Investește în oameni [613401]
Investește în oameni!
FONDUL SOCIAL EUROPEAN
Programul Operațional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013
Axa prioritară 1 „Educație și formare profesională în sprijinul creșterii economice și dezvoltării societății bazate
pe cunoaștere”
Dome niul major de intervenție 1.5. „Programe doctorale și post -doctorale în sprijinul cercetării”
Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cercetare de excelenta
Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378
Beneficiar: Un iversitatea Transilvania din Brașov
UNIVERSITATEA „TRANSILVANIA” DIN BRAȘOV
DEPARTAMENT DIDACTIC : DESIGN DE PRODUS, MECATRONICĂ ȘI MEDIU
Asist. ing. Radu ȚÂRULESCU
CONTRIBUȚII PRIVIND OPTIMIZAREA
CONFIGURAȚIEI SENZORILOR UTILIZAȚI
LA RO BOȚII MOBILI
CONTRIBUTIONS TO THE OPTIMIZATION OF
SENSORS USED ON MOBILE ROBOTS
Conducător de doctorat: Prof.univ.dr.i ng. Ciprian Iustin OLTEANU
Brașov 2014
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
1
MINISTERUL EDUCA ȚIEI NAȚIONALE
Universitatea TRANSILVANIA din Brașov
Bd Eroilor 29, 500036 Brașov, România , Tel/Fax: + 40 268 410525 , +40 268 412088
www.unitbv.ro
D-lui (D -nei)
…………………………………………………………………………………………. …….
COMPONENȚA
Comisiei de doctorat
Numită prin ordinul Rectorului Universității „Transilvania” din Brașov
Nr. 7065 din 28. 10. 2014
PREȘEDINTE : Prof. univ. dr. ing. Olimpiu MUNTEANU
DECAN – Facultatea de Design de Produs și Mediu
Universitatea “Transilvania ” din Brașov
CONDUCĂTOR Prof. univ. dr. ing. Ciprian Iustin OLTEANU
ȘTIINȚIFIC: Universitatea “Transilvania ” din Brașov
REFERENȚI: Prof. univ. dr. ing. Vistrian MĂTIEȘ
Universitatea Tehnică din Cluj – Napoca
Prof. uni v. dr. ing. Valer DOLGA
Universitatea “Politehnica” din Timișoara
Prof. univ. dr. fiz. Sorin ZAMFIRA
Universitatea “Transilvania ” din Brașov
Data, ora și locul susținerii publice a tezei de doctorat: 05.12.2014 , ora 8,00, sala UII3 .
Even tualele aprecieri sau observații asupra conținutului lucrării vă rugăm să le transmiteți
în timp util, pe adresa [anonimizat] .
Totodată vă invităm să luați parte la ședința publică de susținere a tezei de doctorat.
Vă mulțumim.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
2
CUPRINS
1. Necesiatatea, actualitatea și obiectivele tezei de doctorat…………………………………….. 5
1.1. Obiectivele tezei de doctorat……………………………………………………………………. 5
1.2. Scurt istoric al roboți lor…………………………………………………………………………… 5
1.2.1. Clasificarea roboților………………………………………………………………………. 7
1.3. Roboți mobili. Stadiul actual al cunoașter ii………………………………………………… 7
1.3.1. Sistemul senzorial al roboților mobili…………………………………………………. . 9
1.3.1.1. Senzori de stare externă…………………………………………… ……………… 10
1.3.1.2. Senzori de stare internă……………………………………………………………. 11
1.3.1.3. Fuziunea datelor furnizate de senzori………………………………………… 11
1.3.2. Considerații privin d navigația roboților mobili………………………………….. . 11
1.3.2.1. Metodele de navigație a roboților autonomi……………………………….. 12
1.3.2.2. Module de navigație ale roboților mobili……………………………….. ….. 13
1.3.2.3. Exemplu de navigație a robotului mobil KSR4 Escape………………… 15
1.4. Concluzii……………………………………………………………………………………………….. 16
2. Cercetări experimentale privi nd deplasarea roboților mobili în spațiul de lucru……… 17
2.1. Introducere……………………………………………………………………………………………. 17
2.1.1. Spațiul de lucru…………………………………… …………………………………………. 17
2.1.2. Obstacolele din spațiul de lucru………………………………………………………… 17
2.2. Roboții mobili utilizați la cercetările experimentale……………………………. ………. 18
2.2.1. Robotul mobil Pro Bot 128………………………………………………………………. 18
2.2.2. Robotul Spy Video TRAKR…………………………………………………………… 19
2.2.3. Robotul KSR4 – "ESC APE"……………………………………………………………. 19
2.2.4. Robotul Umanoid Maxibot……………………………………………………………… 19
2.2.5. Robotul pășitor Hexbug Delta……………………………. ……………………………. 20
2.2.6. Vehicul telecomandat……………………………………………………………………… 20
2.3. Cercetări privind sistemul de locomoție al roboților mobili………………………….. 20
2.3.1. Determinarea abaterii liniare de la traiectorie…………………………………….. 20
2.3.2. Determinarea accelerației și vitezei roboților în funcție de sistemul de
locomoție…………………………………………………………. ……………………………………
22
2.4. Cercetări privind detecția obstacolelor din spațiul de lucru…………………………. 25
2.4.1. Orientarea roboților într -un spațiu de lucru cu obstacole fixe…………….. 26
2.4.2. Orienta rea roboților într -un spațiu de lucru de tip labirint………………….. 27
2.5. Concluzii…………………………………………………………………………………………….. 28
3. Cercetări privind măsurarea distanței cu senz orii ultrasonici………………………………. 29
3.1. Considerații teoretice privind transmiterea ultrasunetelor…………………………… 29
3.1.1 . Concluzii……………………………………………………………………… ……………… 31
3.2. Cercetări experimentale privind comportamentul senzorilor ultrasonici în
procesul de detecție……………………………………………………………………………………..
32
3.2.1. Introducere…………. ………………………………………………………………………. 32
3.2.2. Senzorii ultrasonici utilizați la cercetările experimentale……………………. 32
3.2.3 . Erori de măsurare…………………………………………. ………………………………. 32
3.2.4 . Determinarea distanței dintre senzorii ultrasonici și obstacole……………. 33
3.2.4.1. Determinarea distanței față de obstacole de dimensiuni diferite….. 35
3.2.4.2. Determinarea distanței față de o bstacole de forme diferite…………. 36
3.2.4.3. Determinarea distanței față de obstacole din materiale cu texturi
diferite…………………………………………………………………………………………….
37
3.2.4.4. Determin area distanței față de un obstacol la viteze diferite ale
curentului de aer……………………………………………………………………………….
38
3.2.5.5. Determinarea distanței cu un senzor montat pe o platformă rotativă 39
3.2.5. Concluzii……………………………………………………………………………………… 40
4. Modelarea sistemului senzorial al roboților mobili……………………………………………. 41
4.1. Considerații teoretice p rivind modelarea rezultatelor obținute experimental… 41
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
3
4.2. Model matematic de calcul a timpului de răspuns și a distanței…………………. 42
4.3. Modelarea prin simulare a configurației senzorilor pentru un robot mobil…. 45
4.4. Concluzii. ………………………………………………………………………………………….. 48
5. Optimizarea sistemului senzorial al roboților mobili………………………………………… 49
5.1. Considerații privind alegerea rob otului potrivit în vederea optimizării………. 49
5.2. Contribuții privind optimizarea sistemelor senzorial și de locomoție…………. 49
5.2.1. Optimizarea sistemului senzorial al robotului Pro Bot 128……………….. 49
5.2.2. Optimizarea sis temului de locomoție al robotului Pro Bot 128………….. 53
5.3. Concluzii……………………………………………………………………………………………. 56
6. Concluzii finale și contribuții personale…………………. ………………………………………. 57
6.1. Concluzii finale…………………………………………………………………………………… 57
6.2. Contribuții personale………………………………………………… …………………………. 59
6.3. Valorificarea rezultatelor cercetării………………………………………………………… 60
6.4. Direcții viitoare de cercetare……………………………………………………………… …. 62
BIBLIOGRAFIE……………………………………………………………………………………………. 63
ABSTRACT…………………………………………………………………………………………………..
CURRICULUM VITAE………………………………………………………………………………… 67
69
CONTENTS
1. Thesis timeliness and objectives …………………………………….. ………………………………… 5
1.1. Thesis objectives ……………… ……………………………………………………………………. . 5
1.2. History of robots ……….. …………………………………………………………………………… 5
1.2.1. Classification of robots …………………………………………………………………… . 7
1.3. Mobile r obots. Current state of knowledge ………………………………………………… 7
1.3.1. The sensorial system of mobile robots ………………………………………………… 9
1.3.1.1. External state sensors ………………………………………………………………. 10
1.3.1.2. Internal state sensors ………………………………………………… …………. … 11
1.3.1.3. Data provided by sensor fusion ……… ………………………………………… 11
1.3.2. Considerations for mobile robot navigation ……………………………………….. 11
1.3.2.1. Autonomous robot navigat ion methods …………………………………….. 12
1.3.2.2. Modules of navigation for mobile robots …………………………………… 13
1.3.2.3. Example of navigation for mobile robot KSR4 Escape ……………….. 15
1.4. Conclusion s…………………………………………………………………………………………… 16
2. Experimental research on mobile robots moving in the workspace ……………….. ……… 17
2.1. Introdu ction …………………………. ……………………………………………………………….. 17
2.1.1. The workspace ……………………………………………………………………………….. 17
2.1.2. Obstacles in the workspace ……………………… ………………………………………. 17
2.2. Mobile robots used in experimental research ………. …………………………………….. 18
2.2.1. Mobile robot Pro Bot 128……. …………………………………………………… …….. 18
2.2.2. Robot Spy Video TRAKR. ……………………………………………………………… 19
2.2.3. Robotul KSR4 – "ESCAPE"……………………………………………………………. 19
2.2.4. Humanoid robot Maxibot.. ………………………………………… ……………………. 19
2.2.5. Walking robot Hexbug Delta……………… …………………………………………… 20
2.2.6. Remote controlled vehicle ………………………… ……… …………………………….. 20
2.3. Research on locomotion system of mobile robots ………….. ………………………….. 20
2.3.1. Determination of linear deviation from the trajectory …………………………. 20
2.3.2. Determinati on of acceleration and velocity based of robots locomotion
system ……………………………………………………………………………………………………
22
2.4. Research on the detection of obstacles in the workspace …………………………….. 25
2.4.1. Guidance of robots in a workspace with fixed obstacles ………………….. .. 26
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
4
2.4.2. Guidance of robots in a labyrinth type workspace ……….. ………………….. 27
2.5. Conclusions ………………….. …………………………………………………………………….. 28
3. Research on ultrasonic distance measurement sensors ………. ………………………………. 29
3.1. Theoretical considerations on transmission ultrasound ………………………………. 29
3.1.1. Conclusions ………………………………………………………………………………….. 31
3.2. Experimental research on the behavior of ultrasonic sensors in the detection
process………….. …………………………………………………………………………………………..
32
3.2.1. Introduc tion………………………………………………………………………………… 32
3.2.2. Ultrasonic sensors use d in experimental research ……….. ……………………. 32
3.2.3. Measurement errors ………………………………………………………………………. 32
3.2.4. Determining the distance between the ultrasonic sensors and barriers …. 33
3.2.4. 1. Determining the distance to obstacles of different sizes ………… ….. 35
3.2.4. 2. Determining the distance to obstacles of different shapes ………….. 36
3.2.4. 3. Determining the distance to obstacles from materials with different
textures ……………………………………………………………….. ………………………….
37
3.2.4. 4. Determining distance from an obstacle at different speeds of air
flow……………….. ………………………………… ……………….. ………………………….
38
3.2.5. 5. Determining the distance to a sensor mounted on a rotating
platform ………………………………………………………………………………………….
39
3.2.5. Conclus ions…………………………………………………………………………………. 40
4. Modelling the sensorial system of mobile robots ……………………………………………… 41
4.1. Theoretical modeling the experimental results ……………………………………….. 41
4.2. Mathematical model for calculating the response time and distance ………….. 42
4.3. Modelling by simulation of sensor configuration for a mobile robot ………… 45
4.4. Conclusions. ………………………………………………………………………………………. 48
5. Optimizing the sensory system of mobile robots …………………………………………….. 49
5.1. Considerations for choosing the right r obot to optimize …………………. ………. 49
5.2. Contributions to optimizing sensorial and locomotion systems …….. …………. 49
5.2.1. Optimizing sensorial system for Pro Bot 128 robot ……….. ……………….. 49
5.2.2. Optimizing l ocomotion system for Pro Bot 128 robot …………. ………….. 53
5.3. Conclusions ……………………………………………………………. …………………………. 56
6. Final conclusions and personal contributions ……………. ……………………………………. 57
6.1. Final conclusions …………………………………………………………………………………. 57
6.2. Personal contributions …………………………………………………… …………………….. 59
6.3. Valorisation of research results ……………………………………………………………… 60
6.4. Future research directions …………………………………………………………………….. 62
REFERENCES ……………………………………………………………………………………………… 63
ABSTRACT…………………………………………………………………………………………………..
CURRIC ULUM VITAE………………………………………………………………………………… 67
69
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
5
CAPITOLUL 1. NECESI TATEA, ACTUALITATEA ȘI OBIECTIVELE
TEZEI DE DOCTORAT
Prezenta teză are ca scop optimizarea configurației s enzorilor unui robot mobil autonom
în vederea utilizării acestuia în diferite aplicații casnice și industriale (se va dezvolta în
prealabil o aplicație educațională pentru simularea detecției obiectelor cu senzorii ultrasonici ).
Robotul mobil este un siste m compus din mai multe sisteme mecanice și senzoriale,
actuatori, având și o unitate centrală de comandă. Mecanica stabilește înfățișarea robotului și
mișcările posibile în timpul funcționării. Senzorii și actuatorii sunt întrebuințați la interacțiunea
cu mediul de operare (spațiul de lucru). Mecanismul de direcționare ghidează robotul pentru a –
și îndeplini obiectivul cu succes, evaluând informațiile primite de la senzori. Acest mecanism
reglează motoarele și planifică mișcările care trebuie efectuate [L3].
1.1. Obiectivele tezei de doctorat
Obiectivul principal este:
Optimizarea sistemului senzorial al unui robot mobil în vederea îmbunătățirii
comportamentului la orientarea în spațiul de lucru.
Obiectiv e operaționale și specifice rezultate sunt:
1. Elaborarea materialelor referitoare la evoluția senzorilor și la stadiul actual din
domeniul roboticii mobile .
2. Realizarea obstacol elor, a parametrilor acestora și testarea roboților și elementelor
senzoriale prevăzute pentru a fi integrate hardware și softwar e pentru optimizare.
3. Realizarea standurilor de lucru pentru testarea senzorilor ultrasonici și pentru
desfășurarea experimentelor .
4. Dezvoltrea unor programe software pentru simularea detecției obiectelor cu senzorii
ultrasonici.
5. Efectuarea de măsurători de distanță cu senzori ultrasonici de diferite tipuri.
6. Modelarea și analiza experimentală a valorilor obținute în urma testelor.
7. Implementarea senzorilor ultrasonici în sistemul senzorial al robotului ales pentru
optimizare.
1.2. Scurt istoric al roboțilo r
Termenul robot (din cehă robot ) a fost utilizat de Josef Čapek și Karel Čapek în lucrările
lor de Science Fiction la începutul secolului XX ("Roboții universali ai lui Rossum" ). Cuvântul
robot este de origine slavă și se poate traduce prin: muncă, clacă sau muncă silnică. Karel
Čapek a descris în una din piesele sale din anul 1921 , roboți umanoizi cu asemănare umană,
care sunt crescuți în rezervoare [S2].
Bazele roboților din zilele noastre se află într -o perioadă m ult mai îndepărtată. Primele
modele de mașinării pot fi mai degrabă numite automate (provenind din grecescul automatos ,
care se mișcă singur). Acestea nu puteau executa decât câ te un singur obiectiv, fiind constrânse
de construcția rudimentară.
Matematicianul grec Archytas (428 – 347 ÎH) a construit, conform unor relatări, unul
dintre aceste prime automate: un poru mbel propulsat cu vapori, care putea zbura singur. Acest
porumbel din lemn era umplut cu aer sub presiune și avea un ventil care permitea deschiderea
și închiderea printr -o contragreutate. La prima testare aparatul a reușit sa zboare 200 m, dar
după ateriz are nu a mai putut decola [C8].
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
6
Dezvoltarea electrotehnicii în secolul XX a adus și dezvoltarea roboticii. Printre primii
roboți mobili se numără sistemul Elmer și Elsie construit de William Grey Walter în anul 1948 .
Aceste triciclete se puteau îndrepta spre o sursă de lumină și puteau să recunoască coliziuni în
împrejurimi [B11].
Fig. 1.1. Sistemul Elmer și Elsie , primul robot mobil
Robotul industrial a luat naștere în anul 1956 . George Devol a depus candidatura în SUA
pentru un patent în legătură cu "transferul programat de articole". Câțiva ani după aceea a
construit împreună cu Joseph Engelberger robotul Unimate [S2]. Acest robot cu o greutate de
aproximativ două tone a fost mai întâi introdus în montarea de iconoscoape pentru televizoare,
găsindu -și apoi drumul î n industria de automobile . Programele pentr u acest robot au fost
salvate sub formă de comenzi direcționare pentru motoare pe un cilindru magnetic. Din acest
moment se introduc roboți industriali ca Unimate în multe domenii ale producției fiind
permanent dezvoltați pentru a putea face față cererilor complexe care li se impun.
Fig. 1.2. Unimate , primul robot industrial
Robotul Greenman a fost primul model umanoid manipulator asamblat în 1983. Sistemul
vizual era asigurat de 525 camere video, fiecare având posibilitatea de rotire cu 35 de grade.
Monitorizarea se făcea cu ajutorul unei căști de pilot. Acest sistem de manipulare a fost
dezvoltat pentru lucrul în medii ostile, mai puțin în mediul marin și submarin [S2].
Fig. 1.3. Greenman, primul robot umanoid
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
7
1.2.1 . Clasificarea roboților
În funcție de mediul în care robotul operează, se disting trei categorii:
– Roboți tereștri ;
– Roboți marini ;
– Roboți zburători .
În funcție de utilizarea lor, roboții pot fi:
– Roboți industriali ;
– Roboți casnici ;
– Roboți militari ;
– Roboți exploratori ;
– Roboți de companie (robot umanoid) ;
– Roboți de divertisment (jucării, roboți utilizați în competiții etc.) .
Din punct de vedere al gradului de liber tate există două categorii:
– Roboți ficși ;
– Roboți mobili .
Din punct de vedere al sistemului de locomoție, roboții mobili pot fi:
– Roboți cu roți ;
– Roboți cu șenile ;
– Roboți pășitori ;
– Roboți târâtori .
1.3. Roboți mobili. Stadiul actual al cunoașterii.
Unul d in obiectivele esențiale ale roboticii este elaborarea roboților autonomi. Asemenea
roboți ar putea executa sarcinile de îndeplinit fără alte intervenții umane. Comenzile primite
vor preciza ce dorește utilizatorul și nu modul în care robotul să execute co menzile. Roboții
capabili să îndeplinească aceste operații vor fi echipați cu senzori de percepere a mediului
înconjurător, aflate sub controlul unui sistem de calcul [N1].
Progresul roboților autonomi prezintă un interes major în multe domenii de apli cații,
incluzând diversele procese tehnologice, construcțiile, procesarea deșeurilor, explorarea
spațiului, oceanelor și a zonelor de risc ridicat, medicină, asistența persoanelor cu handicap,
etc.
Dezvoltarea tehnologiilor necesare pentru obținerea unor r oboți mobili care să ajute sau
să înlocuiască diferite operații realizate de om implică multe domenii ca cele ale senzorilor,
inteligenței artificiale, sistemelor de calcul, planificării traiectoriei, procesării semnalelor,
controlului motoarelor, electron icii și științei calculatoarelor.
Orientarea într -un mediu total necunoscut, folosind senzori pentru detectarea obstacolelor
și comunicația cu un calculator aflat la distanță sunt două aspecte importante care trebuie luate
în considerare atunci când se op erează cu un robot mobil. Capacitatea roboților de a percepe
mediul înconjurător, precum și de a -și schimba comportamentul pe baza informațiilor primite
este ceea ce face ca roboții, mai ales cei mobili, să fie atât de interesant de construit și utilizat.
Fără senzori, roboții nu ar putea executa altceva decât sarcini ale operatorului uman .
