Ανάπτυξη συστήματος οπτικών αισθητήρων για εντοπισμό θέσης ρομπότ σε επίπεδη κίνηση

Abstract

Η παρούσα εργασία διαπραγματεύεται την ανάπτυξη πρωτότυπου συστήματος προσδιορισμού θέσης και προσανατολισμού ενός σώματος, χρησιμοποιώντας οπτικούς αισθητήρες laser και κατάλληλο αλγόριθμο ελαχιστοποίησης της επίδρασης του θορύβου. Το σύστημα αυτό θα ενσωματωθεί στο διαστημικό ρομπότ του διαστημικού εξομοιωτή σε τρεις κατάλληλες θέσεις. Οι συσκευές αυτές είναι ουσιαστικά οι αισθητήρες που βρίσκονται σε μια πολύ κοινή κατασκευή, τα ποντίκια των ηλεκτρονικών υπολογιστών (Η/Υ). Έχουν την δυνατότητα να δίνουν τη στοιχειώδη μετατόπιση του συστήματος στο οποίο είναι προσαρτημένες σε δύο άξονες. Προϋπόθεση είναι να βρίσκονται σε πολύ μικρή απόσταση από την επιφάνεια κίνησης και η ύπαρξη μικροελεγκτή για την επικοινωνία του εκάστοτε αισθητήρα με άλλα υποσυστήματα. Δεδομένου ότι κατά την στοιχειώδη μετακίνηση σε δύο άξονες ο κάθε αισθητήρας δίνει δύο τιμές, ο κεντρικός υπολογιστής του ρομπότ λαμβάνει συνολικά τρία ζεύγη τιμών. Για την εύρεση της θέσης και του προσανατολισμού του χρειάζονται πρακτικά τρεις τιμές, ή αλλιώς οι τιμές από δύο μόνο αισθητήρες. Για αυτό τον λόγο, ένας κατάλληλος αλγόριθμος επεξεργάζεται τις τιμές, και χρησιμοποιώντας διάφορους μαθηματικούς τρόπους βρίσκει τις ζητούμενες τιμές. Για την εξέταση όλων των παραπάνω, αναπτύχθηκε ένα πειραματικό σύστημα επικοινωνίας μεταξύ του επιλεγμένου αισθητήρα και του επιλεγμένου μικροελεγκτή, ενώ η επικοινωνία έγινε με την βοήθεια του πρωτοκόλλου SPI (Serial Peripheral Interface) που απαντάται όλο και συχνότερα σε μικροσυσκευές ευρείας κατανάλωσης. Ο τρόπος διασύνδεσης αναφέρεται αναλυτικά και τα αποτελέσματα δείχνουν την ευκολία χειρισμού του πρωτοκόλλου. Ταυτόχρονα με το υλικό μέρος, αναπτύχθηκε και μοντέλο του συστήματος, για να αποτελεί τη βάση στην οποία θα μπορούν να δοκιμαστούν διάφοροι αλγόριθμοι ελαχιστοποίησης θορύβου. Για την καλύτερη μοντελοποίηση του θορύβου έγιναν σχετικά πειράματα για την εύρεση της στατιστικής του. Τέλος δοκιμάστηκαν κάποιοι πρώτοι αλγόριθμοι, τα αποτελέσματα των οποίων αναφέρονται αναλυτικά.

The present work negotiates the development of an original system for the determination of position and orientation of body, using optical sensors with laser and a suitable algorithm for the minimization of the effects of measurement noise. This system will be incorporated in the space robot of the space simulator at three suitable points of it. These appliances are substantially the sensors that can be found in a very common manufacture, the mice of personal computers (PCs). They have the ability of giving the elementary translation of system on which they are, in two axes. A condition for their proper use is to have a very small distance from the surface of movement and the existence of a microcontroller for the interconnection between each sensor and other subsystems. Since at the elementary translation in two axes, each sensor gives two values, the central computer of robot receives in total three pairs of measurements. To determine the position and its orientation, the system needs practically three values, or differently the measurements from only two sensors. For this reason, a suitable algorithm processes the measurements, and using various mathematic ways finds the asked values. For the examination of the above, it was developed an experimental system of communication between the selected sensor and the selected microcontroller, while the communication between them was created with the use of the SPI protocol (Serial Peripheral Interface), a protocol that gains a widespread use in mass consumption devices. The interconnection is analyzed analytically and the results show the ease of handling this protocol. Simultaneously with the hardware part, it was also developed a model of the system, in order to create the base, on which various algorithms for minimization of noise will be tested. For the better modeling of noise, experiments for the determination of its statistics have been taken place. Finally a number of basic algorithms were tested and their results are reported analytically.