Mobilszerkezetek mechatronikája

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Mobilszerkezetek mechatronikája"

Léna Ráczné
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 Mobilszerkezetek mechatronikája Gépészeti rész: (Dr. Ruszinkó) Elektronikai rész: Motorvezérlés: üzemanyag befecskendezés vezérlése Menetvezérlés: kipörgésgátlás, csúszásgátlás Járműmechatronika- (Kerekes) Navigációs rendszerek: (Nagy) -lokalizáció, GPS, parkolás. Ütközésgátlás, -Intelligens navigációs rendszerek.

Menetvezérlés: kipörgésgátlás, csúszásgátlás.

2 Navigációval kapcsolatos alapfogalmak Kitűzendő célok: robotpilóta (sofőr), emberi felügyelettel. Lokalizáció: Pozícionálás Relatív (odométerek) Abszolút (lokalizáció) Lokalizálás Trianguláció Trilateráció GPS lokalizálás Modell illesztéses Navigáció: Használatos érzékelők: Lokális pályatervezés Odométerek Parkolás Radar, Lidar rendszerek Globális pályatervezés Giroszkópok Navigációs berendezések GPS vevők Intelligens navigációs rendszer Az amerikai ITS infrastruktúra Digitális térképek AVL technikák GPS DR szenzorfúzió Fejlődési irányok

illesztéses Navigáció: Használatos érzékelők: Lokális pályatervezés Odométerek Parkolás Radar, Lidar rendszerek Globális pályatervezés

3 Alapvető távolságmérési eljárások TOF módszer: m Egy megjelölt hullám repülési sebességéből kerül kiszámolásra az akadálytól (ami visszaveri a megjelölt hullámot) mért távolság. Fáziseltolásos sos módszer: m A visszavert hullám fáziseltolásából kerül kiszámolásra az akadálytól mért távolság d 1 v. t ; 2 4d d ;( ha 4 c f ) d c 4f ; Ahol: d a számolt távolság t- repülési idő v sebesség (hang / fény) Ahol: - fázistolás d a számolt távolság - hullámhossz f- frekvencia c - fénysebesség

Fáziseltolásos sos módszer: m A visszavert hullám fáziseltolásából kerül kiszámolásra az akadálytól mért távolság d 1 v.

Pozícionálás Relatív: x (i ) ; tf dx x dt ; dt t0 RENDSZERES hibák SZTOCHASZTIKUS hibák Egyenetlen talaj Különböző kerékátmérő A valós kerékátmérő Váratlan akadály a talajon különbözik a névlegestől

4 Pozícionálás Relatív: x (i ) ; tf dx x dt ; dt t0 RENDSZERES hibák SZTOCHASZTIKUS hibák Egyenetlen talaj Különböző kerékátmérő A valós kerékátmérő Váratlan akadály a talajon különbözik a névlegestől Kerékcsúszás: csúszós padló A valós tengelytávolság gyorsulás, kanyar különbözik a névlegestől külső erőbehatás kerék és a padló érintkezése nem egyenletes, Rossz kerék-geometria (összefutás/átmérő) Véges kódtárcsa felbontás Véges mintavételezés a kódolóról

csúszós padló A valós tengelytávolság gyorsulás, kanyar különbözik a névlegestől külső erőbehatás kerék és a

5 Pozícionálás Abszolút (lokalizáció): (Helyzetünk meghatározása egy vagy több ismert pozícióhoz képest) Mesterséges, illetve természetes markerektől való helymeghatározás Természetes markerek: A környezet kiemelkedő pontjai Mesterséges markerek: Világító tornyok, GPS műholdak, rádió-telefon jelátjátszó tornyok,.

helymeghatározás Természetes markerek: A környezet kiemelkedő pontjai

6 Háromszögelés Trilateráció: A pozíciót három jeladótól mért távolság alapján számítjuk ki. Trianguláció: A három jeladót különböző szögek alatt látjuk ( 1, 2, 3 ). A pozíció a három szög adataiból kerül kiszámításra. (olcsó, de rotációs mérőfejet igényel)