Robotul mobil este un sistem complex care poate efectua diferite activități într -o varietate
de situații specifice lumii reale [H3]. El este o combinație de dispozitiv e echipate cu
servomotoare și senzori (aflate sub controlul unui sistem ierarhic de calcul) ce operează într -un
spațiu real, marcat de o serie de proprietăți fizice (de exemplu gravitația care influențează
mișcarea tuturor roboților care funcționează pe pă mânt) și care trebuie să planifice mișcările
astfel încât robotul să poată realiza o sarcină în funcție de starea inițială a sistemului și în
funcție de informația existentă, legată de mediul de lucru. Succesul în îndeplinirea acestor
sarcini depinde atât de cunoștințele pe care robotul le are asupra configurației inițiale a
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
8
spațiului de lucru, cât și de cele obținute pe parcursul evoluției sale. Problemele specifice ce
apar la roboții mobili ar fi următoarele: evitarea impactului cu obiectele staționare sa u în
mișcare, determinarea poziției și orientării robotului pe teren, planificarea unei traiectorii
optime de mișcare [M5]. În cazul unui sistem robotic automat distribuit , pozițiile spațiale sunt
de o extremă importanță și de ele depinde îndeplinirea scop urilor dorite și funcționarea
întregului sistem. Cu alte cuvinte, robotul trebuie să fie capabil să -ți planifice mișcările, să
decidă automat ce mișcări să execute pentru a îndeplini o sarcină, în funcție de aranjamentul
momentan al obiectelor din spațiul de lucru. Planificarea mișcărilor nu constă dintr -o problemă
unică și bine determinată, ci dintr -un ansamblu de probleme dintre care unele sunt mai mult
sau mai puțin variante ale celorlalte. Evitarea coliziunii cu obstacole fixe sau mobile (de
exemplu a lți roboți mobili) aflate în spațiul de lucru al robotului se poate face prin mai multe
metode: realizarea unei apărători mecanice care prin deformare oprește robotul, folosirea
senzorilor care măsoară distanța până la obstacolele de pe direcția de deplasa re, folosirea
senzorilor de proximitate, folosirea informațiilor corelate de la mai multe tipuri de senzori
[M4] . Localizarea obiectelor se poate realiza și prin contact fizic, dar acesta impune restricții
asupra vitezei de mișcare a structurii manipulate. Contactul fizic dintre robot și obiectele din
mediu generează forțe de reacțiune care modifică starea robotului. Vitezele mari de lucru fac ca
efectele dinamice ale unui contact fizic cu obstacole sau obiecte manipulate să fie riscante (pot
duce la deteri orarea obiectelor sau a robotului). Navigarea robotului este posibilă și fără o
determinare a poziției și orientării față de un sistem de coordonate fix, dar această informație
este utilă pentru sisteme de comandã a mișcării. Dintre metodele de naviga ție mai des utilizate
se pot menționa: măsurarea numărului de rotații făcute de roțile motoare, folosirea de
acceleratoare și giroscoape, geamanduri electromagnetice instalate în teren, semnalizatoare
pasive sau semi -pasive de tip optic sau magnetic. Info rmațiile despre spațiul de lucru se pot
obține independent de oricare acțiune a robotului și se pot organiza pe hărți de navigație.
Harta oferă o configurație a structurii inițiale a spațiului de lucru. Configurația cerută se obține
prin actualizarea hă rții inițiale cu informații obținute de la sistemul de navigație al robotului
autonom. Pe baza modelului inițial se poate stabili o traiectorie posibil de urmărit pentru
atingerea scopului, traiectorie cu atât mai apropiată de cea reală cu cât informați ile despre
mediul de lucru sunt mai aproape de realitatea din teren.
Informațiile existente inițial pot contribui la o împărțire a spațiului în zone accesibile și
zone interzise [C5]. În procesul de modelare a spațiului de lucru, este important să se țină
seama de dimensiunile și posibilitățile fizico -mecanice de abordare a acestor obstacole de
către robot în funcție de dimensiunile lor. Obstacolele din spațiul de lucru trebuie considerate
cu dimensiunile majorate, atât pentru siguranța mișcării robotulu i cât și pentru simplitatea
algoritmului de planificare, permițând considerarea robotului ca un punct material. Roboții care
își planifică singuri traiectoria de mișcare sunt dotați cu funcții de decizie și încadrați în clasa
roboților inteligenți. Există roboți la care traiectoria nu se planifică, este fixă și marcată pe
teren. În acest caz ei trebuie să evite numai obstacole interpuse accidental pe traseul marcat și
să prelucreze informația de navigație realizând astfel urmărirea traiectoriei fixate. Acești
roboți mobili nu sunt inteligenți, dar sunt deosebit de utili pentru asigurarea transportului în
atelierele flexibile ale producției. Robotul mobil este pus în situația de a desfășura acțiuni
similare cu cele ale operatorului uman. Acest lucru dete rmină existența unor anumite
dispozitive prin care să se culeagă informații din mediul de lucru, care să realizeze
interacțiunea robot – mediu cu ajutorul unor caracteristici ale mediului sau ale obiectelor din
mediu și o unitate centrală care să prelucre ze în timp real informația senzorială, să o
transforme într -o formă utilă pentru sistemul de comandă. Sistemul senzorial mai este numit și
sistem de măsurare. El asigură măsurarea unor mărimi fizice și eventual perceperea unor
modificări semnificative a a cestor mărimi. Datorită sistemului senzorial se pot pune în
evidențã și caracteristicile geometrice și chimice ale obiectelor din mediul de lucru. Senzorii
datorită caracteristicilor pe care le au pot explora zona de lucru, zona de contact, cea apropiată ,
cea îndepărtată, iar senzorii foarte puternici chiar și zone foarte îndepărtate. Caracteristicile
senzoriale ale unui robot depind foarte mult de gradul său de autonomie, de aplicațiile pentru
care a fost proiectat și de tipul mediului de lucru [M4] .
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
9
1.3.1. Sistemul senzorial al roboților mobili
Senzorii sunt dispozitive care pot măsura diferite proprietăți ale mediului precum:
temperatura, distanța, rezist ența fizică, greutatea, mărimea etc. În funcție de informațiile
primite de la senzori robotul mob il se orientează în mediul de lucru.
În cel mai general caz, senzorii pot fi împărți în două categorii [I1], și anume:
Senzori de stare internă – senzori care oferă informații despre starea internă a
robotului mobil, spre exemplu nivelul bateriei sau poziț ia roților.
Senzori de stare externă – senzori care oferă informații despre mediul ambiant în care
robotul funcționează. Senzorii de stare externă se mai pot împărți la rândul lor în două
categorii: senzori cu contact, mai precis acei senzori care culeg in formația din mediu
prin atingere ( senzor tactil), respectiv senzori fără contact, care preiau informația din
mediu de la distanță (cameră video, senzor ultrasonic, senzor infraroșu) .
Un senzor poate fi activ sau pasiv. Senzorii activi sunt acei senzori car e emit energie în
mediu pentru a putea observa anumite caracteristici ale acestuia, spre deosebire de senzorii
pasivi care primesc energie din mediu pentru a putea prelua informația.
De asemenea, toate tipurile de senzori sunt caracterizate printr -o serie de proprietăți, cele
mai importante fiind [P4]:
– Sensibilitatea: raportul dintre semnalul de ieșire și semnalul de intrare;
– Liniaritatea: exprimă dacă raportul dintre intrare și ieșire este constant;
– Intervalul de măsurare: diferența între distanța minimă ș i maximă măsurabilă;
– Timpul de răspuns: timpul necesar pentru ca informația de la intrare să fie observabilă
la ieșire;
– Acuratețea: diferența între semnalul măsurat si semnalul real;
– Repetabilitatea: diferențele intre măsurători succesive ale aceleiași ent ități;
– Rezoluția: exprimă cea mai mică unitate de incrementare a semnalului măsurat;
– Prețul senzorului;
– Puterea de cal cul necesară pentru a interpreta rezultatele;
– Tipul de semnal la ieșire;
– Greutatea, mărimea și cantitatea de energie consumată pentru a f ace o măsurătoare.
Orice model al unui senzor ar trebui să includă și un model intern al zgomotului care
poate afecta senzorul în momentul citirii informației. Problema de a recupera informația din
mediu din datele primite de la senzor poate fi destul de c omplexă.
Orice tip de senzor poate fi afectat de mai multe tipuri de erori. Dintre acestea, cele mai
importante sunt erorile incidentale, erorile sistematice și erorile stohastice. Erorile incidentale
apar ocazional și pot avea un efect neprevăzut asupra informației, ele provenind în cea mai
mare parte de la măsurători efectuate greșit. Erorile sistematice au o influență predictibilă
asupra acurateții informației, acestea provenind de la o interpretare greșită a parametrilor în
algoritmii de estimare, sau din cauza u nor neconcordanțe în modelare. Î n fine, erorile
stohastice, au un caracter aleator, ele diferind de fiecare data când robotul execută aceeași
operație.
În lumea roboților mobili se întâlnesc o mare varietate de tipuri de senzori. O clasificare
de bază a acestora ar putea fi [V1]:
Senzori de distanță – senzori care oferă informații despre distanța între senzor și
obiectul de măsurat din mediu;
Senzori de poziție – senzori care oferă informații despre poziția robotului în termeni
absoluți;
Senzori de mediu – senzori care oferă informații despre diverse proprietăți și
caracteristici ale mediului (exemplu: temperatură, culoare);
senzori inerțiali – senzori care măsoară proprietăți de mișcare ale robotului .
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
10
1.3.1.1. Senzori de stare externă
Senzori de contact
Cel mai des întâlnit tip de senzori de contact în lumea roboților mobili este reprezentat de
senzorii tactili. Termenul de senzor tactil se referă la un traductor care este sensibil la atingere,
forță sau presiune. Acești senzori pot fi piezore zistivi, piezoelectrici, capacitivi sau
electrorezistivi [B3].
Senzori în infraroșu (IR)
Senzorii în infraroșu (IR) constituie categoria cea mai simplă d e senzori de distantă
folosită l a un robot mobil. Metoda lor de funcționare este foarte simplă, fieca re senzor fiind
echipat cu un emițător și un detector. Emițătorul transmite un fascicol de lumină în spectrul
infraroșu (de regulă sunt folosite lungimi de undă în intervalul 880 -990nm), fascicol care se
propagă în mediu, iar apoi se reflectă de obiectele aflate în acesta [B6]. Fascicolul reflectat este
captat de componenta detector, urmând apoi ca printr -un calcul matematic simplu, să se
estimeze o distanță între senzorul în infraroșu și obiectul detectat din mediu.
Senzori ultrasonici
Categoria de senz ori cea mai des întâlnită la un robot mobil o constituie categoria
senzorilor ultrasonici. Întâlniți în literatura de specialitate și sub denumirea de sonar, senzorii
ultrasonici folosesc un principiu oarecum asemănător cu senzorii IR., dar în loc de a tra nsmite
fascicole luminoase, ei folosesc semnale acustice. Un emițător transmite un semnal acustic în
mediu, urmând apoi ca reflecția acestuia să fie recepționată de componenta detector a
senzorului. Timpul în care semnalul este receptat înapoi de senzor pr ecum și atenuarea
semnalului reprezintă aspecte exploatate de diferitele tipuri de senzori sonar [D3].
Sunetele transmise de senzori sunt de regulă în spectrul de sunete ultrasonice, având o
frecvență foarte înaltă pentru a nu putea fi detectate de urechea umană.
Sensibilitatea unui senzor ultrasonic nu este uniformă, ci consistă dintr -un lob principal și
câteva loburi laterale mai mici. De asemenea, această sensibilitate diferă de la un senzor la
altul.
Senzori GPS
Sistemul de poziționare globală prin s atelit (Gl obal Positioning System) a fost inițial
dezvoltat de către Departamentul de Apărare al SUA începând cu anul 1973. Sistemul este
alcătuit din aproximativ 21 de sateliți [Z1], si permite oricărui receptor autorizat să -și calculeze
poziția și viteza cu care se deplasează. Sistemul GPS nu poate fi folosit în interiorul clădirilor,
deoarece el necesită ca între receptor și satelit să existe vizibilitate directă. Momentan există
mat multe implementări ale serviciului, printre care SPS ( Standard Position ing System)
disponibil pentru civili, respectiv PPS ( Precise Positioning System), disponibil pentru armată.
SPS are o acuratețe de aproximativ 100m pe orizontală, fapt pentru care nu este folosit prea
mult în lumea roboților mobili.
Senzori video
Senzori i vizuali sunt reprezentați de regulă în lumea roboților mobili de camere video. În
momentul de față senzorii de imagine folosesc două tehnologii: CCD și CMOS.
Camerele video obțin o cantitate mare de informații din câmpul lor vizual. Procesarea
acestor d ate poate necesita o putere de calcul ridicată, mai ales dacă se dorește obținerea unor
performanțe optime din informațiile culese [S4].
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
11
Aplicațiile senzorilor vizuali sunt extrem de variate:
– control și inspecție: stări de suprafețe, culori, aspect, forme , contur și dimensiuni;
– verificare: prezența sau absența unui obiect;
– identificări și localizări de obiecte: în plan (2D) sau în spațiu (3D);
– urmărirea unui contur.
1.3.1.2. Senzori de stare internă
Senzorii de stare internă sunt acei senzori care oferă informații despre starea internă a
robotului mobil. Senzorii din această categorie oferă fie informații legate de poziția robotului
(odometrie), fie informații referitoare la vitezele sau accelerațiile liniare , respectiv unghiulare
ale robotului (accelerom etru, giroscop).
Senzorii care oferă informații despre poziție, se regăsesc de regulă sub forma encoderelor
la motoarele robotului. Encoder -ul este un dispozitiv (circuit, traductor, software) care
transformă semnalul primit (numărul de rotații) într -un se mnal electric. Prin măsurarea rotației
roților robotului, și apoi interpretarea acestei informații se poate estima poziția robotului.
Semnalul provenit de la encodere poate oferi informații despre direcția în care se deplasează
robotul, viteza cu care se d eplasează robotul precum și distanța aproximativă care a parcurs -o
robotul de la ultima evaluare [P4].
Teoretic, poziția exactă a robotului ar putea fi dedusă doar din informațiile de odometrie
provenite de la encodere, în sensul că distanța parcursă ar tr ebui să fie egală cu 2πr, unde r
reprezintă raza roții resp ective. În practică însă, în cel mai bun caz, se poate ști doar că
informația de la encodere conține o anumită eroare, și că această eroare de regulă nu scade
niciodată. Î n cea mai rea situație, c ând roțile robotului alunecă, nu mai există nici o relație între
mișcarea roților si mișcarea robotului.
Senzorul care permite determinarea vitezelor sau accelerațiile unghiulare ale robotului este
giroscopul. Elementul component fundamental al tuturor di spozitivelor giroscopice – indiferent de
destinația acestora – îl constituie giroscopul în formă de volant având rolul de purtător de moment
cinetic. Pentru menținerea lui în mișcare de rotație se utilizează diferite mijloace de acționare.
Ansamblul format din motorul de acționare (pneumatic sau electric) și giroscop (volant) se
numește giromotor [B3].
1.3.1.3. Fuziunea datelor furnizate de senzori
Pentru majoritatea sarcinilor atribuite unui robot mobil, folosirea unui singur tip de
senzori nu poate da r ezultate satisfăcătoare. Spre exemplu, pentru navigare, anumite obiecte din
mediu pot fi detectate doar de senzori IR, iar altele doar de senzori ultrasonici , și doar unele de
ambele tipuri de senzori. Se pune deci problema găsirii unei metode care să comb ine într -un
mod eficient informațiile de la o multitudine de senzori de catego rii și caracteristici diferite.
Termenul cel mai des întâlnit în literatura de specialitate este „fuziune de senzori”. În contextul
roboților mobili, fuziunea trebuie să fie efec tuată pe următoarele trei nivele [A1]:
– Trebuie să combine măsurători de senzori de categorii diferite;
– Trebuie să combine măsurători din poziții diferite;
– Trebuie să combine măsurători efectuate la diferite intervale de timp.
1.3.2. Considerații privind n avigația roboților mobili
Sistemul de navigație reprezintă componenta cea mai complexă a roboților mobili
autonomi. Instrumentele de navigație pot fi aplicate roboților autonomi sub diferite forme
cinematice și geometrice.
Pentru navigație au fost folos ite numeroase principii [B8]: odometrie (măsurarea relativă
a poziției prin analiza numărului de rotații și orientarea roților) , navigație inerțială (pe baza
măsurătorilor relative realizate prin intermediul giroscopului), ghidare activă (calculul poziție i
absolute prin măsurarea distantei până la cel puțin trei repere), recunoașterea punctelor de reper
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
12
artificiale și recunoașterea puncte de reper naturale (se folosesc puncte de reper existente din
mediul înconjurător).
1.3.2.1. Metodele de navigație a ro boților autonomi
Metodele de navigație a roboților autonomi sunt din cele mai diverse, dată fiind gama
largă de utilizare a roboților și aplicațiile acestora. Mediul înconjurător robotului are o
importanță crucială pentru funcționarea și orientarea acestu ia, și de aceea toate abordările
acestei probleme pornesc de la mediu. După acest considerent, se pot evidenția trei principii de
navigație [F2]:
1. Navigația globală – raportare directă prin coordonate absolute la harta mediului
înconjurător;
2. Navigația local ă – prin determinarea poziției relativ față de obiecte imediat apropiate de
robot, staționare sau în mișcare;
3. Navigația individuală – aflarea poziției robotului cu ajutorul unor dispozitive dedicate
monitorizării deplasărilor făcute de acesta.
Navigația g lobală
Acest tip de navigație se aplică la roboții ce au de parcurs distanțe mari, în spații
deschise, fără repere imediate și la distanțe foarte mari față de puncte de referință. Acest tip de
roboți este utilizat cu precădere de industria militară, cum a r fi avioanele de recunoaștere fără
pilot uman de tip UAV, dar și alte echipamente de pilot automat întâlnite în aeronautică, pe
vapoare sau chiar în dotarea automobilelor de ultimă generație. În majoritatea cazurilor,
navigația automată a acestora se face cu ajutorul tehnologiei GPS [B1].
Navigația locală
În cazul navigației locale, se folosesc metode de detecție vizuală a mediului cu ajutorul a
diferiți senzori, cum ar fi senzorii vizuali, infraroșu, laser, sau ultrasonici. [H1]. În cadrul
navigării loc ale este vizată o modelare și o interpretare a mediului de către robot, fără ca
informațiile despre mediu sa îi fie furnizate în prealabil. Această interpretare duce la diferite
tipuri de reprezentări ale mediului înconjurător, făcute după modele în funcți e de aplicație.
Astfel mediul poate fi interpretat mai ușor prin stabilirea unor puncte de reper (în literatura de
specialitate sunt denumite landmarks) de către robot prin recunoașterea unor anumite obiecte
sau caracteristici ale mediului. Aceste repere pot fi stabilite artificial, în puncte cheie, acestea
fiind realizate astfel încât să poată fi detectate cât mai ușor. Pe baza interpretării mediului,
robotul poate realiza hărți bidimensionale sau tridimensionale pentru o orientare mai bună și
prin recuno așterea anumitor părți din mediu, procesul de navigație poate fi optimizat [C5]. Cei
mai utilizați senzori în acest caz sunt senzorii vizuali CCD sau CMOS.
Navigația individuală
Navigația individuală, este utilizată în combinație cu metodele de navigați e globală și
locală, prin calcularea poziției robotului relativ la mediu prin măsurări directe asupra vitezei și
traiectoriei parcurse de către robot. Această metodă, numită și odometrie, oferă o corecție mai
bună a erorilor de deplasare și totodată este r elativ simplu de implementat, soluția regăsindu -se
la roboții ieftini sau cu aplicații simple. Pentru că majoritatea roboților mobili utilizează roți
sau șenile, această soluție a devenit practic omniprezentă la aproape toți roboții mobili. Dintre
soluțiil e de implementare se pot aminti: odometre cu perii, magnetice, inductive, capacitive,
optice [G1]. Alte metode utilizează senzori Doppler sau unde active de tip laser, sonice, radio
pentru orientare sau măsurarea vitezei. Senzorii Doppler funcționează pe b aza efectului cu
același nume, ce privește modificarea frecvenței undei radiate funcție de viteza și direcția
emițătorului. [B14]. Pentru roboții mobili, cele mai utilizate sunt laserele și ultrasunetele, dar
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
13
dezavantajul lor constă în faptul că aplicabili tatea robotului rămâne restrânsă la incinta ce
găzduiește aceste repere.
1.3.2.2. Module de navigație ale roboților mobili
Sistemul de navigație al roboților mobili e ste împărțit în trei module principale:
– Cercetarea și detecția;
– Planificarea traseului ( drumului);
– Controlul mișcării.
Cercetarea și detecția
O parte importantă a sistemului robot mobil o reprezintă cercetarea (cartografia) și
detecția cât mai exactă în vederea construirii unei hărți a mediului înc onjurător (spațiului de
lucru).
Metoda de l ocalizare și construcție a hărții simultan e ste folosită pentru navigația
roboților mobili în spații mari, folosindu -se mai multe tipuri de senzori, cum ar fi senzorii
acustici sau ultrasonici, senzori de tip laser sau senzori vizuali. De asemenea mai sunt folosite
puncte topografice artificiale cum ar fi reflectori tip cod de bară, balize ultrasonice
etc.Metodele de detecție cele mai des întălnite sunt: metoda Kalman, metoda Markov și metoda
Monte Carlo.
