Разработка системы мониторинга положения мобильной мехатронной платформы для соревнований WorldSkills

Содержание
Введение
1. Сканирующие лазерные дальномеры
1.1. Подсистема измерения расстояния
1.2. Методы определения расстояния
1.3. Методы детекции
1.4. Бегущий луч и массив
1.5. Подсистема развертки
1.6. Подсистема позиционирования и ориентации
2. Прототип системы мониторинга положения мехатронной платформы
3. Разработка системы мониторинга положения мехатронной платформы
4. Экспериментальное исследование
4.1. Тестирование системы мониторинга положения мехатронной платформы
4.2. Тестирование положения мехатронной платформы на игровом поле
Заключение
Литература

1. Сканирующие лазерные дальномеры

Лазерной локацией в зарубежной печати называют область оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения.
Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом. Нам уже известно, что лазерное излучение отличается от температурного тем, что оно является узконаправленным, монохроматичным, имеет большую импульсную) мощность и высокую спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию конкурентоспособной в сравнении с радиолокацией, особенно при ее использовании в космосе (где нет поглощающего воздействия атмосферы) и под водой (где для ряда волн оптического диапазона существуют окна прозрачности).
В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три основных свойства электромагнитных волн:

1.1. Подсистема измерения расстояния
Принципиальные отличия отдельных устройств LIDAR заключаются в реализации функции измерения расстояния. Важнейший узел системы LIDAR – подсистема измерения расстояния – состоит, в свою очередь, из таких внутренних подсистем, как лазерный передатчик и электрооптический приёмник. Лазерный передатчик излучает энергию в виде сфокусированного луча, который до выхода из устройства проходит через ряд преобразовательных компонентов: переключатель приёмопередатчика, расширители луча, выходная телескопическая оптика и другое. В системе LIDAR могут использоваться различные типы лазеров, но чаще всего применяют твердотельный Nd:YAG-лазер, активной средой в котором выступает алюмо-иттриевый гранат (Y3Al5O12), легированный ионами неодима.
...

1.2. Методы определения расстояния
Зафиксированные значения моментов передачи и приёма лазерного луча используются для расчёта времени, проведённого светом в пути, и, следовательно, расстояния до объекта, отразившего луч. В системе LIDAR обычно используется один из двух режимов, определяющих метод измерения расстояния: импульсный режим или режим непрерывной волны. В системах с импульсной модуляцией, также известных как время пролётные системы, лазером излучаются единичные световые импульсы с высокой частотой следования. Измеряется время, прошедшее c момента излучения импульсного сигнала до момента возврата отклика в приёмник. Расстояние до точки поверхности объекта, в которой произошло отражение лазерного луча, может быть вычислено по формуле: D = 0,5 × c × t, (1) где c – скорость света, t – полное время прохождения светом пути до точки отражения и обратно (раундтрип), D – искомое расстояние до точки отражения.
...

1.3. Методы детекции
Обычно в системах LIDAR используется два способа детекции: прямая и когерентная. При прямой детекции приёмник преобразует сигнал непосредственно в напряжение или ток, который пропорционален входящей оптической мощности. Приёмники могут включать лавинные фотодиоды и фотоэлектронные умножители. LIDAR-детекторы также могут работать в режиме счёта фотонов. В этом режиме детектор способен регистрировать даже очень небольшое количество фотонов, а в режиме счётчика Гейгера становится чувствительным даже к отдельным фотонам. Электронная схема приёмника производит измерение генерируемого тока с поправкой на время пролёта фотонов в приёмнике, в результате чего получается прямое измерение момента приёма оптического отклика. При когерентной детекции полученный оптический сигнал смешивается с локальным осциллятором посредством гетеродина, и только после этого фокусируется на фоточувствительном элементе.
...

1.4. Бегущий луч и массив
Важно отметить, что описанные методы определения расстояния и способы детектирования требуют различной геометрии приёмников. В целом, большинство коммерческих систем LIDAR работают по принципу «бегущего луча», где для одного излучённого импульса фиксируется один или несколько (как правило, от 2 до 5) значений расстояния для оптических сигналов, вернувшихся вдоль одной и той же линии визирования (множественные возвраты). Для следующего импульса подсистема целеуказания изменяет направление линии визирования, и затем снова записывается несколько значений расстояния. Этот метод – метод точечного сканирования – обычно применяется в системах LIDAR, работающих в линейном режиме, при котором энергия лазера фокусируется на малой области исследуемой поверхности, и требуется достаточно сильный отражённый сигнал для записи отклика и расчёта дистанции. Однако существуют также системы LIDAR, которые используют лазерное излучение для засветки большой площади поверхности.
...

1.5. Подсистема развертки
В тех случаях, когда необходимо не просто определить расстояние до объекта, а сделать обзор целевой области, система LIDAR должна производить измерения во множестве точек. Для построения сцены целевой области пространства используется комбинация движения LIDAR-устройства в целом и работы подсистемы развёртки, через которую проходит излучаемый оптический сигнал. Распространённый вариант реализации подсистемы развёртки основан на использовании качающегося зеркала. Последовательное изменение направления линии визирования, вдоль которой излучается оптический сигнал, осуществляется с помощью подвижного зеркала. Это зеркало поворачивается на ограниченный угол (угол обзора) вокруг оси, лежащей на его плоскости и, как правило, параллельной направлению движения устройства. Качание зеркала позволяет сканировать целевую область пространства и формировать сцену нужной ширины, определяемой углом качания зеркала (см. рис. 2).

Рис. 2.
...