Trianguláció: A három jeladót különböző szögek alatt látjuk (

7 Trianguláció 2 markertől: A két marker (ebben az esetben aktív jeladók) pozíciója P 1, P 2, és amit keresünk, a robot pozíciója X, (illetve X, mivel csak két markertől mértünk). Amennyiben d 1, d 2, a markerektől mért távolságok, és P 1 az origóban van, P 2 pedig az (a,0) koordinátákon, akkor a mobilrobot x, és y koordinátái: x = (a 2 +d 12 -d 22 ) / 2a Háromszögelés Trianguláció 3 markertől: y = (d 12 x 2 ) ½ Először vegyünk egy speciális esetet, mikor a markereink (2 marker), egy köríven helyezkednek el (a ábra egyértelmű a pozícionálás). Ebben az esetben a D 1 távolság, és a robot z 1, z 2 távolsága a markerektől, a következőképpen számolható: D 12 = z 12 +z 22-2 z 1 z 2 cos() Amennyiben 3 markerünk látható a környezetben (b ábra), akkor az egyenletek a következőképpen alakulnak: D 12 = z 12 +z 22-2 z 1 z 2 cos() D 22 = z 22 +z 32-2 z 2 z 3 cos() D 32 = z 12 +z 32-2 z 1 z 3 cos(+) Amiből kiszámolhatóak a z 1, z 2, z 3 távolságok, és ebből a robot pozíciója és orientációja.

Trianguláció 3 markertől: y = (d 12 x 2 ) ½ Először vegyünk egy speciális esetet, mikor a markereink (2 marker), egy köríven helyezkednek el (a ábra egyértelmű a pozícionálás).

8 A rendszer 3 fő szegmense: Műholdak Földi állomások Felhasználó GPS lokalizálás

9 GPS -szel kapcsolatos alapfogalmak Geometriai alapok (mérések alapjai - távolságmérés) Holdak azonosítása (legfontosabb GPS jelek) GPS hibái (felhasználótól függetlenhibák, szándékos zavarás)

10 Modell illesztéses lokalizálás Ebben az esetben a fedélzeti érzékelők alapján (kamera) kapott információk kerülnek összehasonlításra egy, a környezetről készült térképpel, vagy a világmodellből kiszámított pozícióval. Ezt a módszert térkép alapú pozícionálásnak is emlegetik.

összehasonlításra egy, a környezetről készült térképpel, vagy a

11 Használatos érzékelők Odométerek: kerékhez (tengelyhez) csatolt inkrementális kódadók, különböző felbontással. (lásd előzőek) Szonár rendszerek ultrahanggal működnek A távolság kiszámolása: (ideális zavarásmentes környezetben) (v US hangsebesség) 1 d v. US t 2

(lásd előzőek) Szonár rendszerek ultrahanggal működnek A

12 Használatos érzékelők Radar rendszerek - rádiófrekvenciás jelekkel működnek. Sebességmérésre használatos radar rendszer: Sebességmérés (V=?) mikrohullámú rádiófrekvencia (RADAR) segítségével: V D: számolt Doppler sebesség c: fénysebesség F D : megfigyelt fáziseltolás F 0 : frekvencia Lehetséges hibák: - talajegyenletség; V VD cfd cos 2F0 cos - oldalról visszavert hullámok

) mikrohullámú rádiófrekvencia (RADAR) segítségével: V D: számolt Doppler sebesség c:

13 Használatos érzékelők - Lidar Az infra érzékelők általában két részből állnak: egy infra fényt kibocsátó LED diódából, adó, (a kibocsátott fény hullámhossza adott), és az adott hullámhosszra érzékeny foto-diódából (vagy foto-tranzisztorból) ami nem más mint egy vevő. A foto-diódák előnye a foto-ellenállásokkal szemben, hogy: nagyobb az érzékenységük, lineárisak, és gyorsabbak. Kihasználva az érzékenységüket és gyorsaságukat (ebből kifolyólag strukturált fény kezelésére is alkalmasak) kedvezően ki lehet használni őket a távirányításhoz. A strukturált optikai teszt-jel felépítése: 0 t p,i bemenő pulzus-szélesség t p,o - kimenő pulzus-szélesség f 0 vivő-frekvencia = 1/ 0 - fáziskésés

A foto-diódák előnye a foto-ellenállásokkal szemben, hogy: nagyobb az érzékenységük, lineárisak, és gyorsabbak.

Használatos érzékelők - giroszkópok FELOSZTÁS: - mechanikus giroszkóp (2 tengelyes tér-giroszkóp) - piezzo elektromos elven működő giroszkóp - optikai giroszkópok : lézeres giroszkópok drágák

14 Használatos érzékelők - giroszkópok FELOSZTÁS: - mechanikus giroszkóp (2 tengelyes tér-giroszkóp) - piezzo elektromos elven működő giroszkóp - optikai giroszkópok : lézeres giroszkópok drágák (repülőkben) interferométeres olcsóbbak (autókban) Piezzo - giroszkóp A piezzo elektromos vibráló giroszkóp a Coriolis erők kihasználásán alapszik. Tipikus működés és kivitelezés: Egy háromszög alakú prizma 3 sarkában egy-egy piezzo-elektromos jeladód helyeznek el, melyek közül egyiket valamilyen ismert, állandó frekvenciával (általában 8KHz Gyrostar) gerjesztik. A másik kettő pedig érzékeli ezen frekvencián jövő lökéseket, intenzitásukat. Amennyiben a prizmát a hosszanti tengelye körül forgatjuk, az érzékelt lökések intenzitása (a Coriolis erők hatására) változik. Az eredmény a két piezzo érzékelő által gerjesztett analóg feszültség. Ez van összehasonlítva a bemenő (a gerjesztett jeladó) feszültségével. A feszültségkülönbség és a forgás között lineáris összefüggés van.