Planificarea traseului (drumului)
Problema planifi cării mișcării unui robot mobil este aceea a găsirii unei mișcări pentru un
robot care trebuie să se deplaseze de la o configurație dată, la o destinație stabilită, într -un
mediu care conține o mulțime de obstacole prestabilite, astfel încât robotul să nu intre în
coliziune de nici unul din acestea. Într -o problemă concretă, obstacolele nu sunt întotdeauna
statice, iar robotul nu poate fi modelat ca un singur obiect rigid, precum în cazul problemei de
bază a planificării . Este evident că un robot care se mi șcă printre obstacolele mobile este
capabil de performanțe mult mai mari și de o serie de sarcini mult mai complexe. Această
teorie are în vedere planificarea mișcării în medii de timp variabil unde atât obstacolele, cât și
destinația, sunt în mișcare [B14 ].
Abilitatea ocolirii obstacolelor în mișcare este indispensabilă pentru orice robot real. Se
consideră, spre exemplu, un robot tip mașină ce se deplasează de -a lungul unui drum stabilit.
Sistemul senzorial al robotului poate dintr -o dată să depisteze un obiect mișcător care îi taie
drumul. În cazul acesta ar trebui să fie capabil să producă și să execute o mișcare pentru a evita
cu siguranță obiectul, astfel încât, prin frânare să lase obiectul să treacă pe lângă, sau prin
accelerare să -l ocolească . [M2].
Optimizarea unei probleme de planificare, în contextul amintit, presupune un consum
foarte mic de energie, dar, în același timp, trebuie să se acorde atenție și studiului vitezelor și
accelerațiilor robotului mobil. Astfel problema planificării mișcării p rintre obiecte mobile este
în mai multe feluri diferită și mai complexă decât problema planificării mișcării cu obstacole
staționare [H3].
Controlul mișcării
a) Unități centrale de procesare
Sarcinile pe care un robot mobil trebuie să le îndeplinească pot s ă fie de la foarte simple
la extrem de complexe. Totul depinde de scopul final al robotului mobil construit. Î n funcție de
tipul de sarcini atribuite unui robot mobil, procesarea și descompunerea sarcinilor în acțiuni
simple pe care robotul le poate execut a necesită prezena unei unități centrale de procesare [L3].
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
14
Unitatea centrală de procesare se poate afla fie pe robot (en. onboard), fie la distanță
conectată de acesta prin diverse metode (en. offboard ). În mod normal, se dorește ca robotul
mobil să fie a utonom, deci să poată duce la bun sfârșit oarecum independent și sarcini mai
complexe, fără intervenția unui program de control din partea utilizatorului, aflat la distanță. În
multe cazuri însă, prezența unei unități de procesare pe robot duce la o autono mie scăzută a
bateriei acestuia. O altă problemă ar putea fi creșterea în greutate a robotului, în funcție de tipul
de unitate centrală de procesare aleasă. De asemenea, în cazul în care necesitățile
computaționale sunt mari, s -ar putea ca o unitate centra lă de procesare să nu funcționeze în
limitele fizice și geometrice ale robotului, caz în care aceasta nu poate fi instalată [O3] .
Există totuși o serie de avantaje de a avea o unitate de procesare onboard:
Dispar întârzierile asociate comunicației între o unitate de procesare offboard și
componentele electronice ale robotului;
În cazul unor probleme de comunicare, robotul poate acționa în continuare
autonom;
Unitățile de procesare onboard au acces direct la hardware -ul robotului, în timp ce
unitățile offboa rd trebuie să apeleze la un anumit protocol care să interfațeze între
componente și unitate.
Evident soluția cea mai bună este ca robotul să poate funcționa atât autonom prin
intermediul unei unități de procesare onboard, cât și în regim de comunicare cu a lte unități de
procesare mai performante, care pot asigura necesitățile computaționale pentru sarcini mai
complexe [B11].
În practică unitățile de comunicare onboard se aleg astfel încât să aibă suficientă putere
de calcul pentru a îndeplini majoritatea sa rcinilor simple, cu specificația să nu consume prea
multă energie. Unitățile offboard sunt de regulă reprezentate de calculatoare personale.
b) Sisteme de comunicare
Roboții mobili trebuie să posede capacități de comunicare fie cu alți roboți din mediu fie
cu un operator uman, pentru a raporta dacă o anumită sarcină dată a fost îndeplinită cu succes,
sau nu. Sistemele de comunicare aferente roboților mobili pot fi de 2 categorii: cu fir respectiv
fără fir.
Comunicația cu fir este modalitatea cea mai simplă de transfer de date între robot și
operator. O serie de probleme asociate transmisiei fără fir, dispar în cazul comunicației de date
cu fir, cu prețul îngrădirii mobilității robotului. Avantajul principal al sistemelor de comunicare
cu fir este acela că, pe lângă datele transmise între robot și operatorul uman, se mai poate
transmite și curent electric, eliminând astfel necesitatea unei baterii onboard pe robot și mărind
autonomia robotului [F2].
Un dezavantaj direct al folosirii unui sistem de comunicare cu fir, ar fi faptul că spațiul de
lucru al robotului va fi limitat de lungimea maximă admisibilă a cablului. De asemenea, cablul
ar putea interfera cu sistemul de locomoție sau chiar cu senzorii, aceștia putând raporta valori
eronate .
Sistemele de comunicare fără fir se folosesc de o serie de tehnologii de transmitere a
datelor prin aer dintre care amintim: transmisia prin unde în spectrul infraroșu, b luetooth, radio
modem -uri, WiFi și altele.
Tehnologiile WiFi sunt deja răspândite în domeniul calculatoarelor personale, și oferă un
suport complet de integrare al roboților în rețele de calculatoare. O problemă a acestor
tehnologii ar fi faptul că sunt consumatoare de energie, lucru care nu este prielnic robotului
mobil.
Eliminând problema energiei consumate, te hnologiile Bluetooth oferă servicii similare cu
dispozitivele WiFi, însă distanța maximă admisibilă între emițator -receptor este mult mai mica
decât în c azurile celorlalte tehnologii. Î n momentul de faț ă, tehnologiile Bluetoo th se folosesc
în interiorul cl ădirilor, în laborator, unde distanța maximă fără repetor este de maxim 20m.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
15
1.3.2.3. Exemplu de navigație a robotului mobil KSR4 Escape
Pentru observarea modului de navigație al roboților mobili, a fost testat într -un spațiu de
lucru cu obstacole fixe robotul Escape [**10] , care folosește pentru detecție trei diode infraroșu
de emitere și un modul infraroșu de recepție .
Fig. 1.4. Robotul mobil testat pentru observarea comportamentului într -un spațiu de lucru
S-au efectuat o serie de teste cu r obotul KSR4 – Escape, într -un mediu ambiant (lungime
785mm, lățime 380mm) de tip labirint, acesta trebuind să ajungă dintr -un capăt în celălalt capăt
ocolind mai multe obstacole de diferite forme. Obstacolele au fost realizate din polistiren
expandat de cu loare albă [T3]. Au fost efectuate cinci încercări cu poziționări diferite ale
obstacolelor în spațiul de lucru (fig. 1. 5).
Fig. 1.5. Poziționarea obstacolelor în m ediul ambiant în care s -au realizat cele cinci încercări
În figura 1.6 este prezentat d rumul parcurs de robot în spațiul de lucru la cele cinci
încercări . Cu linie roșie au fost reprezentate mișcările înainte ale robotului, iar cu linie verde,
mișcările înapoi. Cu cerc albastru s -a marcat plecarea și cu x roșu s -a marcat sosirea.
Fig. 1.6. Drumul parcurs de robot în spațiul de lucru în care s -au realizat cele cinci încercări
La prima încercare s -au folosit 6 obstacole. După 29 de mișcări, 15 înainte și 14 înapoi,
robotul a epuizat sursa de energie și nu a ajuns la punctul de sosire. Ro botul a avut și probleme
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
16
de locomoție, având tendința de virare spre stânga în timpul mersului [T3]. La a doua
încercare , după 41 de mișcări, 21 înainte și 20 înapoi, robotul a ajuns la punctul de sosire. Și la
a treia încercare s -au folosit 6 obstacole. După 33 de mișcări, 17 înainte și 16 înapoi, robotul a
ajuns la punctul de sosire. La a patra încercare s-au folosit 7 obstacole și după 25 de mișcări, 13
înainte și 12 înapoi, robotul a ajuns la punctul de sosire. La a cincia încercare s -au folosit 7
obstacole, obstacolul 7 fiind din sticlă. Modulul emițător nu a sesizat obstacolul 7, lovindu -l.
Robotul nu a ajuns la punctul de sosire. În urma testelor se poate spune că sistemul de detecție
a sesizat obstacolele confecționate din polistiren de culoare a lbă, evitându -le în drumul spre
punctul de sosire, dar nu a sesizat obstacolul din sticlă, senzorii în infraroșu neputând să -l
detecteze.
Pentru o mai bună orientare a robotului Escape, se poate modifica siste mul senzorial
adăugând alături d e cele trei dio de infraroșu de emitere încă două [T5]. Cu cinci diode de
emitere se mărește unghiul de detecție, îmbunătățindu -se comportamentul robotului din punct
de vedere al detecției obstacolelor. Din considereste economice, utilizarea mai multor diode de
emisie (în număr mai mare de cinci) nu este justificată.
a) b)
Fig. 1.7. Placa de bază cu trei și cu cinci diode de emisie
1.4. Concluzii
Roboții mobili autonomi reprezintă clasa cea mai performantă a roboților mobili. Un
robot trebuie să realizeze diferi te sarcini fără a -i fi specificată fiecare acțiune care urmează să
fie realizată. Pentru a realiza un robot autonom, este necesar să fie sintetizate multe tehnici,
inclusiv unele elemente de inteligență artificială. În mod obișnuit, robotul trebuie să obți nă
informații din lumea înconjurătoare folosind senzori tactili vizuali și acustici, să elaboreze un
plan pentru executarea sarcinii date, să rezolve fenomenele neașteptate care vin fie din mediul
exterior, fie de la robot și să învețe din experiență pentr u a-și îmbunătăți performanțele.
Obstacolele nu sunt întotdeauna statice, iar robotul nu poate fi modelat ca un singur
obiect rigid. Este evident că un robot care se mișcă printre obstacolele mobile este capabil de
performanțe mult mai mari și de o serie d e sarcini mult mai complexe.
Ce se poate spune este că sistemul senzorial al unui robot de orice tip, are cea mai
importantă funcție în orientarea acestuia în spațiul de lucru.
Senzorii tactili sunt folosiți în practică sub formă individuală și sub formă matricială.
Senzorii tactili matriciali prezintă o capacitate informațională mai mare, fiind mult mai
eficienți decât dacă sunt folosiți individual.
Cei mai întrebuințați senzori vizuali sunt cei de tip CCD și CMOS. Senzorii CCD, în
raport cu senzorii CMOS , oferă o calitate superioară a imaginii, zgomot redus, citire rapidă a
imaginilor de calitate superioară. Senzorii CMOS au prețul de cost mai scăzut, integrare în cip,
consum redus și tehnologie mai simplă de fabricare. Din punct de vedere economic, în ul timii
ani s -au vândut mai multe unități CCD decât CMOS, dar ca proiecte de noi produse, într -un an,
raportul a fost de 5 la 1 pentru CMOS.
Senzorii de detecție acustici, precum și senzorii ultrasonici au calități superioare celor
optici impunându -se într -o serie de aplicații. Acești senzori sunt recomandabili la aplicații în
medii gazoase și în condiții grele sau care exclud utilizarea fenomenului optic (prezenta
aburilor sau p rafului, perturbații optice etc ).
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
17
CAPITOLUL 2 . CERCETĂRI EXPERIMENTALE PRIVIND
DEPLASAREA ROBOȚILOR MOBILI ÎN SPAȚIUL DE LUCRU
2.1. Introducere
Pentru înțelegerea comportamentului unui robot mobil într -un spațiu de lucru dotat cu
diferite tipuri de obstacole s -au efectuat teste cu mai mulți roboți având diverse grade de
autonomie. Roboții mobili supuși testelor prezintă sisteme diferite de locomoție și folosesc mai
multe tipuri de senzori în vederea orientării în spațiul de lucru.
În urma testelor efectuate cu roboții mobili în spațiul de lucru, se va stabili metoda de
optimizare a sistemului senzorial.
O importanță deosebită o are alegerea metodelor de testare a roboților mobili în vederea
determinării particularitățior acestora și a modului de operare în spațiul de lucru.
Prima metodă aleasă depinde de precizia de operare a fiecăr ui robot mobil. Astfel se va
măsura abaterea de la traiectorie a roboților într -un spațiu de lucru închis fără denivelări.
O altă metodă este cea de evitare a obstacolelor dintr -un spațiu de lucru. Obstacolele
utilizate vor avea diferite forme și mărimi.
A treia metodă este cea a parcurgerii unui traseu de tip labirint pentru observarea
traiectoriei și a numărului de schimbări de direcție a fiecărui robot. De asemenea , se va măsura
distanța parcursă și se va cronometra timpul în care fiecare robot a junge în puntul țintă (la
sosire).
2.1.1. Spațiul de lucru
Pentru testarea performanțelor roboților mobili este necesară alegerea unui spațiu de lucru
în care datele primite de la sistemul senzorial să fie cât mai puțin afectate de factorii
perturbatori din medi ul ambiant. Astfel este de preferat alegerea unui spațiu de lucru in chis cu
temperatură și umiditate constante, ferit de zgomote și viteze fluctuante ale curenților de aer.
De asemenea , trebuie ales un pun ct de plecare a robotului mobil, o serie de obstaco le pe care
acesta trebuie să le evite în drumul său și un punct de sosire a acestuia.
Ținând cont de precizările făcute anterior, pentru testarea performanțelor unui robot
mobil se poate alege un spațiu de lucru de tip încăpere cu diferite obstacole poziți onate în
interior , sau un spațiu de tip labirint unde obstacolele sunt reprezentate de pereții de diferite
lungimi și f orme.
2.1.2. Obstacolele din spațiul de lucru
Obstacolele alese pentru crearea unui spațiu de lucru optim testelor pot avea dimensiuni
și forme diferite. De asemenea, acestea pot fi confecționate folosind diverse tipuri de materiale.
Fig. 2.1. Realizarea obstacolelor de diferite forme
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
18
2.2. Roboții mobili utilizați la cercetările experimentale
Pentru studiul experimental au fost util izați șase roboți mobili și anume:
Robot mobil Pro Bot 128 ;
Robot mobil Spy Video TRAKR ;
Robot mobil KSR4 – ESCAPE ;
Robot umanoid Maxibot;
Robot pășitor Hexbug Delta ;
Mini -vehicul teleghidat .
Fig. 2.2. Roboții mobili utilizați la cercetările experimen tale
Dintre cei șase roboți mobili testați trei au sistemul locomor cu roți, unul cu șenile și doi
sunt pășitori.
2.2.1. Robotul mobil Pro Bot 128
Robotul mobil PRO ‐BOT 128 dispune de un procesor C ‐Control PRO 128 RISC și
două motoare care pot fi contr olate separat unul de altul, o unitate optică de urmărire a liniilor,
un dispozitiv pentru evitarea coliziunilor, doi senzori turație pentru roți, patru sisteme de
afișare cu leduri, un senzor acustic, doi senzori de lumină, iar drept caracteristică specia lă
posibilitatea de a măsura și monitoriza propria tensiune de funcționare [***8].
Robotul este montat pe un șasiu cu transmisie diferențială, care îi permite să se rotească și
să pornească în direcția dorită. Acest tip de tracțiune are avantajul că la miș cările de rotație și
de schimbare a direcției robotul nu are nevoie de un spațiu mai mare decât propria
circumferință. Senzorii și actuatorii permit programatorului dezvoltarea unor interacțiuni foarte
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
19
complexe cu stimuli exteriori și astfel reacții elabor ate. Robotul are în componență doi senzori
de lumină, doi odometrii, un senzor de urmărire a liniei (marcajului), un sistem senzorial
infraroșu anti coliziune, un senzor acustic, și un senzor care controlează tensiunea de
alimentare. Actuatorii sunt reprez entați prin două transmisii electrice DC cu reglarea continuă a
vitezei față/spate, un avertizor cu sunete pentru redare audio, patru led -uri de stare și un led
pentru senzorul de urmărire a liniei.
Computerul de comandă C -Control PRO 128 este un modul com pact pentru utilizare
universală la aplicații de măsurare, control și reglare și dispune de funcția de transfer serial de
date și stocare de date [***8]. Computerul include un microprocesor ce permite programarea
kitului în limbajele de programare BASIC și C.
2.2.2. Robotul Spy Video TRAKR
Spy Video TRAKR este un robot programabil dotat cu cameră video color, cu
posibilitatea vederii în întuneric, microfon și difuzor. Robotul poate fi comandat cu ajutorul
telecomenzii sau poate fi programat în vederea p arcurgerii unui traseu selectat.
La comanda manuală a robotului, dirijarea acestuia se face cu ajutorul imaginilor captate
de camera video și afișate pe ecranul color al telecomenzii. Imaginea afișată poate fi mărită și
pe ecran pot fi vizualizate viteza de înaintare, nivelul energiei în acumulatori și o busolă.
Pentru vederea nocturnă e folosit LED -ul infraroșu montat deasupra camerei video [***9].
Programarea robotului se face prin intermediul calculatorului, con exiunea cu acesta
făcându -se prin interm ediul unui cablu USB.
2.2.3. Robotul KSR4 – "ESCAPE"
Robotul Escape [**10] folosește trei diode infraroșu de emitere și un modul infraroșu de
recepție care emit și respectiv receptează semnale în vederea detectării obstacolelor.
Microprocesorul acestui r obot îl face capabil să culeagă și să proceseze informații despre
mediul înconjurător, permițând evitarea obstacolelor în timpul funcționării. Robotul Escape se
deplasează cu ajutorul a șase roți și este alimentat cu energie electrică cu patru baterii AAA de
1,5 V.
Pentru pornirea robotului, comutatorul e mutat pe poziția ON. Ledul LED1 este aprins,
dispozitivul emite trei sunete și robotul pornește. Diodele emițătoare LED2, LED3 și LED4
trimit semnale în vederea detecției obstacolelor. În momentul în care un obstacol e detectat,
semnalul receptat este trimis modulului de recepție care în funcție de tipul semnalului permite:
a) Când dioda emițătore din dreapta detectează un obstacol, se va auzi un singur sunet.
Motorul din stânga va merge în marșarier. Apoi amb ele motoare vor merge înainte.
b) Când dioda emițătore din stânga detectează un obstacol, se va auzi un singur sunet.
Motorul din dreapta va merge în marșarier. Apoi ambele motoare vor merge înainte.
c) Când dioda emițătore din mijloc detectează un obstacol, se vor auzi două sunete.
Ambele motoare vor merge în marșarier. Apoi ambele motoare vor merge înainte.
d) Când toate trei diode emițătore din mijloc detectează obstacole, se vor auzi trei sunete.
Ambele motoare vor merge în marșarier. Apoi ambele motoare vor mer ge înainte.
2.2.4. Robotul Umanoid Maxibot
Robotul Maxibot este un robot mobil pășitor programabil care are posibilitatea de a
comunica cu alți roboți din familia sa cu ajutorul unui sistem senzorial infraroșu.
Programarea robotului se realizează cu aju torul modulului de programare amplasat în
partea din spate a acestuia. Acest modul are patru taste prin apăsarea cărora se determină câți
pași se fac înainte, înapoi, la stânga sau la dreapta. Dezavantajul acestui tip de robot este că nu
poate opera decât în spații de luc ru unde se cunoaște poziția obstacolelor.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
20
2.2.5. Robotul pășitor Hexbug Delta
Robotul Hexbug Delta este un robot pășitor care reacționează la atingere. Antenele lui
sunt senzori tactili care modifică sensul de mers la atingere. Când ante na din dreapta este
atinsă, robotul virează spre dreapta și când antena din stânga este atinsă, robotul virează spre
stânga.
Robotul este pus în mișcare de picioarele din mijloc. Celelalte patru picioare oferă
stabilitate în timpul deplasării. Când nici un a din antene nu este atinsă, direcția de deplasare
este înainte.
2.2.6. Vehicul telecomandat
La acest tip de vehicul orientarea se face de la distanță prin telecomandă în funcție de
datele primite de la un senzor ultrasonic.
Senzorul ultrasonic DT020 -1 a fost montat în partea frontală a vehiculului și sistemul de
achiziție de date MultiLogPRO în partea din spate. Conexiunea cu calculatorul a sistemului de
achiziție se poate realiza cu cablu sau wireless (rețea fără fir).
2.3. Cercetări privind sistemul de locomoție al roboților mobili
Locomoția este procesul care îi permite robotului mobil să se deplaseze în mediu prin
acționarea anumitor forțe asupra sa. Sistemul de locomoție are un rol hotărâtor în atingerea
scopului propus prin funcția robotului mob il. Contribuie la acest lucru atât varianta de realizare
a locomoției (roată, șenile, picior etc.), cât și aspectele structurale (grade de mobilitate,
orientare, manevrabilitate) ale variantei admise pentru robot.