1.6. Подсистема позиционирования и ориентации
Для практического использования информации, получаемой с помощью сканирующих лазерных дальномеров, одного только массива значений расстояния от устройства до объектов и величин относительных углов сканирования недостаточно. Достоверность данных об окружающем пространстве (получаемых в виде трёхмерного облака точек или двумерного изображения с данными о расстояниях) может быть достигнута только при условии, что для каждой точки измеряются абсолютные значения положения и ориентации несущей платформы системы LIDAR в пространстве в момент приёма отклика от импульса. Для таких измерений используется подсистема ориентации и позиционирования. Эта подсистема включает в себя два основных компонента: приёмный модуль системы глобального позиционирования (ГЛОНАСС или GPS) и блок инерциальной навигации (IMU). Данные GPS-приёмника используются для записи местоположений несущей платформы в определённые моменты времени.
...

2. Прототип системы мониторинга положения мехатронной платформы
Для генерации облака точек все подсистемы, составляющие систему LIDAR, должны работать совместно. Качество полученных данных напрямую зависит не только от параметров каждой подсистемы, но и от взаимосогласованности их работы. Выставление параметров сенсоров и контроль работы подсистем осуществляет системный контроллер лазерного дальномера.
Конечные данные LIDAR представляют собой файлы со значениями координат GPS и IMU, с измеренными значениями расстояний и иногда с информацией от других подсистем. Поскольку системы LIDAR могут генерировать очень большие объёмы данных, в системе предусмотрен накопитель, на который данные сохраняются сразу после сбора.
В качестве прототипа рассмотрим устройство лазерного сканирующего дальномера высокого разрешения HDL-64E, производимого компанией Velodyne (64-лучевой LIDAR с трёхмерным сканированием установлен на беспилотные автомобили, разработанные компанией Google).
...

3. Разработка системы мониторинга положения мехатронной платформы

Принцип действия системы мониторинга представлен на рис.8.

Рис.8. Принцип действия системы мониторинга

На рис.8. изображено: RPLidar – сканирующий лазерный дальномер; МР – мехатронная платформа с измерительной штангой.
Сканирующий лазерный дальномер в процессе нормальной эксплуатации фиксирует отметки от мехатронной платформы (создается плоский срез состояния игрового поля) с измерительной штангой, нанося их на заранее подготовленную карту игрового поля.
Одним концом измерительная штанга закреплена на мехатронной платформе, на другом конце закреплен цилиндр со светоотражающей поверхностью.
Внешний вид мехатронной платформы с измерительной штангой представлен на рис. 9.

Рис.9. Мехатронная платформа с измерительной штангой

В системе мониторинга положения мобильной мехатронной платформы используется RPLidar, который является недорогим и довольно производительным лидаром, разработанным в компании RoboPeak.
...

4.1. Тестирование системы мониторинга положения мехатронной платформы

Для тестирования системы мониторинга разработан стенд, представленный на рис.14.

Рис.14. Стенд для тестирования системы мониторинга

На рис.14 изображено: МР – мехатронная платформа, ОП - отражающая поверхность, необходимо для измерения расстояния до измерительного цилиндра при помощи дальномера Leica Disto D110; LIDAR – лазерный сканирующий дальномер фирмы Robo Peak.
Технические характеристики дальномера Leica Disto D110 представлены на рис. 15.
Максимальная погрешность дальномера составляет 3 мм в диапазоне от 0.2 до 60 м.
В ходе тестирования системы мониторинга мехатронной платформы изменялось расстояние от места установки лидара до измерительного цилиндра, установленного на мехатронной платформе: 1 м, 2 м, 3 м, 4 м.
При этом на каждом удалении изменялся диаметр цилиндра: 50 мм, 110 мм, 220 мм.
...

4.2. Тестирование положения мехатронной платформы на игровом поле

Для автоматизации процессов обработки экспериментальных данных, сохраненных в текстовых файлах, разработано программное обеспечение на языке Python.
Структурная схема программного обеспечения представлена на рис.28.

Рис.28. Структура программного обеспечения

digraph g{
Чтение_исходных_данных-> Преобразование_пол_дек;
Преобразование_пол_дек->Накопление;
Накопление->Чтение_исходных_данных;
Накопление->Построение_карты;}

Текст программы построения карты местности

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

angle = [10, 345, 294, 57]
angle_rad = np.deg2rad(np.array(angle))
distance = [4700, 4700, 1180, 1000]
axes = plt.axes(polar=True)
axes.fill(angle_rad, distance, 'b')

wall_1_angle = [316, 12]
wall_1_angle_rad = np.deg2rad(np.array(wall_1_angle))
wall_1_distance = [1700, 1300]
axes.plot(wall_1_angle_rad, wall_1_distance, color="r")

wall_2_angle = [343, 23]
wall_2_angle_rad = np.deg2rad(np.
...

1. Основы импульсной лазерной локации (2-е издание) (Учебное по-собие) Под редакцией В.Н. Рождествина 2010.- 576 с.
2. Айрапетьянц, Э.Ш., Константинов А.И. Эхолокация в природе Наука, 1970, 380
3. Ширман Я. Д., Голиков В. Н., Бусыгин И. Н., Костин Г. А. Теоре-тические основы радиолокации / Ширман Я. Д.. — М.: Советское радио, 1970. — 559 с.
4. Эхолокация http://masters.donntu.org/2013/fkita/timoshenko/library/9.htm
5. RPlidar A1 http://www.slamtec.com/en/Lidar/A3
6. Leica DISTO D110 https://disto-leica.ru/leica-disto-d110