamery TOF Zasada detekcji metodą czteropunktową (2) Niech kolejne cztery próbki sygnału m(t) wyznaczone w odstępach czasu τ = π (czwarta część okresu fali) wynoszą: 2ω m 0 = A cos (ϕ), m 1 = A cos (ωτ + ϕ), m 2 = A cos (2ωτ + ϕ), m 3 = A cos (3ωτ + ϕ). Wówczas zachodzi: ( ) m3 m 1 ϕ = atrctg, m 0 m 2 m = 1 3 m i, 4 i=0 A = 1 (m 3 m 1) 2 + (m 0 m 2) 2, 2 gdzie: ϕ oznacza fazę, a zatem pośrednio odległość, m wartość średnią, czyli poziom sygnału w skali szarości, natomiast A amplitudę, która niesie informację o mocy sygnału i jego jakości.

25 Metody pomiaru w środowisku 3D Wykorzystanie światła strukturalnego Spis treści 1 Metoda triangulacji Metoda pomiaru fazy Metoda bezpośredniego pomiaru czasu 2 Metody pomiaru w środowisku 3D Kamery TOF Wykorzystanie światła strukturalnego 3 Przykładowe rozwiązania optycznych układów lokalizacji

26 Metody pomiaru w środowisku 3D Wykorzystanie światła strukturalnego Zasada ogólna Projektor rzutuje strukturalny (przestrzenno-czasowy) obraz na powierzchnię elementów środowiska 3D Na podstawie rzutowanego obrazu dokonuje się identyfikacji wzorca. Identyfikacja wymaga kodowania informacji. Odległości określa się metodą triangulacji. Rysunek: Rekonstrukcja przestrzenna podstawie obrazu odcinka na powierzchni 3D na podstawie: S. Narasimhan, Lecture on Computer Vision.

27 Metody pomiaru w środowisku 3D Wykorzystanie światła strukturalnego Przykładowe kodowanie wzorców (1) Rysunek: Kodowanie binarne i temporalne na podstawie: S. Narasimhan, Lecture on Computer Vision.

28 Metody pomiaru w środowisku 3D Wykorzystanie światła strukturalnego Przykładowe kodowanie wzorców (2) Rysunek: Inne wzorce światła strukturalnego: kodowanie za pomocą struktur kolorowych, pseudokody (Prime Sense MS Kinect I)

29 Przykładowe rozwiązania optycznych układów lokalizacji System lokalizacji dla stacji dokującej Rysunek: Schemat systemu dokującego robota K2A Navmaster wykorzystującego czujniki optyczne (pomiar orientacji) i ultradźwiękowe (pomiar odległości) - (źródło J. Borenstein, H. R. Everett, and L. Feng (Ed. J. Borenstein). "Where am I?" Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning. The University of Michigan, 1996.)

30 Przykładowe rozwiązania optycznych układów lokalizacji System lokalizacji pojazdu AGV wykorzystujący znaczniki odbiciowe Rysunek: Zasada działania systemu lokalizacji NAMCO Lasernet (źródło J. Borenstein, H. R. Everett, and L. Feng (Ed. J. Borenstein). "Where am I?" Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning. The University of Michigan, 1996.)

31 Przykładowe rozwiązania optycznych układów lokalizacji System lokalizacji robota wykorzystujący metodę triangulacji Rysunek: Laserowy system pozycjonowania z trzema detektorami optycznymi - (źródło: J. Borenstein, H. R. Everett, and L. Feng (Ed. J. Borenstein). "Where am I?" Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning. The University of Michigan, 1996.)

32 Przykładowe rozwiązania optycznych układów lokalizacji System triangulacyjny ze skanerem laserowym Rysunek: System lokalizacji TRC wykorzystujący skaner laserowy i cztery znaczniki - (źródło: J. Borenstein, H. R. Everett, and L. Feng (Ed. J. Borenstein). "Where am I?" Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning. The University of Michigan, 1996.)

33 Systemy lokalizacji i nawigacji robotów Przykładowe rozwiązania optycznych układów lokalizacji a k s n na z o System lokalizacji Northstar wykorzystujący promieniowanie IR c e t li Po P a ik n h Rysunek: System lokalizacji Northstar firmy Evolution Robotics (c) IS S K