Pentru a se determina influența sistemului locomotor asupra orientării roboților în spațiul
de lucru s -au efectuat teste cu roboți mobili cu sisteme locomotoare cu roți, șenile și roboți
pășitori.
2.3.1. Determinarea abaterii liniare de la traiectorie
Pentru determinarea abaterii de la traiector ie a roboților testați s -a amenajat un traseu cu
benzi de mărimi și culori diferite. Banda îngustă din mijloc are culoarea verde și lățimea de 10
mm, în stânga și dreapta benzile au culoarea galbenă cu lațimea de 15 mm, acestea fiind
mărginite de benzile d e culoare roșie cu lățimea de 25 mm.
În ved erea determinării abaterii unghiulare de la traiectorie a fost proiectat un dispozitiv
care rulează pe șine și are încorporat un senzor care măsoară viteza unghilară. Senzorul montat
pe dispozitiv este conectat l a robotul testat și la sistemul de achiziție de date MultilogPro,
furnizând în timp real valorile măsurate. Mișcarea dispozitivului va fi rectilinie și forța de
frecare dintre roți și cele două șine va avea valori foarte redus e [O1]. În figura 2.3 este
prezentată o captură dintr -o pagină a software -ului Pro Engineering în care au fost proiectate
roțile dispozitivului.
Fig. 2.3. Proiectarea roților dispozitivului de d eterminare a abaterii unghilare
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
21
Senzorul utilizat DT148A, monitorizează poziția unghiular ă și indică direcția deplasării,
valorile fiind pozitive sau negative. Măsurându -se valoarea unghiului la abaterea de la
traiectorie, semnul nu are relevanță. Senzorul pentru măsurarea vitezei unghiulare prezintă un
codificator optic, legat de arborele pri ncipal al senzorului. Acesta produce 1 440 impulsuri
pentru fiecare rotire completă a roții senzorului. Un microprocesor din interior contorizează
aceste impulsuri și produce o tensiune de ieșire între 0 V și 5 V, corespunzător numărului de
impulsuri. Acurate țea senzorului este de 0,125o având o rată de eșantionare de 10 probe pe
secundă.
Fig. 2.4. Sistem de determinare a abaterii unghiulare
În figura 2. 4 este prezentat întregul sistem obținut în vederea determinării abaterii
unghiulare la deplasarea roboț ilor mobili. Cu acesta au fost testați roboții Spy Video TRAKR
(șenile), Pro Bot 128 (roți), mini -vehiculul teleghidat (roți) și Maxibot (pășitor). Senzorul a fost
atașat fiecărui robot în parte printr -o prindere fixă.
Fig. 2.5. Conectarea dispozitivu lui la roboții mobili
În tabelul 2.1 sunt prezentate valorile obținute în urma măsurătorilor cu dispozitivul
realizat. Valorile unghiurilor măsurate au fost citite din 200 în 200 mm pe o distanță de 1,8 m.
Tabelul 2.1. Abaterea unghiulară de la traiector ie
Distanța
parcursă Locomoție cu roți Locomoție cu
șenile Pășitor
Robot Pro Bot
128 Mini -vehicul
teleghidat Robot Spy
Video TRAKR Robot Maxibot
Abaterea unghiulară
d β 1 β 2 β 3 β 4
[mm] grade grade grade grade
200 0,92 1,20 0,80 1,58
400 1,75 2,52 1,52 2,89
600 2,43 3,49 2,06 5,20
800 3,35 4,32 2,81 6,98
1000 3,95 4,94 3,32 8,59
1200 4,54 5,77 3,98 10,98
1400 5,23 6,79 4,37 13,58
1600 6,08 7,44 5,03 17,54
1800 6,33 8,14 5,46 24,54
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
22
În urma analizei datelor obținute se evidențiază valorile obținute pentru robotul pășitor
Maxibot. Abaterea unghilară de la traiectorie este mult mai mare în comparație cu abaterile
determinate pentru ceilalți roboți.
În vederea determinării abaterii liniare de la traiectorie, f iecărui robot în parte i s -a
măsur at și însemnat centrul de simetrie. Abaterea liniară de la traiectorie a fost detreminată
prin măsurarea distanței dintre axa traseului și centrul d e simetrie al robotului. Cât timp centrul
de simetrie a l fiecărui robot se încadrează în banda verde abatere a este neglijabilă, măsurarea
acesteia făcându -se pe benzile de culoare galbenă și roșie.
Deplasarea roboților a fost fil mată cu o cameră montată pe tavanul încăperii unde a fost
amenajat spațiul de lucru. Astfel, pe baza filmării s -a determinat cu precizi e abaterea liniară la
fiecare 200 mm dintr -o distanță totală de 1800 mm (1,8m). În tabelul 2.2 sunt pezentate
valorile abaterii liniare determina te pentru cei șase roboți mobili .
Tabelul 2 .2. Abaterea liniară de la traiectorie
Distanța
parcursă Locomoție cu roți Locomoție
cu șenile Pășitori
Robot Pro
Bot 128 Mini –
vehicul
teleghidat Robot
KSR4 –
ESCAPE Robot Spy
Video
TRAKR Robot
Maxibot Robot
Hexbug
Delta
Abaterea liniară
d d1 d2 d3 d4 d5 d6
[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm]
200 3,2 4,2 5,2 2,8 5,5 5,8
400 6,1 8,8 11,1 5,3 10,1 12,3
600 8,5 12,2 15,8 7,2 18,2 22,2
800 11,7 15,1 23,6 9,8 24,5 28,9
1000 13,8 17,3 28,8 11,6 30,2 36,3
1200 15,9 20,2 32,3 13,9 38,8 48,2
1400 18,3 23,8 38,6 15,3 48,3 63,3
1600 21,3 26,1 45,8 17,6 63,2 82,2
1800 22,2 28,6 52,3 19,1 91,3 112,1
Fig. 2.6. Abaterea liniară pentru cei șase roboți
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
23
În fig ura 2.6 este prezentată variația abaterii de la traiectorie în funcție de distanța
parcursă. Se observă că la roboții Robot Pro Bot 128, Mini -vehicul teleghidat și Spy Video
TRAKR abaterea a crescut liniar c u distanța parcursă. La roboții pășitori se observă că valorile
abaterii au crescut exponențial cu distanța parcursă.
Fig. 2.7. Distanța parcursă de roboți pe benzile de culori
În figura 2. 7 este prezentată distanța parcursă de cei șase roboți mobili pe cele trei benzi
de culori diferite. Se observă că robotul Spy Video TRAKR a parcurs cea mai mare distanță pe
culoare verde față de ceilalți roboți și a fost singurul care nu a trecut pe banda de culoare roșie.
Robotul pășitor Hexbug Delta a parcurs cea mai mică distanță pe culoare verde și cea mai mare
distanță pe culoare roșie.
2.3.2. Determinarea accelerației și vitezei roboților în funcție de sistemul de locomoție
Pentru determinarea performanțelor mecanice ale roboților mobili s -au efectuat teste în
trei spații de lucru cu proprietăți diferite. Astfel s -a urmărit comportamentul roboților din punct
de vedere al locomoției pe parchet, pe covor și pe nisip. Spațiile de lucru amenajate în vederea
măsurătoriilor sunt prezentate în figura 2.8.
Fig. 2.8. Spațiile de lucru amenajate: a) parchet, b) covor, c) nisip
Roboții aleși pentru teste au fost Mini -vehiculul teleghidat (sistem locomotor cu roți) și
Spy Video TRAKR (sistem locomotor cu șenile). Roboții au fost echipați cu senzorul
ultrasonic DT020 -1 și cu sistemul de achiziție de date MultiLogPRO care rulează conectat la
PC sau ca un dispozitiv de sine stătător.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
24
Senzorul ultrasonic DT020 -1 poate fi setat pentru măsurarea distanței, a vitezei și a
accelerației individual sau concomitent. Acesta poate fi calibrat dacă măsurătorile sunt
imprecise. Astfel s -au determinat viteza și accelerația roboților cu o rată de eșantionare de zece
probe pe secundă.
Fig. 2.9. Testarea sistemului de locomoție al roboților
În urma testelor efectuate cu Mini -vehicul ul teleghidat se observă că atât viteza, cât și
accelerația au valori mai mici la deplasarea acestuia pe nisip. Au fost analizate datele obținute
la demarajul vehiculului, diferențele mari fiind înregistrate în primele secvențe ale deplasării.
Fig. 2 .10. Variația vitezei la deplasarea mini -vehicului teleghidat pe parchet, covor și nisip
În urma testelor efectuate cu robotul Spy Video TRAKR se observă că atât viteza, cât și
accelerația au valori mai apropiate la deplasarea în cele trei medii față de val orile obținute cu
vehiculul cu roți. Totuși, valorile minime și în acest caz au fost obținute la deplasarea robotului
pe nisip.
Fig. 2 .11. Variația vitezei la deplasarea robotului cu șenile pe parchet, covor și nisip
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
25
2.4. Cercetări privind detecția o bstacolelor din spațiul de lucru
Evitarea obstacolelor este una din cele mai importante probleme pe care se pun la
deplasarea unui robot mobil într-un spațiu de lucru. Evitarea este o consecință a detecției
obstacolelor și oprirea sau schimbare a direcției de deplasa re a roboților mobili, cu scopul de a
evita coliziunile.
În vederea observării comportamentului roboților într-un spațiu de lucru cu obstacole
fixe, s-au testat trei roboți cu grade de autonomie diferite: robotul Spy Video TRAKR
(semiautonom), robotul Maxibot (semiautonom) și robotul Pro Bot 128 (autonom).
Robotul Spy Video TRAKR are un grad de autonomie scăzut, fiind inițial programat și
ghidat de op eratorul uman pentru parcurgerea traseului. Acest robot are posibilitatea de a
memora mișcările e fectuate pentru parcurgerea unui traseu și apoi de a repeta traseul parcurs
fără ajutorul operatorului uman.
Robotul Maxibot, are un grad de autonomie scăzut, având posibilitatea de a sesiza și evita
obstacolele cu ajutorul sistemului de detecție cu senzor în infraroșu , dar fiind programat în
prealabil de operatorul uman. Programarea se face analogic prin alegerea mișcărilor robotului
cu ajutorul modulului de programare amplasat în partea din spate a acestuia.
Robotul Pro Bot 128 are un grad de autonomie ri dicat având posibilitatea de a sesiza și
evita obstacolele cu ajutorul sistemului senzorial fără intervenția operatorului uman. Pentru
detecția obstacolelor și orientarea în spațiul de lucru robotul a fost programat să utilizeze
sistemul senzorial infraroș u anti -coliziune.
Prin testarea celor trei roboți se urmărește comportamentul acestora din punct de vedere
al distanței parcurse dintre un punct de pornire și un punct țintă și a modului de evitare a
obstacolelor. Pentru aceasta s -au amenajat două spații de lucru, unul cu trei obstacole fixe și
altul de tip labirint.
În vederea stabilirii cu precizie a traseului parcurs de fiecare robot, aceștia au fost dotați
cu un sistem de trasare a marcajului. Acest sistem folosește un nuanțator care va trasa o linie î n
timpul deplasării robotului. În fig ura 2.12 este prezentat locul de amplasare a sistemului de
trasare a marcajului pentru evidențierea traseului. Se observă că pentru o trasare precisă,
sistemul a fost aplasat pe ambele picioare ale robotului Maxibot, la robotul Spy Video TRAKR
sistemul a fost aplasat în centrul de simetrie la o distanță egală față de puntea față și spate și la
robotul Pro Bot 128 la în centrul axului sistemului de locomoție.
Fig. 2 .12. Amplasarea sistemului de trasare a marcajului pe ntru evidențierea traseului parcurs
de roboții mobili în spațiul de lucru
Traiectoria descrisă de fiecare robot testat a fost împă rțită în segmente drepte în ved erea
determinării distanței parcurse. Segmentele de linie au fost măsurate și distanța parcurs ă de
fiecare robot a fost calculată adunând valorile acestora.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
26
2.4.1. Orientarea roboților într -un spațiu de lucru cu obstacole fixe
Pentru studierea comportamentului roboților mobili aleși pentru testare a fost amenajat un
spațiu de lucru cu trei obst acole fixe de diferite forme și dimensiuni . În spațiul creat s -a ales un
punct de start și unul de sosire în așa fel încât fiecare robot să întâlnească obstacolele în timpul
deplasării.
Înainte de testarea roboților a fost determinată traiectoria ideală ți nând cont de
dimensiunile robotului cel mai mare
idealăd 1,8[m] .
Fig. 2.13. Deplasarea roboților în spaț iul de lucru cu obstacole fixe
În figura 2.13 este prezentată traiectoria descrisă de roboții Spy Video TRAKR , Maxibot
și Pro Bot 128 în spațiul de lucru cu trei obstacole fixe. Pentru robotul Spy Video TRAKR linia
trasată de nuanțatorul montat pe robot a fost împărțită în 13 segmente. Distanța parcursă a fost
determinată prin adunarea valorilor segmentelor, având valoarea d 1= 1,979 m. S e observă că
robotul a parcurs o distanță cu 0,179 m mai mare față de traiectoria ideală. Pentru robotul
Maxibot l inia trasată de nuanțatorul montat pe robot a fost împărțită în 25 segmente drepte.
Distanța parcursă a fost determinată prin adunarea valoril or segmentelor, având valoarea d 2=
2,136 m. Robotul a parcurs o distanță cu 0,336 m mai mare față de traiectoria ideală. Pentru
robotul Pro Bot 128 l inia trasată a fost împărțită în 38 segmente. Se observă că acest robot a
efectuat, față de ceilalți roboți și mișcări înapoi pentru evitarea obstacolelor. Distanța parcursă
a fost determinată prin adunarea valorilor segmentelor, având valoarea d 3= 3,038 m, din care
0,422 m au fost parcurși la mersul înapoi. Robotul a parcurs o distanță cu 1,238 m mai mare
față de traiectoria ideală.
În urma testelor efectuate se poate spune că roboții cu grad de autonomie scăzut au
parcurs o distanță apropiată de valoare față de traiectoria ideală, fără a efectua mișcări înapoi
pentru evitatarea obstacolelor.
Tabelul 2.3. Dis tanțele parcurse în spațiul de lucru cu obstacole fixe
Tipul robotului
mobil Distanța totală
parcursă Distanța
parcursă la
mers înainte Distanța
parcursă la
mers înapoi Diferența față
de distanța
ideală
[m] [m] [m] [m]
Spy Video
TRAKR 1,979 1,979 0 0,179
Maxibot
2,136 2,136 0 0,336
Pro Bot 128
3,038 2,616 0,422 1,238
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
27
2.4.2. Orientarea roboților într -un spațiu de lucru de tip labirint
Pentru studierea comportamentului roboților mobili într -un labirint a fost amen ajat spațiul
de lucru ca în figura 2.14. Asemeni studiului anterior, în spațiul creat s -a ales un punct de start
și unul de sosire.
Fig. 2.14. Spațiu de lucru de tip labirint
La crearea spațiului de lucru au fost utilizate plăci de lemn cu aceeași textură, având
grosimea de 2 cm, înălț imea de 0,3 m și lungimi cuprinse între 0,2 și 1,2 m. La alegerea
acestora s -a avut în vedere ca înălțimea să fie mai mare față de înălțimea la care se află
sistemul senzorial a l fiecărui robot, ca în figura 2.15. Astfel, linia de culoare roșie care
reprez intă nivelul la care este amplasat sistemul senzorial trebuie să se afle între liniile galbene
care delimitează placa de lemn utilizată.
Fig. 2.15. Alegerea înălțimii elementelor utilizate la crearea spațiului de lucru de tip labirint
Înainte de testa rea roboților, la fel ca la studiul prezentat anterior, a fost propusă o
traiectorie ideală ținând cont de dimensiunile robotului cel mai mare
4,3[m].idealăd
Fig. 2.16. Deplasarea roboților în spațiul de lucru de tip labirint
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
28
În fig ura 2.16 este prezentată traiectoria descrisă de roboții Spy Video TRAKR , Maxibot
și Pro Bot 128 în spațiul de lucru de tip labirint. Pentru robotul Spy Video TRAKR linia trasată
de nuanțatorul montat pe robot a fost împărțită în 46 segmente. Distanța parcursă a fo st
determinată prin adunarea valorilor segmentelor, având valoarea d 1= 5,009 m. Se observă că
robotul a parcurs o distanță cu 0,709 m mai mare față de traiectoria ideală. Pentru robotul
Maxibot l inia trasată de nuanțatorul montat pe robot a fost împărțită în 65 segmente. Distanța
parcursă a fost determinată prin adunarea valorilor segmentelor, având valoarea d 2= 4,598 m.
Robotul a parcurs o distanță cu 0,298 m mai mare față de traiectoria ideală. Pentru robotul Pro
Bot 128 l inia trasată a fost împărțită în 57 segmente drepte. Se observă, la fel ca la studiul
efectuat în spațiul de lucru cu obstacole fixe că acest robot a efectuat și mișcări înapoi în
vederea evitării obstacolelor. Distanța parcursă a fost determinată prin adunarea valorilor
segmentelor, avân d valoarea d 3= 9,739 m, din care 2,338 m au fost parcurși la mersul înapoi.
Robotul a parcurs o distanță cu 5,439 m mai mare față de traiectoria ideală.
În urma testelor efectuate în spațiul de lucru de tip labirint se poate spune că roboții cu
grad de aut onomie scăzut au parcurs o distanță mult mai mică în comparație cu robotul Pro Bot
128. Acesta a parcurs o distanță mai mare decât dublul distanței ideale.
Tabelul 2.4. Distanțele parcurse în spațiul de lucru de tip labirint
Tipul robotului
mobil Distanț a totală
parcursă Distanța
parcursă la
mers înainte Distanța
parcursă la
mers înapoi Diferența față
de distanța
ideală
[m] [m] [m] [m]
Spy Video
TRAKR 5,009 5,009 0 0,709
Maxibot
4,598 4,598 0 0,298
Pro Bot 128
9,739 7,401 2,338 5,439
Robotul Spy video TRAKR, având dimensiuni mai mari, a parcurs o distanță mai mare în
comparație cu robotul Maxibot, fiind nevoit să parcurgă o distanță mai mare pentru evitarea
obstacolelor.
2.5. Concluzii
Studiul experimental asupra comportamentului roboților mob ili în procesul de percepere
a obstacolelor, impune alegerea unor obstacole de dimensiuni, forme și materiale diferite. De
asemenea , este deosebit de importantă și alegerea spațiului de lucru în care vor fi folosite
obstacolele. Acesta ar trebui să fie un spațiu închis unde pot fi controlați parametrii atmosferici,
cum ar fi temperatura, umiditatea și nivelul de zgomot.
Din punct de vedere al abaterii de la traiectorie, diferențele mai mari au fost obținute cu
roboții pășitori. Pentru corectarea modului de deplasare a robotului pășitor Maxibot, la
programarea acestuia, după patru pași înainte se va face un pas la dreapta. Astfel traiectoria
acestuia se va corecta, robotul având inițial tendința de a se deplasa spre stânga datorită
imperfecțiunii sistemului l ocomotor.
La deplasarea roboților pe suprafețe diferite, valorile obținute cu robotul cu sistem de
locomoție cu șenile au fost superioare celor obținute cu vehiculul cu sistem de locomoție cu
roți.
În urma testelor efectuate în spațiile de lucru amenajate se observă ca distanța cea mai
mare parcursă între un punct de start și unul de sosire a fost obținută cu robotul care prezintă
cel mai ridicat grad de autonomie. Diferențe sesizabile au apărut și în funcție de dimensiunile
roboților.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
29
CAPITOLUL 3. CERCETĂ RI PRIVIND MĂSURAREA DISTANȚEI CU
SENZORII ULTRASONICI
3.1. Considerații teoretice privind transmiterea ultrasunetelor
Ultrasunetele reprezintă un caz particular al undelor acustice și sunt vibrații mecanice cu
frecvențe mai mari de 20 000 Hz [H 5]. Aspec tele dimensionale legate de pr opagarea
ultrasunetelor sunt [A3 ]:
lungimea de undă
viteza de propagare
atenuarea atmosferică
reflectivitatea obiectelor țintă
atenuarea geometrică
frecvența
diagrama de directivitate
efectul Doppler
influența zgomotelor
Lung imea de undă
În fizică , lungimea de undă este un parametru de bază al oricărui fenomen ondulatoriu
care se propagă în spațiu și anume reprezintă distanța parcursă de undă pe durata unei os cilații,
ori distanța dintre două puncte din spațiu între care defazajul relativ al oscilațiilor este de 2π
radiani [L1].
Astfel de fenomene pot fi de exemplu undele electromagnetice (lumina , undele radio etc.)