Tipikus működés és kivitelezés: Egy háromszög alakú prizma 3 sarkában egy-egy piezzo-elektromos jeladód helyeznek el, melyek közül egyiket valamilyen ismert, állandó frekvenciával (általában 8KHz

Használatos érzékelők száloptikás interferométer A száloptika olyan vékony üveghuzal, mely belső része n co, burkolata pedig n cl törésmutatóval rendelkezik.

15 Használatos érzékelők száloptikás interferométer A száloptika olyan vékony üveghuzal, mely belső része n co, burkolata pedig n cl törésmutatóval rendelkezik. Mivel a belső rész törésmutatója nagyobb a külső rész törésmutatójánál (n co > n cl ) azok a sugarak melyek a huzal tengelyével qc-nél kisebb szöget zárnak be (NA = sinq c = (n co 2 - n cl 2 ) ½ ) a teljes visszaverődés következtében elvileg csillapítás nélkül terjednek végig az üvegvezetéken. További feltételek az üvegszállal szemben, hogy ne vezessen különböző szög alatt beeső, tehát különböző utakat megtevő sugarakat, azaz, hogy legyen egy módusú, ami a vezeték magjának keresztmetszet csökkentésével érhető el, a mag átmérője meg kell, hogy közelítse a fény hullámhosszát, a másik feltétel pedig, hogy őrizze meg a fény eredeti polaritását, a mag anyagának megfelelő megválasztásával realizálható. A 6.72 ábra felhasználásával tekintsük át a műszer működési elvét. A szilárdtest lézer fényforrásból a fény az első "csatolóba" lép, majd a polarizátoron keresztül a második "csatolóba" jut. A második csatoló két azonos intenzitású nyalábra bontja a fényt, melyek egymással szemben haladnak a száloptikai tekercsben. A fordított irányban haladó fény átmegy a piezo elektromos modulátoron, mely szinuszosan változó fázis-modulációt hoz létre. A tekercsen végighaladva a két fénysugár a második csatolóban egyesül és a létrejött fáziskülönbség függvényében az interferencia vagy erősíti vagy gyöngíti az egyesült fény intenzitását. Az eredő fény a polarizátoron keresztül az első csatolóba jut, mely egy részét a fotodetektorba vezeti, ahol a pillanatnyi fény intenzitás elektromos jellé alakul. A száloptikai tekercsben létrejövő úgy nevezett Sagnac féle fáziseltolódás: DS = 2pLDW/cl, ahol : L - a vezeték hossza a tekercsben; D - a tekercs effektív átmérője; l - a fény közép hullámhossza; c - a fény sebessége vákuumban; W - a tekercs tengelye körüli szögsebesség. Amint látjuk annál nagyobb a fáziseltolódás (tehát a mérési pontosság is) minél nagyobb a tekercs átmérője és a szál hossza. Az első növelésének határt szabnak a műszer beépítési méretei, a másiknak a szálban gyakorlatilag mindég fellépő csillapítás (1 db/km) és a költségek. A korai rendszerekben néhány km hosszú szálat is alkalmaztak. Manapság már rövidebb szállal is el tudják érni a megkívánt pontosságot, a reciprok folyamban alkalmazott fázis-moduláció következtében, a 6.74 ábrán látható műszerben pld. 75 méter hosszú szál van. A fázis-modulációnak nem csak az a haszna, hogy jelentősen növeli a fázismérés pontosságát, de az is, hogy lehetővé teszi a baloldali és a jobboldali elfordulások megkülönböztetését. A szögsebesség szorozva a vizsgált időintervallummal megadja a relatív elfordulást, folyamatosan összegezve a relatív elfordulásokat megkapjuk a kiinduló helyzethez mért irányszög változást.

teljes visszaverődés következtében elvileg csillapítás nélkül terjednek végig az üvegvezetéken.

Hasonló dokumentumok

Markerek jól felismerhetőek, elkülöníthetők a környezettől Korlátos hiba

Markerek jól felismerhetőek, elkülöníthetők a környezettől Korlátos hiba 1. Ismertesse a relatív és abszolút pozíciómegatározás tulajdonságait, és lehetőségeit. Mit jelent a dead reckoning, és mi az odometria? Milyen hibalehetőségekre kell számítanunk odometria alkalmazásakor?