și undele mecanice (sunetele , undele seismice etc.). Prin extensie, pentru orice fenomen care se
repetă în spațiu, perioada de repetare se poate numi lungime de undă. De exemplu în
matematică dacă o funcție sinusoidală are ca argument poziția în spațiu, atunci distanța la care
funcția își repetă valorile se numește lungime de undă [M3].
Lungimea de undă este legată de viteza de propagare a undei respective și de frecvența ei
prin relația:
vvTf
[m], (3.1)
λ = lungimea de undă ;
v = viteza de propagare a undei în mediul respectiv;
f = frecvența undei, inversa perioadei temporale;
T = perioada undei.
Viteza de propagare a sunetului
Viteza sunetului este unul dintre parametrii care descriu propagarea sunetului printr -un
mediu. Aceast ă viteză depinde de proprietățile mediului de propagare, în particular de
elasticitatea și densitatea acestuia.
În aer și alte gaze viteza sunetului depinde în primul rînd de temperatură . De exemplu , la
0 °C viteza sunetului este de 331,5 m/s, iar la 20 °C aproximativ 343,4 m/s. Presiunea are un
efect mic, iar umiditatea nu are aproape nici un efect asupra vitezei [U1].
Pentru aer, formula aproximativă de mai jos permite calculul vitezei de propagare a
sunetelor în funcție de temperat ură, pentru un domeniu de temperaturi în jur de 0 °C:
aerc 331,5 0,607 t
[m/s] , (3.2)
t = temperatura aerului exprimată în grade Celsius .
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
30
Această formulă este aproximația linia ră (primii doi termeni din seria Taylor ) a funcției:
aertc 331,5 1237,15
[m/s], (3.3)
care permite calculul mai exact al acestei dependențe în ipoteza că variația cu te mperatura a
capacității calorice a aerului este nulă. Erorile derivate din această ipoteză sunt mici în
condițiile temperaturilor obișnuite din atmosferă, dar cresc în special la temperaturi înalte.
Coeficientul pentru aproximația liniară se obține astfel:
0
011c 331,5 0,6072 T 2 273,15
. (3.4)
Atenuarea atmosferică
Pe parcursul propagării ultrasunetelor, o parte din energia acestora este absorbită de
mediu. Puterea semnalului acustic care pleacă de la o sursă scade conform cu legea inversului
pătrat [N 2].
20
d4II
2Wm, (3.5)
unde:
I = intensitatea (puterea per s uprafață) la distanța d ;
I0 = intensitatea maximă (inițială) ;
d = distanța.
Reflectivitatea obiectelor țintă
Directivitatea suprafeței obiectului țintă determină cât din energia reflectată e di recționată
înapoi spre receptor. Din moment ce majoritatea ob iectelor împrăștie semnalul într -un mod
izotropic, ecoul se disipă din nou în concordanță cu legea inversului pătrat, introducând un
termen adițional 4 d2 la numitor față de forma ecu ației precedente a intensității. În plus, un nou
factor Kr, trebuie intro dus la numărător în raport cu reflexivitatea obiectului țintă [T3].
4d2
0 r
d16eIKI
, (3.6)
unde:
Kr = coeficient de reflecxie.
Cu cât e mai mare dezacordul între impedanțele din cele două medii, cu atât mai multă
energie va fi reflectată î napoi la sursă.
Atenuarea geometrică
Creșterea suprafeței frontului de undă pe parcursul propagării ultrasunetelor duce la
amortizarea intensității acestora. Pentru o sursă izotropică care emite un front de undă sferică,
relația de calcul este [L1]:
0
2PPd
[W] , (3.7)
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
31
P = puterea primită de corp pe unitatea de suprafață;
P0= puterea emisă;
dω = unghiul solid dat de relația
cos1 2d ;
= depărtarea față de sursă.
Diagrama de directivitate
Sensibilitatea unui senzor ultrasonic nu este uniformă, ci consistă dintr -un lob principal și
câțiva lobi secundari mai mici. De asemenea, această sensibilitate diferă de la un senzor la altul
[N2].
Pentru distanțe da propagare mai mari decât D2/2.λ, forma diagramei de directivitate
depinde de diametrul membranei sursei emițătoare D și de lungimea de undă. Dacă λ<D,
unghiul de deschidere θ al lobului principal este dat de relația [N 2]:
csin2 D D f
. (3.8)
Pentru valori mici ale unghiu lui θ se face aproximația următoare:
sin22D
. (3.9)
Efectul Doppler
Efectul Doppler constă în variația frecvenței unei unde emise de o sursă de oscilații, dacă
aceasta se află în mișcare față de receptor. Efectul Doppler poate fi constatat atât în cazul
undelor electromagnetice (inclusiv lumina ), cât și în cazul undelor elastice (inclusiv sunetul ).
Frecvența măsurată crește atunci când sursa se apropie de receptor și scade când sursa se
depărtează de receptor [H5].
R E Evf f fc
, (3.10)
fR – frecvența undei receptate ;
fE – frecvența undei emise ;
v – viteza de deplasare a robotului ;
c – viteza de propagare a undei în aer .
Influența zgomotului
În general, două feluri de zgomote pot afecta performa nțele senzorilor ultrasonici:
zgomotul mediului înconjurător și zgomotul auto -generat.
3.1.1. Concluzii
Metoda de determinare a distanței cu ajutorul ultrasunetelor este aplicată în multe cazuri
la detecția obstacolelor în cazul navigației roboților mobi li. Însă trebuie luate în considerare
influnțele factorilor care pot perturba transmiterea sunetului și anume: viteza de propagare a
sunetului, atenuarea atmosferică, reflectivitatea obiectelor țintă, atenuarea geometric și
zgomotele din mediul ambiant.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
32
3.2. Cercetări experimentale privind comportamentul senzorilor ultrasonici în procesul
de detecție
3.2.1. Introducere
Performanțele roboților mobili sunt dependente de scopul și obiectivele pe care le au de
îndeplinit, dar și de spațiul în care își desfă șoară activitatea. Alegerea sistemului senzorial
potrivit necesită o analiză serioasă a spațiului în care robotul mobil va opera și a
particularităților acestuia, adică a obstacolelor (obiectelor), care pot fi mobile sau fixe.
În urma măsurătorilor efectua te cu diferiți senzori ultrasonici asupra unor multiple tipuri
de obstacole, se vor stabili dependențele între acestea și diferitele posibilități de detecție.
3.2.2. Senzorii ultrasonici utilizați la cercetările experimentale
Pentru studiul experimental au fost utilizați trei senzori cu domenii de măsurare diferite și
anume:
Senzorul utrasonic DT020 -1;
Senzorul utrasonic FESTO;
Senzorul ultrasonic Parallax PING.
Senzorul utrasonic DT020 -1 are un domeniu mare de măsurare, cuprins între 0,4m și
10m, senzo rul FESTO un domeniu mic de măsurare, cuprins între 0,15m și 0,5m și senzorul
Parallax PING un domeniu cuprins între 0,2m și 3m.
3.2.3 . Erori de măsurare
La măsurătorile efectuate cu senzorii ultrasonici, la fel ca la orice tehnică de măsurare, s –
a ținut cont de erori.
Efectuarea măsurătorilor produce erori care au aceeași mărime când procesul de
măsurare se efectuează în condiții identice, sau erori care au mărimi variabile, variația acestora
depinzând de anumite legi de variație. Erorile de măsurare se clasifică în:
erori grosolane care provin din citiri eronate sau din neatenție și trebuie eliminate;
erori sistematice care apar din cauza unor caracteristici constructive ale
echipamentelor,sau pot fi produse de factori externi (temperatură, presiune, um iditate,
zgomote etc);
erori aleatoare care apar ca urmare diversității proceselor și fenomenelor precum și a
interacțiunilor experimentului cu alte procese și fenomene ce se desfasoară simultan.
În procesul de analiză a datelor provenite din măsurătorile efectuate cu senzorii
ultrasonici se vor calcula eroarea absolută, eroarea relativă și se va determina eroarea maximă
admisibilă. Eroarea absolută este dată de relația:
mr x x x
, (3.11)
unde x m este valoarea obținută prin măsura re și x r este valoarea reală.
Eroarea relativă este dată de relația:
100
rx
x
, (3.12)
unde ∆x este eroarea absolută și x r este valoarea reală. Eroarea relativă este exprimată în
procente.
Eroarea maximă admisibilă se determină prin alegerea valorii maxime a erorii absolute.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
33
max admxx . (3.13)
Astfel pentru măsurătorile de distanță efectuate cu senzorii ultrasonici eroarea absolută va
avea forma:
mr d d d
, (3.14)
unde d m este valoarea distanței obținută prin măsurare și d r este valoarea reală a distanței.
Eroarea relativă va fi:
100
rd
d
, (3.15)
unde ∆d este eroarea absolută și d r este valoarea reală a distanței.
Eroarea maximă admisibilă se va nota astfel:
max admdd
. (3.16)
3.2.4. Determinarea distanței dintre senzorii ultrasonici și obstacole
Primele măsurători cu senzorii ultrasonici au fost efectuate față de un obstacol cu
suprafața plană poziționat la o distanță egală cu jumătatea domeniului de detecție a fiecărui
senzor.
Senzorul ultrasonic DT020 -1 are un domeniu mare detecție de maxim 10 metri, astfel că
obstacolul a fost amplasat la o distanță de 5m (500 0 mm).
Senzorul FESTO are un domeniu mare detecție de maxim 0,5 metri, astfel că obstacolul a
fost amplasat la o distanță de 0,25m (250mm).
Senzorul Parallax PING are un domeniu mare detecție de maxim 3 metri, astfel că
obstacolul a fost amplasat la o distanță de 1,5m (1500mm).
Fig. 3.1. Amplasarea obstacolului față de senzori
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
34
S-au efectuat câte zece măsurători la aceeași distanță notată cu d r pentru fiecare senzor în
parte, astfel determinându -se câte zece valori ale distanței măsurate d m. Timpul de răspuns
teoretic al fiecăru i senzor a fost calculat cu relația:
02r
aerdtc
[µs] (3.17)
și timpul de răspuns real a fost calculat în funcție de distanța măsurată astfel:
2m
aerdtc
[µs] (3.18)
Timpul de răspuns al senzorului este depe ndent de viteza de propagare a sunetului în
mediul în care se fac măsurărorile, în cazul de față acesta fiind aerul. Viteza de propagare a
sunetului în aer se determină cu relația ( 3.2).
Fig. 3.2. Program de calcul a timpului de răspuns
Pentru calcula rea timpului de răspuns în funcție de distanța măsurată și a vitezei sunetului
în aer în funcție de temperatură, a fost creat un program de calcul în limbajul de programare
Microsoft Visual Basic 2010 Expres. Pentru calculul timpului de răspuns se introduc distanța și
temperatura mediului ambiant și prin apăsarea butonului de calcul sunt calculate viteza
sunetului în aer și timpul de răspuns al senzorului. În cazul în care nu se introduce valoarea
temperaturii, timpul de răspuns nu este calculat.
În fig ura 3.3 este prezentat un exemplu în care s -au calculat timpul de răspuns și viteza de
propagare a sunetului în aer pentru o distanță de 5 metri și o temperatură de 24,8 grade Celsius,
valorile calculate fiind afișate cu patru zecimale exacte.
Fig. 3.3. Exemplu de calcul a timpului de răspuns cu ajutorul programului propus
Măsurătorile s -au realizat la o temperatură t aer = 24,8 oC, determinată cu anemometrul
portabil. În acest caz, viteza de propagare a sunetului are valoarea c aer = 346,55 m/s.
Cu relațiil e (3.14), (3.15) și ( 3.16) s-au detereminat eroarea absolută, eroarea rela tivă și
eroarea maximă admisibilă.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
35
În toate situațiile s -a observat că valoarea erorii relative nu depășește 0,5 %. În aceste
condiții se pot face măsurători de distanță cu cei trei senzori, fără a se face o etalonare a
acestora în prealabil.
3.2.4.1. Determinarea distanței față de obstacole de dimensiuni diferite
Principala problemă a senzorilor este detecția obstacolelor de dimensiuni mici. La fel și
senzorii u ltrasonici nu detect ează obiecte de dimensiuni foarte mici (fig 3.4.b.) și dacă le
detectează, distanța determinată poate avea valori diferite de distanța reală față de senzor
[T11].
Fig. 3.4. Detecția obstacolelor de dimensiuni mici
La determinarea distanței față de obst acole de dimensiuni diferite s -a utilizat senzorul
ultrasonic Parallax PING, în condiții de presiune atmosferică de 714,5 mmHg și temperatură de
22,5 oC (295,65 K). În acest caz, viteza de propagare a sunetului are valoarea c aer = 345,16 m/s.
Obstacolele f olosite la testarea senzorului ultrasonic au fost montate pe platforma mobilă
a subansamblului de ghidare cu potențiometru liniar . S-au folosit obstacole plane confecționate
din aluminiu având înălțimea de 150 mm și lățim ea de 20 mm, 40 mm și respectiv de 60 mm.
Distanțele la care a fost poziționat obstacolul variază crescător de la 100 mm la 1000 mm, din
100 în 100 mm.
Fig. 3.5. Variația erorii relative pentru obstacolele de diferite dimensiuni
Se observă că valoarea medie a erorii relative crește i nvers proporțional cu lățimea
obstacolului, aceasta fiind de două ori mai mare la obstacolul cu lățimea de 20 mm față de cel
cu lățimea de 60 mm.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
36
3.2.4.2. Determinarea distanței față de obstacole de forme diferite
Asemeni cazurilor prezentate anterior, o altă problemă a senzorilor apare la detecția
obstacolelor de diferite forme. Distanța măsurată dintre senzor și obstacol poate avea valori
diferite funcție de forma obstacolului.
Pentru observarea influenței formei obstacolului, s -au efectuat măsurători de distanță
între senzorul ultrasonic DT020 -1 și trei obstacole cu secțiuni transversale diferite având
dimensiunile prezentate în fig ura 3. 6. Acestea s -au poziționat pe rând la ace leași distanțe
cuprinse între 0,2 m și 2 m față de senzorul ultrasonic [T1 0].
Fig. 3.6. Obstacolele de diferite forme
Pentru simplificarea exprimării, obstacolul cu secțiunea un dreptunghi a fost denumit
obstacolul 1, cel cu secțiunea un triunghi a fost denumit obstacolul 2 și obstacolul cilindric a
fost denumit obstacolul 3.
Fig. 3.7. Măsurarea distanței până la obstacolele de diferite forme
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
37
Măsurătorile cu senzorul ultrasonic DT020 -1 s-au efectuat în condiții de presiune
atmosferică de 711,4 mmHg și temperatură de 20,6 oC (293,75 K). În acest caz, viteza de
propagare a sunetului are valoarea c aer = 344 m/s.
Se observă că valoarea medie a erorii relative este cea mai mare în cazul obstacolului 2.
De asemenea, valorile distanței măsurate sunt cele mai mari în cazul obstacolului 2, acesta
fiind detectat la o distanță mai mare față de distanța reală. În cazul obstacolului cilindric 3,
valorile distanței măsurate nu diferă mult față de valorile obținute pentru obstacolul 1 [T10].
3.2.4.3. Determinarea distanței față de obstacole din materiale cu texturi diferite
Pe lângă dimensiunile și forma obstacolelor, detecția senzorului u ltrasonic poate fi
influențată ș i de textura materialului din care este confecționat obstacolul.
Pentru observarea influenței texturii materialului din care este confecționat obstacolul s –
au efectuat măsurători de distanță între senzorul ultrasonic FESTO și șase obstacole
confecționate din materiale diferite. Acestea s -au poziționat pe rând la ace leași distanțe
cuprinse între 50 mm și 250 mm față de senzorul ultrasonic [T12]. Materialele din care sunt
confecționate obstacolele folosite pentru determinări sunt:
1. Oțel inoxidabil;
2. Aluminiu;
3. Cupru;
4. Lemn ;
5. Cauciuc;
6. Plastic .
Măsurătorile cu senzorul ultrasonic FESTO s -au efectuat în condiții de presiune
atmosferică de 705,6 mmHg și temperatură de 21,3 oC (294 ,45 K). În acest caz, viteza de
propagare a sunetului are valoarea c aer = 344,43 m/s.
Fig. 3.8. Variația erorii relative pentru diferite materiale
La măsurarea distanței față de obstacolele confecționate din metale, se observă că valorile
măsurate al e distanței sunt mai mari față de distanța reală pentru oțel și cupru (metale cu
suprafeță lucioasă) și mai mici pentru aluminiu (metal cu suprafață mată) [T8].
La măsurarea distanței față de obstacolele confecționate din nemetale, se observă că
valorile m ăsurate ale distanței sunt mai mari față de distanța reală pentru plastic (metarial cu
suprafeța lucioasă) și mai mici pentru lemn și cauciuc (metariale cu suprafață mată) [T12].
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
38
3.2.4.4. Determinarea distanței față de un obstacol la viteze diferite ale c urentului de aer
Probleme la detecția obstacolelor pot apărea și la creșterea vitezei curenților de aer
precum și la schimbarea direcției acestora. Distanța măsurată dintre senzor și obstacol poate
avea valori diferite funcție de mărimea și direcția vitez ei.
Pentru observarea influenței curenților de aer, s -au efectuat măsurători de distanță între
senzorul ultrasonic DT020 -1 și un obstacol cu suprafață plană, la trei viteze ale curentului de
aer distribuite diferit, una perpendiculară pe unda senzorului, una orientată la 45o față de unda
senzorului și una paralelă cu unda senzorului, având sensul undei emise.
Pentru simularea vântului a fost folosit un ventilator centrifugal cu clapetă de reglare a
debitului de aer în vederea obținerii diferitelor viteze [ B5].
Curentul de aer a fost distribuit în mod diferit pentru a se putea observa influențele asupra
undei ultrasonice (fig . 3.9) [T3].
Fig. 3.9. Aplicare a vitezelor pe unda ultrasonică
v1 – viteza perpendiculară pe unda ultrasonică;
v2 – viteza orient ată la 45o față de unda ultrasonică;
v3 – viteza paralelă cu unda ultrasonică, având sensul undei emise.
La presiunea atmosferică de 715 mmHg și temperatura de 25,3 oC (298,45 K) , viteza de
propagare a sunetului are valoarea c aer = 346,86 m/s.
Fig. 3.10. Variația erorii relative pentru vitezele aplicate din diferite direcții
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
39
La aplicarea vitezelor perpendicular pe unda ultrasonică se obsevă că valorile erorii
relative cresc în mod constant direct proporțional cu valorile vitezei curentului de aer.
Diferențele cele mai semnificative au fost obținute la vitezele de 11 respectiv 12 m/s. La
aplicarea vitezelor la 45o față de unda ultrasonică se obsevă că valorile erorii relative au scăzut
în comparație cu cele determinate la aplicarea vitezelor perpendicu lar pe unda ultrasonică .
Creșterea a fost tot direct proporțională cu valorile vitezei curentului de aer . La aplicarea
vitezelor paralel cu unda ultrasonică se observă că valorile erorii relative au scăzut
semnificativ în comparație cu valorile obținute î n cazul celorlalte două situații.
La măsurarea distanței față de un obstacol poziționat la 500 mm față de senzor în condiții
diferite atmosferice (trei direcții diferite ale curenților de aer), se observă că valorile măsurate
ale distanței sunt mai mari f ață de distanța reală pentru viteza perpendiculară pe unda
ultrasonică și pentru viteza orientată la 45o față de unda ultrasonică și mai mici pentru viteza
paralelă cu unda ultrasonică [T3].
3.2.4.5. Determinarea distanței cu un senzor montat pe o platfor mă rotativă (radar)
Pentru simularea unui senzor rotativ s -au efectuat măsurători cu senzorul ultrasonic
DT020 -1 amplasat pe o platformă mobilă, aceasta având posibilitatea de a se roti cu maxim 90
de grade față de un punct fix [T6].
Fig. 3.11. Ampl asarea senzorului pe sistemul rotativ
Experimentul s -a desfășurat timp de 12 secunde pentru fiecare obstacol în parte și rata de
eșantionare a fost de 10 probe pe secundă. Primul set de măsurători s -a efectuat fără obstacole,
determinându -se dimensiunile spațiului de lucru.
Pentru simplificarea exprimării, obstacolul cu secțiunea un dreptunghi a fost denumit
obstacolul 1, cel cu secțiunea un triunghi dreptunghic a fost denumit obstacolul 2 și obstacolul
cilindric a fost denumit obstacolul 3. Obstacolele au fost poziționate la aceeași distanță față de
senzorul ultrasonic.
Fig. 3.12. Măsurătorile efectuate cu senzorul montat pe platforma rotativă pentru cele trei tipuri
de obstacole
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
40
În urma măsurătorilor efectuate s -a determinat forma spațiului de luc ru cu fiecare
obstacol în parte, așa cum este percepută de senzorul ultrasonic. În fig ura 3.13 se pot observa
diferențele de percepție ale senzorului ultrasonic [T3].
Fig. 3.13. Diferența dintre formele reale (dreapta) și cele determinate cu radarul ( stânga)
Prin suprapunerea celor trei diagrame din figura 3.14 se observă că diferențe mai mari la
măsurarea distanței apar în cazul obstacolului 2 cu secțiunea un triunghi dreptunghic.
Fig. 3. 14. Diferența între valorile obținute pentru cele trei obst acole
3.2.5. Concluzii
În urma experimentelor efectuate cu cei teri senzori ultrasonici, senzorul DT020 -1,
senzorul FESTO și senzorul Parallax PING, se poate spune că precizia determinării distanței
între aceștia și un obiect este influențată atât de dim ensiunile, textura și forma acestuia cât și de
parametrii atmosferici în special temperatura și presiunea.
Cu toate acestea, erorile determinate în urma măsurătorilor nu sunt mari, ceea ce
recomandă utilizarea senzorilor ultrasonici la orientarea roboțior sau vehiculelor autonome.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
41
CAPITOLUL 4. MODELAREA SISTEMULUI SENZORIAL AL
ROBOȚILOR MOBILI
4.1. Considerații teoretice privind modelarea rezultatelor obținute experimental
Principala caracteristică a senzorilor este cea legată de relația dintre mări mea de intrare x
și mărimea de ieșire y. Astfel, se poate spune că senzorul este un dispozitiv care recepționează
și răspunde la un semnal sau un stimul. Cunoscând valoarea mărimii de ieșire y și folosind
caracteristica statică de transfer a senzorului, se poate calcula valoarea mărimii de intrare x.
Pentru orice senzor, dacă se cunoaște relația de dependență intrare -ieșire și valoarea mărimii de
ieșire, se poate determina valoarea mărimii de intrare.
În general cele două mărimi sunt de natură diferită, măr imea de la intrare fiind o mărime
fizică neelectrică iar mărimea de la ieșire o mărime electricǎ sau o mărime care poate fi
evaluată electric. În cazul sistemelor ideale, mărimea y reprezintă întotdeauna valoarea
generată de senzor pentru stimulul x de la intrare. Dacă se consideră că funcționarea senzorului
nu este afectată de nici un alt parametru caracteristica de transfer este de forma: y = f(x). În
realitate, pe lângă mărimea fizică de influență x, funcționarea senzorului este a fectată de o serie
de pa rametri perturbatori, care pot proveni din surse externe sau interne. În aceste condiții ,
ecuația statică a senzorului devine:
1, n y f (x, … )
, (4.1)
unde s -au notat cu ϑi parametrii perturbatori.
Parametrii perturbatori au ca și efect modificarea caracteristicii reale față de caracteristica
ideală. Dacă parametrii de influentă nu sunt modelați (adică intervin în ecuația senzorului),
influența acestora determină o eroare de măsură.
În cazul senzorilor ultrasonici, unde mărimea de intrare este timpul de răspuns t și
mărimea de ieșire este distanța față de obstacol d, relația (1) se poate scrie:
1, n d f (t, … )
. (4.2)
Mărimea de intrare t se poate obține pe baza transformatei inverse a caracteristicii statice
d = f(t). Funcția „ g” este funcția inversă a funcției „ f”, g = f-1. Altfel spus, dacă funcția f pentru
un stimul t aplicat la intrare produce ieșirea d, funcția g = f-1 pentru d produce ieșirea t. Astfel,
pentru un senzorul ultrasonic cu ecuația static exprimată an alitic cu relația
2tcd t m ,
funcția inversă este:
2dt d sc .
Considerând viteza sunetului în aer c constantă, functia d = f(t) este o funcție de o singură
variabilă. În baza valorilor determinate experimental se poate obț ine o relație de dependență
între timpul de răspuns al senzorului ultrasonic și distanța măsurată printr -o aproximare
numerică.
Ținând cont de faptul că variația timpului de răspuns în funcție de distanță este liniară și
datele obținute sunt afectate de e rori, în cazul senzorilor ultrasonici aproximarea numerică se
poatre realiza prin regresie liniară.
În urma aproximării prin regresie a valorilor obținute experimental cu senzorii ultrasonici
DT020 -1, FESTO și Parallax PING se vor obține relațiile de depen dență ale distanței în funcție
de timpul de răspuns al senzorului.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
42
4.2. Model matematic de calcul a timpului de răspuns și a distanței
Pentru obținerea unor relații de dependență între timpul de răspuns al senzorului și
distanță, s -a făcut o aproximare a traiectoriilor obținute în urma măsurătorilor, utilizând o
aproximare numeric ă prin regresie liniară.
Relația funcțională între variabilele t (timp de răspuns al senzorului) și d (distanță
măsurată experimental) este liniară, funcția model a vând forma:
F d; , d
, (4.3)
și funcția inversă va fi:
tF t; ,
. (4.4)
În funcție de valorile parametrilor de model α și au fost corecta te valorile obținute
pentru distanța măsurată și cele calculate pentru timpul d e răspuns.
În urma corecției valorilor erorilor obținute la măsurarea distanței cu cei trei senzori
ultrasonici s -a obținut o liniarizare a acestora, mai puțin în cazul distanțelor mici. Astfel se
recomandă o modificare a domeniului de detecție la măsurare a distanței cu senzorii ultrasonici
DT020 -1, FESTO și Parallax PING , ca în figura 4.1 .
Fig. 4.1. Domenii de măsurare recomandate pentru senzorii ultrasonici testați
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
43
În urma documentării în domeniu l propagării undelor ultrasonice , a testelor realizat e cu
senzorii ultrasonici și a modelării rezultatelor obținute , se poate realiza un model matematic
sumar pentru determinarea parametrilor folosiți [T10].
După aproximarea numerică a da telor tabelate obținute practic în urma testelor realizate,
au fos t obț inute relații de depen dență între distanța dintre senz or și obstacol d[m] și timpul de
răspuns t [µs] . În tabelul 4.1 au fost centralizate relațiile de de dependență obținute.
Tabelul 4.1. Relații de dependență î ntre distanță și tip de răspuns
Criteriu d e
analiză Obstacol Distanță Timp de răspuns Parametri
[m] [µs] α, β
După tipul
senzorului
ultrasonic PARALLAX
S1
S1td
S1 S1 td
15841S,
112 92S ,
DT020 -1
S2
S2td
S2 S2 td
25830S,
25 992S ,
FESTO
S3
S3td
S3 S3 td
35826S,
31 452S ,
După tipul
materialului
din care
este
confecționat
obstacolul Oțel
inoxidabil
M1
M1td
M1 M1 td
15841M,
11116M ,
Aluminiu
M2
M2td
M2 M2 td
25826M,
21 387M ,
Cupru
M3
M3td
M3 M3 td
35834M,
30 352M ,
Plastic
M4
M4td
M4 M4 td
45851M,
42 343M ,
Lemn
M5
M5td
M5 M5 td
55796M,
6 3 94M ,
Cauciuc
M6
M6td
M6 M6 td
65786M,
62 062M ,
După tipul
suprafeței
obstacolului Supr afață
plană
F1
F1td
F1 F1 td
15829F,
11 077F ,
Suprafață
unghiulară
F2
F2td
F2 F2 td
25862F,
23 264F ,
Suprafață
cilindrică
F3
F3td
F3 F3 td
35835F,
31 307F ,
Conform ecuațiilor obținute se poate scrie relația generală a funcției model de corecție a
timpului de răspuns la măsurarea d istanței:
S M F S M Ftd33
, (4.5)
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
44
și funcția inversă, de calcul a distanței va fi:
S M F
S M Ft3d
3
, (4.6)
Unde parametri de model
S M F,, se calculează astfel:
S1 S2 S3
S
M1 M2 M3 M4 M5 M6
M
F1 F2 F3
F5832,3
5822,6
5842.3
(4.7)
Și parametri de model
S M F,, se calculează astfel:
S1 S2 S3
S
M1 M2 M3 M4 M5 M6
M
F1 F2 F3
F6,788,3
1,749,6
1,075.3
(4.8)
După efectuarea calculului, ecuația generală de calcul a timpului de răspuns al senzorului
în funcție de distanță, la o temperatură a aerului cuprin să între 20oC și 30oC, devine:
t 5832 d 2,487
[µs], (4.9)
și ecuația generală de calcul a distanței în funcție de timpul de răspuns al senzorului ultrasonic,
la o temperatură a aerului cuprinsă între 20oC și 30oC, se poate scrie:
t 2,487d5832
[m]. (4.10)
Ecuațiile (4.9) și (4.10) vor fi utilizate în algoritmul de programare la simularea într -un
mediu virtual a deplasării unui robot mobil echipat cu senzori ultrasonici modelați în funcție de
parametrii senzorilor DT020-1, FESTO și Parallax PING. De asemenea, ecuația (4.10) de
calcul a distanței în funcție de timpul de răspuns va fi utilizată la programarea robotului mobil
care va fi optimizat prin implementarea unui sistem senzorial cu senzori ultrasonici.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
45
4.3. Modelarea prin simulare a configurației senzorilor pentru un robot mobil
În vederea optimizării configurației senzorilor unui robot mobil este propusă o metodă de
modelare cu ajutorul unui software de simulare. Având un grad de autonomie ridicat și
posibilitatea de implementare a altor tipuri de senzori, pentru simulare a fost ales robotul mobil
Pro Bot 128. Software -ul propus este MobotSim și are posibilitatea configurării unui robot
mobil asemănător cu cel propus și crearea unor spații de lucru virt uale identice cu cele
amenajate pentru testarea roboților [**11].
Fig. 4.2 . Configurarea robotului Pro bot 128
În figura 4.2 este prezentat modelul de configurare a robotului virtual în funcție de
dimensiunile reale: diametrul platformei și distanța d intre roți sunt de 0,1 metri, diametrul
roților este de 0,04 metri și lătimea unei roți de 0,02 metri. În afară de dimensiuni se poate
selecta culoarea și pozitia în spatiul de lucru al robotului [P3].
Pentru evidențierea diferențelor dintre cei trei senz ori testați (DT020 -1, Parallax și Festo),
au fost configurați trei roboți virtuali cu câte unul din cei trei senzori , fiind simulat un obstacol
poziționat la distanța de 0,15 metri, apoi la distanța de 0,3 metri și în final la distanța de 1
metru (fig. 4.3 ). Distanțele au fost alese în funcție de probabilitatea ridicată de a fi regăsite în
spațiile reale de lucru în care au fost desfășurate testele. Pentru diferențierea roboților virtuali,
aceștia au fost colorați diferit în fucție de senzorul implementat.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
46
Fig. 4.3. Detecția obstacolelor pentru roboți dotați cu senzori de diferite tipuri
În urma simulării se observă că fiecare robot virtual, cel puțin o dată, nu sesizează
obstacolul cu ajutorul senzorului cu care este dotat, datorită distanței prea mică sau prea mare
față de acesta. La poziționarea robotului la distanțe mici față de obstacol sunt mai eficienți
roboții dotați cu senzorii Parallax și Festo, iar la poziționarea robotului la distanțe mari față de
obstacol sunt mai eficienți roboții dotați cu senzorii Parallax și DT020 -1. În concluzie, cel mai
eficient senzor cu care poate fi optimizat sistemul senzorial este senzorul Parallax Ping.
Pentru simularea orientării robotului în spațiile de lucru au fost folosiți parametrii
corespunzători senzorului ultrasonic Parallax Ping [T4]. În figura 4.4 este prezentat robotul
virtual în spațiul de lucru cu trei obstacole fixe, având aceleași dimensiuni cu spațiul real creat
pentru testare.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
47
Fig. 4.4 . Simularea spațiului de lucru cu trei obstacole fixe
Robot ul virtual a fost echipat mai întâi cu un senzor, apoi cu doi, cu trei și cu patru,
pentru a putea observa diferențele la sesizarea obstacolelor. Se observă că detecția este optimă
la echiparea robotului cu trei și cu patru senzori. Din considerente econom ice este considerată
necesară și suficientă varianta de echipare a robotului cu trei senzori.
Fig. 4. 5. Traiectoria descrisă de robotul virtual dotat cu trei senzori Parallax în spațiul de lucru
cu trei obstacole fixe
Cu robotul virtual echipat cu tre i senzori Parallax a fost simulată orientarea în spațiul de
lucru cu obstacole fixe în vederea parcurgerii distanței dintre punctul de start și cel de sosire.
Acestea au fost alese identic cu cele utilizate la testarea robotului Pro Bot 128 în condiții rea le,
folosind pentru detecție senzori în infraroșu. În figura 4. 5 este prezentată traiectoria descrisă de
robotul virtual dotat cu trei senzor i Parallax în spațiul de lucru.
Fig. 4. 6. Simularea spațiului de lucru de tip labirint
În figura 4. 76 este pre zentat robotul virtual în spațiul de lucru de tip labirint, având
aceleași dimensiuni cu spațiul real creat pentru testare. La fel ca în cazul anterior, robotul
virtual a fost echipat mai întâi cu un senzor, apoi cu doi, cu trei și cu patru, pentru a putea
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
48
observa diferențele de percepție a obstacolelor. Se observă că detecția este optimă la echiparea
robotului cu trei și cu patru senzori. Din considerente economice este considerată suficientă
varianta de echipare a robotului cu trei senzori.
Fig. 4. 7. Traiectoria descrisă de robotul virtual dotat cu trei senzori Parallax în spațiul de lucru
de tip labirint
Cu robotul virtual echipat cu trei senzori Parallax a fost simulată orientarea în spațiul de
lucru de tip labirint în vederea parcurgerii distanței dintre punctul de start și cel de sosire.
Acestea au fost alese identic cu cele utilizate în condiții reale. În figura 4. 7 este prezentată
traiectoria descrisă de robotul virtual dotat cu trei senzori Parallax în spațiul de lucru de tip
labirint.
Tabelul 4.2. Distanțele reale și simulate parcurse în spațiile de lucru utilizate.
Tipul
spațiului de
lucru Distanța ideală Distanța reală
parcursă Distanța simulată
parcursă
[m] [m]
Spațiu de
lucru cu trei
obstacole fixe 1,8 3,038 2,6
Spațiu de
lucru de tip
labirint 4,3 9,739 5,8
În tabelul 4.2 sunt prezentate valorile distanței parcurse obținută prin simulare în
comparație cu valorile obținute în urma testelor cu robotul Pro Bot 128 și cu distanța propusă
de traiectoria ideală. În urma simulării se observ ă o diminuare a distanței parcurse la echiparea
robotului cu trei senzori ultrasonici de tip Parallax PING.
4.4. Concluzii
În urma modelării semnalului senzorilor ultrasonici prin aproximare numerică au fost
inițiate relațiile de dependență între distan ța măsurată și timpul de răspuns, ajungând la o formă
generală de calcul a acestora. Astfel, relațiile (4. 9) și (4. 10) pot fi utilizate la determinarea prin
simulare a distanței măsurate și a timpului de răspuns pentru o temperatură a aerului cuprinsă
între 20oC și 30oC. Acestea vor fi utilizate la programarea robotului mobil optimizat cu sistem
senzorial de detecție care folosește senzori ultrasonici.
În urma modelării configurației senzorilor pentru un robot mobil prin simulare cu
software -ul MobotSim, a fost ales în vederea optimizării, un sistem cu trei senzori Parallax
Ping care va fi implementat pe unul din roboții mobili utilizați la teste. După simulare a fost
observată o diminuare a valorii distanței parcurse până la punctul de sosire propus.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
49
CAPIT OLUL 5. OPTIMIZAREA SISTEMULUI SENZORIAL AL
ROBOȚILOR MOBILI
5.1. Considerații privind alegerea robotului potrivit în vederea optimizării
Pentru orice tip de robot mobil există interes privind optimizarea sistemelor acestuia în
vederea îmbunătățirii performanțelor. Astfel poate fi optimizat sistemul se locomoție, sistemul
senzorial sau se pot îmbunătătii funcțiile unității centrale de comandă. În urma studiilor și
testelor efectuate cu diferiți roboți mobili este necesară aplicarea unei metode eficiente pentru
ca robotul mobil selectat în vederea optimizării să fie cel optim. Având în vedere aceste aspecte
a fost aplica tă o analiză multi -criterială. În vederea stabilirii cu exactitate a robotului care este
optim pentru optimizare a fost utilizată o anali ză multi -criterial avansată.
Analiza multicriterială este ut ilă pentru obținerea ierarhizări lor cu subiecți selectați din
același domeniu sau din domenii diferite de activitate în care subiectivismul este înlăturat în
mare parte.
La alegerea variantelor au fost luați în vedere roboții mobili cu care s -au efectuat teste și
senzorii ultrasonici de tip Parallax, fiind cei mai ușor de implementat în sistemul senzorial al
unui robot. Astfel s -a lucra t cu trei variante și anume :
– Robot pășitor (Maxibot) cu sistem senzorial compus din senzori în infraroșu și senzori
ultrasonici.
– Robot cu ro ți (Pro Bot 128) cu sistem senzorial compus din senzori în infraroșu și
senzori ultrasonici.
– Robot cu șenile (Spy Video TRAKR) cu sistem senzorial compus dintr -un senzor vizual
și senzori ultrasonici.
În funcție de clasamentul final obținu t în urma analizei a fost ales pentru optimizare
robotul mobil Pro Bot 128 (locomoție cu roți), cu sistem senzorial compus din senzori în
infraroșu și senzori ultrasonici Parallax Ping. Acest robo t are gradul de autonomie cel mai
ridicat în comparație cu roboții testați și este cel mai maleabil din punct de vedere a modelării
sistemului de detecție a obstacolelor.
5.2. Contribuții privind optimizarea sistemelor senzorial și de locomoție
În urma testelor efectuate cu roboții mobili și senzorii ultrasonici, a modelării acestora și
a analizei multi -criteriale, a fost ales pentru optimizare robotul mobil Pro Bot 128. Acest robot
are gradul de autonomie cel mai mare în comparație cu roboții testați și este cel mai maleabil
din punct de vedere a modelării sistemului de detecție a obstacolelor.
5.2.1. Optimizarea sistemului senzorial al robotului Pro Bot 128
Robotul Pro Bot 128 are un sistem senzorial complex, format din doi senzori de lumină,
doi odom etrii, un senzor de urmărire a liniei ( fotodetecție ), un sistem senzorial infraroșu anti
coliziune, un senzor acustic, și un senzor care controlează tensiunea de alimentare. La testele
efectuate în cele două spații de lucru, robotul a fost programat să uti lizeze sistemul senzorial în
infraroșu în vederea detecției obstacolelor.
Pentru optimizarea sistemului senzorial se propune adăugarea unuia sau mai multor
senzori ultrasonici de tip Parallax Ping.
În primul rând se va implementa robotului mobil un sistem format dintr -un senzor
Parallax Ping și unitate de procesare de tip Propeller Activity Board, ca în figura 5.1 [**12].
Programarea unității de procesare s -a efect uat in limbajul de programare C . La scrierea
algoritmului s -a ținut cont de expresia obținută în urma modelării pentru calcularea distanței în
funcție de timpul de răspuns.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
50
Fig. 5.1 . Senzor ultrasonic montat pe o unitate de procesare de tip Propeller Activity Board
În primă fază au fost montați pe placa de tip Propeller doi rezistori de 2 0 kOhm pentru
conectarea porturilor P14 și P15 la alimentarea de 3,3 V. Apoi a fost adăugat un avertizor care
emite sunete dacă se descarcă acumulatorii, sau când comportamentul robotului se modifică
din diferite cauze. După efectuarea acestor operații se montează senzorul Parallax PING pe
placa de bază.
După montarea tuturor componentelor pe placa de bază, aceasta se montează pe robotul
Pro Bot 128, conectându -se în prealabil și cele două motoare, ca în figura 5. 2. Motorul din
dreapta se conectează printr -un cablu cu trei fire la portul P13 de pe placa tip Propeller și
motorul din stânga la portul P12.
Fig. 5.2 . Implementarea unității de procesare de tip Propeller Activity Board pe robot
Pentru studierea comportamentului robotului Pro Bot 128 pe care a fost implementat un
sistem de navigație care folosește un senzor ultrasonic de tip Parallax PING, a fost amenajat un
spațiu de lucru cu trei obstacole fixe și apoi un spațiu de tip labirint, în aceleași condiții
utilizate la testarea acestuia fără acest s istem implementat.
Fig. 5.3 . Deplasarea robotului Pro Bort 128 cu sistem de navigație care folosește un senzor
ultrasonic în spațiul de lucru cu obstacole fixe și în spațiul de lucru de tip labirint
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
51
În figura 5.3 este prezentată traiectoria descrisă de robotul Pro Bot 128, la care a fost
implementat sistemul de detecție cu un senzor ultrasonic, în spațiul de lucru cu trei o bstacole
fixe de diferite forme și în spațiul de lucru de tip labirint. Distanța parcursă în spațiul de lucru
cu trei obstacole f ixe are valoarea d F1 = 3,239 m, din care 0,535 m au fost parcurși la mersul
înapoi . Robotul a parcurs o distan ță cu 1,439 m mai mare față de traiectoria ideală. Distanța
parcursă și în spațiul de lucru de tip are valoarea d L1= 8,411 m, din care 1,843 m au fost
parcurși la mersul înapoi . Robotul a parcurs o distan ță cu 4,111 m mai mare față de traiectoria
ideală.
În urma testelor efectuate cu robotul optimizat în forma prezentată anterior se observă că
în cazul spațiului de lucru cu obstacole fixe distanța p arcursă a fost mai mare cu 0,101 m față
de distanța parcursă de același robot, dar folosind sistemul de detecție cu senzori în infraroșu.
În spațiul de lucru de tip labirint situația se schimbă, robotul optimizat parcurgând o distanță cu
1,328 m mai mică f ață de distanța parcursă de robot folosind sistemul de detecție cu senzori în
infraroșu.
O altă soluție ar fi montarea a doi sau trei senzori și testarea robotului în vederea
observării diferențelor la orientarea robotului în spațiul de lucru. În urma mod elării
configurației senzorilor pentru un robot mobil prin simulare cu software -ul MobotSim, a fost
ales în vederea optimizării, un sistem cu trei senzori Parallax Ping. Din considerente
economice se poate monta un singur senzor pe o platformă acționată de un servomotor, care are
posibilitatea r otirii la 180 de grade (fig. 5.4 ) [**12].
Fig. 5.4 . Senzor ultrasonic montat pe o platformă rotativă
Implementarea senzorului montat pe platforma rotativă a fost realizată prin conectarea
senzorului ultrasonic ș i a servomotorului la unitatea de procesare de tip Propeller Activity
Board și atașarea platformei la robotul Pro Bot 128. Montarea senzorului ultrasonic atașat la
platforma rotativă este prezentată în figura 5.5.
Fig. 5.5 . Montarea sistemului de detec ție cu platformă rotativă pe robot
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
52
Servomotorul va fi comandat de unitatea de procesare să se rotească cu 180o la dreapta și
apoi la stânga în mod continuu pe toată durata deplasării robotului în spațiul de lucru (f ig. 5.6 ).
Fig. 5.6 . Robotul optimi zat cu sistem de detecție cu senzor ultrasonic montat pe platformă
rotativă
Robotul folosind dispozitivul cu platformă rotativă a fost testat la fel ca și în cazul
anterior, în spațiul de lucru cu obstacole fixe și apoi un spațiul de tip labirint.
În figu ra 5.7 este prezentată traiectoria descrisă de robot ul optimizat cu sistem de detecție
cu senzor ultrasonic montat pe platformă rotativă în spațiul de lucru cu trei obstacole fixe de
diferite forme și în spațiul de lucru de tip labirint. Distanța parcursă în spațiul de lucru cu trei
obstacole fixe are valoarea d F2 = 2,934 m, din care 0,428 m au fost parcurși la mersul înapoi .
Robotul a parcurs o distan ță cu 1,134 m mai mare față de traiectoria ideală. Distanța parcursă
în spațiul de lucru de tip labirint ar e valoarea d L2 = 7,053 m, din care 1,054 m au fost parcurși
la mersul înapoi . Robotul a parcurs o distan ță cu 2,753 m mai mare față de traiectoria ideală.
Fig. 5. 7. Deplasarea robotului Pro Bort 128 cu sistem de navigație care folosește un senzor
ultrasonic montat pe o platformă rotativă în spațiul de lucru cu obstacole fixe și în spațiul de
lucru de tip labirint
În urma testelor efectuate cu robotul optimizat cu sistem de navigație care folosește un
senzor ultrasonic montat pe o platformă rotativă s e observă că în cazul spațiului de lucru cu
obstacole fixe distanța parcursă a fost mai mică cu 0,104 m față de distanța parcursă de robot
folosind sistemul de detecție cu senzori în infraroșu. În spațiul de lucru de tip labirint robotul
optimizat a parcur s o distanță cu 2,686 m mai mică față de distanța parcursă de robot folosind
sistemul de detecție cu senzori în infraroșu.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
53
5.2.2 . Optimizarea sistemului de locomoție al robotului Pro Bot 128
Robotul mobil Pro Bot 128 dispune de un sistem de locomoție dif erențial. Un sistem
diferențial este alcătuit din două roți montate pe un ax comun controlate pri n două motoare
separate . Pentru optimizarea sistemului locomotor al robotului mobil Pro Bot 128 se vor
înlocui roțile și motoarele cu altele care folosec un si stem de codificare de tip encoder
asemănător cu cel existent. Aceste modificări vor îmbunătăți modalitea de deplasare a
robotului în spațiul de lucru prin reducerea abaterii de la traiectorie și micșorarea distanței
parcurse.
Fig. 5.8. Roată de tip enc oder (cu sistem de codificare)
În figura 5.8 este prezentat tipul de roată propusă pentru a -l înlocui pe cel din dotarea
robotului, având un diametru de 62,2 milimetri și circumferința de 208 milimetri. Roata
prezintă 32 de fante poziționate la 3,25 mili metri între ele, acestea propunând un cod.
Funcționarea unui sistem de tip encoder se bazează pe transformarea unui semnal analogic
transmis de un traductor în infraroșu montat în vecinătatea roții într -un semnal digital care, cu
ajutorul unei unități de p rocesare, va controla turația motorului care acționează roata respectivă
[**12]. Unitatea emițătoare a senzorului infraroșu va trimite un semnal către inelul roții unde
sunt decupate cele 32 de fante identice. Dacă radiația infraroșie trece prin una din fa nte, va fi
transmis un semnal puternic către unitatea de procesare. Dacă radiația infraroșie este reflectată
spre unitarea receptoare a senzorului, va fi transmis un semnal slab către unitatea de procesare.
În funcție de viteza de variație puternic -slab a semnalului, unitatea de procesare va trimite un
semnal digital către motor [**12].
Fig. 5.9. Conectarea senzorilor și servomotoarelor la unitatea de procesare
Roțile vor fi acționate de câte un servomotor în funcție de semnalele transmise de
unitățile senzoriale în infraroșu. Senzorii în infraroșu vor fi conectați la porturile P14 și P15 ale
unității de procesare de tip Propeller Activity Board și servomotoarele vor fi conectate la
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
54
porturile P12 și P13 (fig. 5.9). Prin implementarea noului sistem locomo tor se poate
îmbunătății comportamentul robotului mobil la parcurgerea distanței din spațiile de lucru.
Pentru implementarea noului sistem de locomoție au fost montate în primul rând
dispozitivele cu senzori în infraroșu pe servomotoarele care acționează r oțile. Apoi
componentele obținute au fost atașate șasiului robotului mobil. După efectuarea acestor operații
s-a conectat noul sistem de locomoție la placa de procesare alături de platforma rotativă cu
senzor ultrasonic deja atașate pe robotul mobil.
Fig. 5.10. Montarea noului sistem de locomoție pe robotul mobil
Robotul folosind noul sistem de locomoție precum și dispozitivul cu platformă rotativă a
fost testat, la fel ca și în cazurile prezentate anterior, în spațiul de lucru cu obstacole fixe și apo i
un spațiul de tip labirint.
Fig. 5.11. Deplasarea robotului Pro Bort 128 cu sistemule de locomoție optimizat în spațiul de
lucru cu obstacole fixe și în spațiul de lucru de tip labirint
În figura 5.11 este prezentată traiectoria descrisă de robotu l Pro Bot 128, la care a fost
implementat sistemul de locomoție, în spațiul de lucru cu trei obstacole fixe de diferite forme și
în spațiul de lucru de tip labirint. Distanța parcursă în spațiul de lucru cu trei obstacole fixe are
valoarea d F3 = 2,814 m, din care 0,363 m au fost parcurși la mersul înapoi . Robotul a parcurs o
distan ță cu 1,014 m mai mare față de traiectoria ideală. Distanța parcursă în spațiul de lucru de
tip labirint are valoarea d L3 = 6,199 m, din care 0,880 m au fost parcurși la mersul în apoi.
Robotul a parcurs o distan ță cu 1,899 m mai mare față de traiectoria ideală.
În urma testelor efectuate cu robotul optimizat cu un nou sistem de locomoție se observă
că în cazul spațiului de lucru cu obstacole fixe distanța parcursă a fost mai mică c u 0,120 m
față de distanța parcursă de robot folosind vechiul sistem de locomoție și sistemul senzorial
optimizat cu senzorul ultrasonic montat pe platforma mobilă. În spațiul de lucru de tip labirint
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
55
robotul optimizat a parcurs o distanță cu 0,854 m mai m ică față de distanța parcursă de robot
folosind vechil sistem de locomoție.
Tabelul 5.1. Distanțele parcurse de robotul optimizat în spațiul de lucru cu obstacole fixe
Tipul de optimizare Distanța
totală
parcursă Distanța
parcursă la
mers înainte Distan ța
parcursă la
mers înapoi Diferența față
de distanța
ideală
[m] [m] [m] [m]
Robot neoptimizat 3,038 2,616 0,422 1,238
Robot optimizat cu
senzor ultrasonic 3,239 2,704 0,535 1,439
Robot optimizat cu
senzor ultrasonic pe
platformă mobilă 2,934 2,506 0,428 1,134
Sistem locomotor
optimizat 2,814 2,451 0,363 1,014
În tabelul 5.1 sunt prezentate diferențele dintre distanțele parcurse de robot în spațiul de
lucru cu obstacole fixe de diferite forme, în funcție de tipul de optimizare. Varianta optimă este
cea în care a fost implementat noul sistem de locomoție, alături de sistemul de detecție care
folosește un senzor ultrasonic montat pe o platformă rotativă (fig. 5.12).
Fig. 5.12. Diferențele dintre distanțele parcurse de robot în spațiul de lucru cu o bstacole fixe
În tabelul 5.2 sunt prezentate diferențele dintre distanțele parcurse de robot în spațiul de
lucru de tip labirint, în funcție de tipul de optimizare a robotului.
Tabelul 5.2. Distanțele parcurse de robotul optimizat în spațiul de lucru de tip labirint
Tipul de optimizare Distanța
totală
parcursă Distanța
parcursă la
mers înainte Distanța
parcursă la
mers înapoi Diferența față
de distanța
ideală
[m] [m] [m] [m]
Robot neoptimizat 9,739 7,401 2,338 5,439
Robot optimizat cu
senzor ultrason ic 8,411 6,568 1,843 4,111
Robot optimizat cu
senzor ultrasonic pe
platformă mobilă 7,053 5,999 1,054 2,753
Sistem locomotor
optimizat 6,199 5,319 0,880 1,899
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
56
Fig. 5.13. Diferențele dintre distanțele parcurse de robot în spațiul de lucru de tip lab irint
Față de spațiul de lucru cu obstacole fixe, în acest caz se observă că reducerea distanței
parcurse între punctul de start și cel de sosire este mai semnificativă (fig. 5.13). Astfel robotul
la care a fost implementat noul sistem de locomoție, alătu ri de sistemul de detecție care
folosește un senzor ultrasonic montat pe o platformă rotativă a parcurs o distanță mai mică cu
aproximativ o treime din distanța parcursă parcursă de robot folosind sistemul de detecție cu
senzori în infraroșu.
5.3. Concl uzii
În urma modificării configurației senzorilor pentru robotul mobil s -a urmărit diminuarea
valorii distanței parcurse de la punctul de pornire până la punctul de sosire propus. O diminuare
semnificativă s -a obținut în urma testelor realizate cu robotul optimizat cu sistem de detecție cu
senzor ultrasonic montat pe platformă rotativă.
În urma modificării sistemului de locomoție al robotului Pro Bot 128 s -a îmbunătățit
modul de rulare și timpul de parcurgere a distanței până la punctul de sosire, fiind pa rcursă o
distanță mai mică față de cea parcursă de robot cu vechiul sistem de locomoție.
Fig. 5.14. Evoluția robotului mobil optimizat
În încheiere , se poate spune că pentru buna funcționare a unui robot mobil trebuie să
existe o bună corelație între sistemele senzoriale, de acționare, de locomoție etc. Senzorii
ultrasonici de tip Parallax PING pot fi implementați cu succes în sistemul de detecție al unui
robot mobil, având un preț rezonabil în comparație cu alte tipuri de senzori. De asemenea, se
poate spune că implementarea senzorilor ultrasonici pe orice tip de robot este facilă,
conexiunile cu placa de pe unitatea de procesare fiind ușor de realizat.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
57
CAPITOLUL 6. CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE
6.1. Concluzii finale
Dezvoltarea robotici i în ultimul deceniu a condus la realizarea a numeroase tipuri de
roboți mobili având diverse variante funcționale și constructive. Și domeniile de aplicativitate
ale roboticii s -au extins, tot mai mulți roboți fiind implementați în diferite activități din cadrul
medicinei, construcțiilor, armatei, administrației publice, agriculturii, transporturilor și de ce nu
și în divertisment.
Abordarea unei teme de cercetare referitoare la sistemul senzorial al robotul ui mobil
necesită o analiză a stadiului actual al roboticii mobile și a tipurilor de senzori folosiți la
detecția obstacolelor în timpul deplasării, testarea senzorilor și a robo ților în vederea
îmbunătățirii comportamentului la detecția obstacolelor într -un spațiu de lucru.
Sistemul senzorial al unui ro bot de orice tip, are cea mai importantă funcție în orientar ea
acestuia în spațiul de lucru, fiind compus din unul sau mai multe tipuri de senzori. Senzorii
tactili sunt folosiți în practică sub formă individuală și sub formă matricială. Senzorii tactili
matriciali prezintă o capacitate informațională mai mare, fiind mult mai eficienți decât dacă
sunt folosiți individual. Cei mai întrebuințați senzori vizuali sunt cei de tip CCD și CMOS.
Senzorii CCD, în raport cu senzorii CMOS, oferă o calitate superioară a imaginii, zgomot
redus, citire rapidă a imaginilor de calitate superioară. Senzorii CMOS au prețul de cost mai
scăzut, integrare în cip, consum redus și tehnologie mai simplă de fabricare. Senzorii de
detecție acustici, precum și senzorii ultrasonici au calități superioare celor optici impunându -se
într-o vastă serie de aplicații. Acești senzori sunt optimi la aplicații în medii cu vizibilitate
redusă și în condiții grele sau care exclud utilizarea fenomenului optic .
Studiul experimental asupra comportame ntului roboților mobili în procesul de percepere
a obstacolelor, impune alegerea unor obstacole de dimensiuni, forme și materiale diferite. De
asemenea este deosebit de importantă și alegerea spațiului de lucru în care vor fi amplasate
obstacolele. Acesta ar trebui să fie un spațiu închis unde pot fi controlați parametrii atmosferici,
cum ar fi temperatura, umiditatea și nivelul de zgomot. Astfel, pentru testarea abilităților
roboților mobili au fost amenajate două spații de lucru închise, unul cu trei obst acole fixe de
diferite forme și unul de tip labirint.
Pentru studiul experimental au fost utilizați șase roboți mobili care prezintă diverse
sisteme senzoriale pentru detecția obstacolelor și diverse tipuri de sisteme de locomoție :
– Robot mobil Pro Bot 128 (prezintă sistem de detecție cu senzori în infraroșu și
fotodetecție și sistem locomotor cu roți) ;
– Robot mobil Spy Video TRAKR (prezintă sistem de detecție cu senzori vizuali și
sistem locomotor cu șenile);
– Robot mobil KSR4 – ESCAPE (prezintă sistem de det ecție cu senzori în infraroșu și
sistem locomotor cu roți);
– Robot umanoid Maxibot (prezintă sistem de detecție cu senzori în infraroșu și sistem
locomotor pășitor);
– Robot pășitor Hexbug Delta (prezintă sistem de detecție cu senzori tactili și sistem
locomotor pășitor);
– Mini -vehicul teleghidat (prezintă sistem de detecție cu senzor ultrasonic și sistem
locomotor cu roți).
Înainte de testarea în spațiile de lucru amenajate a fost determinată abaterea de la
traiectorie a fiecărui robot în parte și au fost urmărite abilitățile acestora la rularea pe diferite
tipuri de suprafețe (parchet, covor și nisip).
În vederea determinării abaterii de la traiectorie a fost conceput și dezvoltat un dispozitiv
care folosește un senzor pentru măsurarea vitezei unghiulare, având un sistem de ghidare pe
șine și care este atașat robotului testat. Astfel a fost determinată abaterea unghiulară și apoi a
fost calculată abaterea liniară, rezultând că din acest punct de vedere roboții care folosesc
sisteme de locomoție cu roți și c u șenile sunt superiori celor pășitori.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
58
La deplasarea pe diferite tipuri de suprafețe a fost implementat fiecărui robot testat un
senzor care măsoară accelerația. Astfel a fost urmărită variația accelerației la deplasarea unui
robot care folosește sistem d e locomoție cu roți și unul cu șenile. În urma analizei datelor
obținute, din acest punct de vedere superiori sunt roboții care folosesc sistem de locomoție cu
șenile.
Pentru testarea în spațiile de lucru amenajate au fost selectați trei roboți în funcție de
sistemul locomotor și gradul de autonomie: robotul Spy Video TRAKR (semiautonom cu
șenile ), robotul Maxibot (semiautonom pășitor ) și robotul Pro Bot 128 (autonom cu roți ). În
vederea stabilirii cu precizie a traseului parcurs de fiecare robot, aceștia a u fost dotați cu un
sistem de trasare a marcajului . În urma testării celor trei roboți au fost observate traiectoriile
descrise de aceștia la deplasare și a fost măsurată distanța parcursă de fiecare între un punct de
start și unul de sosire. Distanța cea mai mare a fost parcursă de robotul Pro Bot 128 acesta fiind
singurul care nu a fost ajutat de operatorul uman.
În vederea îmbunătățirii sistemului de detecție a robotului Pro Bot 128 au fost testați trei
senzori ultrasonici cu domenii de măsurare diferite și anume:
– Senzorul utrasonic DT020 -1;
– Senzorul utrasonic FESTO;
– Senzorul ultrasonic Parallax PING.
Senzorul utrasonic DT020 -1 are un domeniu mare de măsurare, cuprins între 0,4m și
10m, senzorul FESTO un domeniu mic de măsurare, cuprins între 0,15m și 0,5 m și senzorul
Parallax PING un domeniu cuprins între 0,2m și 3m. Cu cei trei senzori s -au efectuat
măsurători de distanță față de obstacole de dimensiuni forme și materiale diferite precum și la
aplicarea unor viteze ale curentului de aer distribuie paral el, perpendicular și la unghi de 45 de
grade față de unda ultrasonică. Senzorul utrasonic DT020 -1 a fost utilizat și sub formă de
radar, fiind montat pe o platformă rotativă în vederea observării modului de percepere a
diferitelor forme ale obstacolelor d e către senzorii ultrasonici.
Rezultatele obținute în urma testării celor trei senzori au fost supuse unei modelări
matematice, utilizând aproximarea prin regresie liniară, obținându -se o ecuație generală de
calcul a timpului de răspuns al senzorului în fu ncție de distanță, la o temperatură a aerului
cuprinsă între 20oC și 30oC și o ecuație inversă de calcul a distanței în funcție de timpul de
răspuns. Pe baza ecuațiilor obținute au fost dezvoltate niște programe de calcul a distanței și a
timpului de răspu ns în diferite condiții. De asemenea, ecuația de calcul a distanței în funcție de
timpul de răspuns a fost utilizată la programarea robotului mobil optimizat prin implementarea
unui sistem senzorial cu senzori ultrasonici.
În vederea optimizării configuraț iei senzorilor s -a efectuat și simularea deplasării
robotului mobil Pro Bot 128 cu ajutorul software -ului MobotSim care are posibilitatea
configurării unui robot mobil asemănător cu cel propus și crearea unor spații de lucru virtuale
identice cu cele amena jate pentru testarea roboților. În urma modelării configurației senzorilor
prin simulare cu software -ul MobotSim, a fost ales în vederea optimizării, un sistem cu trei
senzori Parallax Ping care va fi implementat pe mobil.
În vederea stabilirii cu exactita te a robotului care este optim pentru optimizare a fost
utilizată o analiză multi -criterial avansată. Analiza multicriterială este ut ilă pentru obținerea
ierarhizări lor cu subiecți selectați din același domeniu sau din domenii diferite de activitate în
care subiectivismul este înlăturat în mare parte.
La alegerea variantelor au fost luați în vedere roboții mobili cu care s -au efectuat teste și
senzorii ultrasonici de tip Parallax, fiind cei mai ușor de implementat în sistemul senzorial al
unui robot. Astfel s-a lucra t cu trei variante și anume :
– Robot pășitor (Maxibot) cu sistem senzorial compus din senzori în infraroșu și senzori
ultrasonici.
– Robot cu ro ți (Pro Bot 128) cu sistem senzorial compus din senzori în infraroșu și
senzori ultrasonici.
– Robot cu șeni le (Spy Video TRAKR) cu sistem senzorial compus dintr -un senzor vizual
și senzori ultrasonici.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
59
În funcție de clasamentul final obținut în urma analizei a fost ales pentru optimizare
robotul mobil Pro Bot 128 (locomoție cu roți), cu sistem senzorial compu s din senzori în
infraroșu și senzori ultrasonici Parallax Ping. Acest robot are gradul de autonomie cel mai
ridicat în comparație cu roboții testați și este cel mai maleabil din punct de vedere a modelării
sistemului de detecție a obstacolelor.
La testele efectuate în cele două spații de lucru, robotul Pro Bot 128 a fost programat să
utilizeze sistemul senzorial în infraroșu în vederea detecției obstacolelor. Pentru optimizarea
sistemului senzorial, î n primul rând a fost implementat robotului mobil un sist em format dintr –
un senzor Parallax Ping și unitate de procesare de tip Propeller Activity Board. În urma testelor
efectuate în aceleași spații de lucru, robotul a parcurs o distanță mai mare în spațiul cu
obstacole fixe și o distanță mai mică în spațiul de lucru de tip labirint. O altă soluție a fost
montarea unui senzor pe o platformă acționată de un servomotor, care are posibilitatea rotirii la
180 de grade. Robotul astfel configurat a parcurs o distanță mai mică în ambele cazuri. Pentru a
se îmbunătăți c omportamentul robotului și mai mult, a fost optimizat și sistemul de locomoție,
înlocuindu -se roțile și motoarele cu altele care folosesc un sistem de codificare de tip encoder.
Funcționarea unui sistem de tip encoder se bazează pe transformarea unui semna l analogic
transmis de un traductor în infraroșu montat în vecinătatea roții într -un semnal digital care, cu
ajutorul unei unități de procesare va controla turația motorului care acționează roata respectivă.
Acest sistem este mai eficient, unitatea de coma ndă a robotului primind date foarte precise
privind parametri funcționali specifici deplasării și furnizând apoi comenzile necesare
navigației. În urma testelor efectuate cu robotul optimizat cu un nou sistem de locomoție,
distanța parcursă în cele două sp ații de lucru a fost redusă semnificativ.
Varianta cea mai performantă de optimizare a fost varianta în care a fost implementat
noul sistem de locomoție, alături de sistemul de detecție care folosește un senzor ultrasonic
montat pe o platformă rotativă. As tfel se poate spune că implementarea unui sistem senzorial
cu senzori ultrasonici se poate realiza pentru o multitudine de roboți, fiind recomandată la
detecția obstacolelor din spațiul de operare.
6.2. Contribuții personale
Contribuțiile personale adus e în domeniul roboților mobili din punct de vedere al
îmbunătățirii comportamentului acestora în procesul de detecție a obstacolelor dintr -un spațiu
de lucru sunt:
– Analiza literaturii de specialitate referitoare la stadiul actual din domeniul roboților
mobili și al sistemelor senzoriale utilizate în procesul de detecție.
– Testarea robotului mobil autonom Escape într -un spațiu de lucru cu obstacole de diferite
forme și materiale în vederea urmăririi comportamentului acestuia în procesul de
navigație și propun erea de optimizare prin adăugarea a încă două diode infraroșu de
emitere.
– Proiectarea și elaborarea unui sistem de determinare a abaterii de la traiectorie a roboților
mobili precum și amenajarea unui traseu cu benzi de mărimi și culori diferite .
– Testarea roboților mobili din punct de vedere al abaterii de la traiectorie, analiza datelor
obținute și remedierea defectelor găsite la sistemele de locomoție.
– Amenajarea unor medii de lucru cu suprafețe de rulare diferite (parchet, covor și nisip)
pentru analiza comportamentului roboțior din punct de vedere al accelerației la demaraj.
Pentru teste au fost echipați cu senzorul ultrasonic DT020 -1 doi roboți mobili, unul cu
sistem locomotor cu roți și altul cu șenile.
– Amenajarea a două spații de lucru închise, unul c u obstacole fixe de diferite forme și unul
de tip labirint, în vederea observării comportamentului a trei roboți mobili, din punct de
vedere al navigației.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
60
– Dotarea roboților Spy Video TRAKR , Maxibot și Pro Bot 128 cu un sistem de trasare a
marcajului . Ace st sistem a fost bazat pe un nuanțator care a trasat o linie în timpul
deplasării robotului.
– Testarea robo ților Spy Video TRAKR , Maxibot și Pro Bot 128 în spațiile de lucru
amenajate și măsurarea distanței parcurse de aceștia dintre un punct de start și un ul de
sosire.
– Pregătirea și asamblarea echipamentelor de achiziție de date MultilogPro și Arduino în
vederea testării senzorilor ultrasonici DT020 -1, FESTO și Parallax PING.
– Măsurarea distanței cu senzorii ultrasonici DT020 -1, FESTO și Parallax PING față d e
obstacole de diferite forme, mărimi și materiale în vederea alegerii sistemului optim de
îmbunătățire a configurației senzorilor unui robot mobil.
– Elaborarea unui dispozitiv de tip platformă rotativă pentru utilizarea senzorului DT020 -1
ca radar pentru o bservarea percepției obiectelor de diferite forme din punct de vedere al
senzorului ultrasonic.
– Analiza datelor obținute în urma măsurătorilor de distanță din punct de vedere al erorilor
de măsurare.
– Conceperea unui program de calcul a timpului de răspuns și vitezei sunetului în aer în
funcție de temperatura mediului ambiant și de distanța dintre senzorul ultrasonic și
distanță. Programul a fost creat în limbajul de programare Microsoft Visual Basic 2010
Expres.
– Modelarea datelor obținute în urma măsurători lor de distanță folosind aproximarea prin
regresie liniară și realizarea modelului matematic pentru calculul timpului de răspuns în
funcție de distanță. Obținerea unei ecuații generale care a fost utilizată la programarea
sistemului de detecție care folose ște senzori ultrasonici.
– Simularea comportamentului robotului mobil Pro Bot 128 cu ajutorul software -ului
MobotSim care are posibilitatea configurării unui robot mobil asemănător cu cel propus
și crearea unor spații de lucru virtuale identice cu cele amena jate pentru testarea roboților.
– Alegerea robotului potrivit pentru optimizare prin analiză multicriterială.
– Pregătirea și implementarea pe robotul mobil Pro Bot 128 a unui sistem de detecție cu
senzor Parallax Ping și unitate de procesare de tip Propeller Activity Board și testarea
acestuia în spațiile de lucru cu obstacole fixe și de tip labirint.
– Implementarea pe robotul mobil Pro Bot 128 a unui sistem de detecție cu senzor Parallax
Ping montat pe o platformă rotativă acționată de un servomotor și testare a acestuia în
spațiile de lucru.
– Implementarea pe robotul mobil Pro Bot 128 a unui sistem de locomoție de tip encoder și
testarea acestuia în spațiile de lucru.
– Analiza datelor obținute experimental și trasarea concluziilor finale.
6.3. Valorificarea rez ultatelor cercetării
Rezultatele cercetărilor dezvoltate în vederea elaborării tezei de doctorat au fost
valorificate prin :
– Elaborarea rapoartelor din programul de pregătire doctorală:
1. Considerații asupra stadiului actual al cercetărilor privind senzori i și configurația
senzorilor de la roboții mobili .
2. Contribuții teoretice privind optimizarea configurației senzorilor și modul de deplasare
la roboții mobili .
3. Contribuții privind modelarea configurației senzorilor și a sistemului locomotor la
roboții mobil i.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
61
– Publicarea a 19 lucrări, la manifestări naționale și internaționale, dintre care 16 ca prim
autor:
1. Țârulescu R., Usage of sonar and ultrasonic senzor s for mobile robots
orientation, Annals of the Oradea University, Editura Universității din Oradea,
2005, ISSN 1583 -0691.
2. Țârulescu R., Considerații privind optimizarea sistemului senzorial la un robot
mobil , International Session of Scientific Papers, Education And Scientific
Research At European Standards, Academia Forțelor Aeriene „Henri Coandă”,
Brașo v 11-12 Mai 2007, ISBN 978 -973-8415 -45-4.
3. Țârulescu R., Țârulescu S., Infrared detection senzor s for mobile robots,
Academic Journal of Manufacturing Engineering, Supplement, Issue 2 / 2008,
Editura Politehnica Timisoara, ISSN 1583 -7904.
4. Țârulescu R., Țâru lescu S., Ultrasonic senzor s for mobile robots, Academic
Journal of Manufacturing Engineering, Supplement, Issue 2 / 2008, Editura
Politehnica Timisoara, ISSN 1583 -7904.
5. Țârulescu R., Țârulescu S., Senzori ultrasonici folosiți la navigația roboților
mobili , Sesiune de comunicări științifice cu participare internațională, AFARES –
2008, Academia Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov 16 -17 Mai 2008, ISBN
978-973-8415 -56-0.
6. Țârulescu R., Drugă C., Braun B., Ultrasonic senzor for distance measuring, 2nd
International Conference Advanced Composite Materials Engineering COMAT
2008, 9 –11 October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
7. Țârulescu R., Drugă C., Braun B., Optical senzor for distance measuring, 2nd
International Conference Advanced Composite Materials En gineering COMAT
2008, 9 –11 October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
8. Drugă C., Țârulescu R., Braun B., On the displacement measuring errors using
the coiled resistive transducers in potentiometric mounting, 2nd International
Conference Advanced Composite M aterials Engineering COMAT 2008, 9 –11
October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
9. Drugă C., Braun B., Țârulescu R., Coiled resistive transducers with nonlinear
characteristics obtained by shunting, 2nd International Conference Advanced
Composite Materials En gineering COMAT 2008, 9 –11 October 2008, Brasov,
ISSN 1844 – 9336.
10. Țârulescu R., Țârulescu S., Disturbing factors influence in ultrasonic senzor
detection, Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583 -0691, ANNALS of the
ORADEA UNIVERSITY, 2012.
11. Țârulescu R., Țârulescu S., Distance measurements with ultrasonic senzor
DT020 -1, Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583 -0691, ANNALS of the
ORADEA UNIVERSITY, 2012.
12. Țârulescu R., Usage of Parallax ultrasonic senzor s in distance measuremnts,
Editura Universitat ii din Oradea, ISSN 1583 -0691, ANNALS of the ORADEA
UNIVERSITY, 2013.
13. Țârulescu R., Olteanu C., Țârulescu S., Texture of material influence at
ultrasonic detection, Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583 -0691,
ANNALS of the ORADEA UNIVERSITY, 2014.
14. Țârulescu R., Mobile robots navigation in a maze type of working environment ,
Revista Creativitate și Inventică, Vol. 6, ISSN 2067 -3086, Editura Universitatii
Transilvania Brașov, 2014.
15. Țârulescu R., Ultrasonic detection of obstacles with different shapes , Revista
Creativitate și Inventică, Vol. 6, ISSN 2067 -3086, Editura Universitatii
Transilvania Brașov, 2014.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
62
16. Țârulescu R., Olteanu C., Zamfira S., Variation of start acceleration for wheeled
and tracked autonomus mini -vehicles, Procedings of International Co ngress
„Sience and Management of Automotive and Transportation Engineering ” SMAT
2014, Vol 1, 23-25 October 2014, Craiova, ISBN 978 -606-14-0864 -1.
17. Țârulescu R., Zamfira S., Olteanu C., Senzor ial system optimization for one
autonomous mini -vehicle , Procedin gs of International Congress „ Sience and
Management of Automotive and Transportation Engineering ” SMAT 2014, Vol
1, 23-25 October 2014, Craiova, ISBN 978 -606-14-0864 -1.
18. Țârulescu S., Țârulescu R., The influence of wind speed and direction over the
ultrason ic detection , Procedings of International Congress „ Sience and
Management of Automotive and Transportation Engineering ” SMAT 2014, Vol
1, 23-25 October 2014, Craiova, ISBN 978 -606-14-0864 -1.
19. Țârulescu R., Olteanu C., Navigation system optimization for mobi le robot pro
bot 128, 5th International Conference Advanced Composite Materials
Engineering and The 3rd International Conference “Research & Innovation in
Engineering” COMAT 2014, 16 -17 October 2014, Brașov, ISBN 978-606-19-
0411 -2.
6.4. Direcții viitoa re de cercetare
Cercetările realizate precum și rezultatele teoretice, experimentale și practice obținute
acoperă într-o mică parte diversitatea problemelor care apar la detecția obstacolelor dintr -un
spațiu de lucru . O continuare a studiului început în cadrul acestei teze se poate baza pe:
– Testarea roboților mobili în spații de lucru deschise, cu suprafețe de rulare diferite.
– Testarea roboților mobili în spații de lucru cu obstacole în mișcare.
– Optimizarea sistemului senzorial al robotului Spy Video TRA KR în vederea creșterii
autonomiei.
– Utilizarea senzorului DT020 -1 ca radar pentru observarea percepției obiectelor cu
forme neregulate.
– Generalizarea metodelor utilizate în cadrul cercetărilor experimentale pentru o gamă
mai mare de roboți mobili.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
63
BIBLIOGRAFIE
[A1] – Alexandru M., Sisteme de măsurare cu traductoare , Editura Matrixrom , 2012.
[A2] – Alexandrescu L, Acustică aplicată, Editura Orator, Brașov 2004.
[A3] – Antunes dos Santos A., Ultrasonic Waves, Publisher: InTech, 2012, ISBN 978 -953-51-
0201 -4.
[A4] – Armaș I., Proiectare în mecatronică și robotică, Editura A.G.I.R., 2011.
[B1] – Balasubramanian K., Arunkumar R., Object recognition and obstacle avoidance robot ,
Control and Decision Conference, Pages: 3002 – 3006, june 2009.
[B2] – Barna E., Barna V., Cucu C., Miron, C., Mecanică fizică și acustică (II), Editura
Universității București, 2010.
[B3] – Barlea N-M, Fizica senzorilor, Editura Albastra, Cluj Napoca, 2000.
[B4] – Bârsan A., – Metode numerice în inginerie. Editura Universitatii Transilvania Brasov,
2002, ISBN 973 -8124 -45-x.
[B5] – Benche V., Postelnicu A., Mecanica fluidelor și mașini hidraulice – Îndrumar de
laborator. Editura Universității Transilvania Brașov.
[B6] – Benet G., Blanes F., Simó J. E., Pérez P., “Using infrared senzor s for distance
measurement in mobile robots.” Robotics and Autonomous Systems , vol. 40, pp. 255 –
266, 2002.
[B7] – Berbente C., Mitran S., Zancu S., Metode numerice, Editura Tehnică București 1997,
971-13-1135 -x.
[B8] – Biber P., Duckett T., Experimental Analysis of Sample -Based Maps for Long -Term
SLAM , The International Journal of Robotics Research vol. 28 no. 1, January 2009.
[B9] – Bobanc u Ș., Creaticitate și inventică, Editura Universitătii Transilvania Brașov, Brașov
2005.
[B10] – Borangiu T., Dumitrache, A.,, Anton, F. D., Programarea roboților, E ditura A.G.I.R.,
2010.
[B11] – Borenstein J., H. R. Everett, L. Feng, Where am I ? Senzor s and Methods for Mobile
Robot Positioning, University of Michigan, April 1996.
[B12] – Buiu C., Sisteme avansate pentru conducerea roboților autonomi, Editura Electra
(ICPE), 2003.
[B13] – Buneci M. R., Metode Numerice – aspecte teoretice și practice, Editura Academica
Brâncuși, Târgu -Jiu, 2009, ISBN 978 -973-144-289-1.
[B14] – Burgard W., Stachniss C., Hahnel D., Mobile Robot Map Learning from Range Data
in Dynamic Environments, Autonomous Navigation in Dynamic Environments , Springer
Tracts in Advanced Robotic s, Volume 35, pages: 3 -28, 2007.
[C1] – Caltun O. F., Metode numerice de procesare a semnalelor, Editura Stef București, 2008,
ISBN 978 -973-8961 -93-7.
[C2] – Castellanos J.A., Tardós J.D., Mobile Robot Localizatio n and Map Building – A
Multi senzor Fusion Approach, March 1, 2000.
[C3] – Castillo O., Martínez -Marroquín R., Melin P., Valdez F., Soria J., Comparative study of
bio-inspired a lgorithms applied to the optimization of type -1 and type -2 fuzzy controllers
for an autonomous mobile robot , Information Sciences , Volume 192 , 1 June 2012.
[C4] – Călinoiu C., Senzori și Traductoare, Volumul 1, Editura Tehnică, 2009.
[C5] – Chen .Y., Shih BY., Shih C.H.,Wei C.C., The development of autonomous low -cost
biped mobile surveillance robot by in telligent bricks , Journal of Vibration and Control
vol. 18 no. 5, pages: 577-586, April 2012.
[C6] – Chilibon , I., Acustica și metodele ei de testare, Editura Știintă și Tehnică, 2009.
[C7] – Coculescu C., Solomon O., Despa R., Metode mumerice, Editura Universitară
București, 2013, ISBN 978 -606-591-808-5.
[C8] – Cohen M.R., Drabkin I.E., A Source Book in Greek Science, 1948.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
64
[D1] – David J., Cheeke N., Fundamentals and Applications of Ultrasonic Waves, 2 -nd
Edition, CRC Press, 2012.
[D2] – Dima V. N., Barna E., Mecanică și acustică. Probleme rezolvate. Ediția a II -a revizuită
și adăugită, Editura Universității București, 2006, ISBN (13) 978 -973-737-183-6.
[D3] – Dolga V., Construcția traductoarelor și senzorilor, Lito. Universitatea Politehnica din
Timișoara, Timișoara, 1996.
[D4] – Dolga V., Senzori și traductoare , Editura Eurobit, Timișoara, 1999, ISBN: 973 -99-227-
9-1.
[D5] – Drugă C., Țârulescu R., Braun B., On the d isplacement measuring errors using the
coiled resistive transducers in potentiometric mounting, 2nd International Conference
Advanced Composite Materials Engineering COMAT 2008, 9 –11 October 2008,
Brasov, ISSN 1844 – 9336.
[D6] – Drugă C., Braun B., Țâru lescu R., Coiled resistive transducers with nonlinear
characteristics obtained by shunting, 2nd International Conference Advanced Composite
Materials Engineering COMAT 2008, 9 –11 October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
[D7] – Dumitriu A., Bucșan C., Demi an T., – Sisteme senzoriale pentru roboți, Editura Medro,
Brașov, 1996.
[E1] – Enescu N., Magheti I., Sârbu M. A., Acustica Tehnică, Editura Electra (ICPE), 1998,
ISBN 973 -98801 -2-6.
[F1] – Fehlman W.L., Hinders M.K., Passive infrared thermographic imaging for mobile robot
object identification , Journal of Field Robotics Volume 27, Issue 3, pages 281 –310,
May/June 2010.
[F2] – Florczyk S., Robot Vision: Video -based Indoor Exploration with Autonomous and
Mobile Robots, Editura Wiley -VCH, 2005.
[G1] – Grigore L. T., Aplicații de navigație inerțială cu senzori miniaturizați, Editura SITECH ,
2013.
[H1] – Hahnel D. , Map building with mobile robots in dynamic environments, Robotics and
Automation, Proceedings. ICRA '03. IEEE International Conference, Pages: 1557 – 1563
vol.2, 2003.
[H2] – Hedrick W. R., Hykes D. L., Starchman D. E., Ultrasound Physics and Instrumentation,
Pageburst E -Book on VitalSource, 4th Edition, 2005, ISBN: 9780323080200.
[H3] – Holland John M., Designing Autonomous Mobile Robots: Inside the Mind of an
Intelligent Machine, December 29, 2003 .
[H4] – Holger K., Willig A., Protocoale și arhitecturi p entru rețele de senzori wireless , Editura
Matrixrom , 2012.
[H5] – Hristev A., Mecanică și Acustică, Editura APH București, 1999.
[I1] – Ignea A., Stoiciu D., Măsurări ele ctronice, senzori și traductoare, Editura Politehnica
Timișoara, 2007.
[J1] – Johnson M., Hayes M.J., Deve lopment and validation of a low -cost mobile robotics
testbed , Central European Journal of Engineering , Volume 2, Issue 1 , pages 50 -65,
2012.
[M1] – Meyer -Delius D., Temporary maps for robots localization in semi -static environments,
Intelligent Robots and Systems (IROS), 2010 IEEE / RSJ International Conference ,
Pages: 5750 – 5755, Oct. 2010.
[M2] – Meyer -Delius D., Beinhofer M., Burgard W., Occupancy Grid Models for Robot
Mappingin Changing Environments, Proceedings of the Twenty -Sixth AAAI Conference
on Artificial Intelligence, 2012.
[M3] – Muller G., Moser M., Handbook of Engineering Acoustics, Springer -Verlag
BerlinHeidelberg, 2013.
[M4] – Mătieș V., Tiuca , T., Roboti, structura cinematica si caracteristici , Editura Dacia , 1996.
[M5] – Mătieș V., Berian S., Transdisciplinaritate și mecatronică, Editura Curtea Veche , 2011 .
[N1] – Nehmzow U., Mobile Robotics, A Practical Introduction, June 11, 2003, ISBN 978-
1852337261.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
65
[N2] – Nițulescu M., Sisteme robotice cu capacitate de navigație, Editura Universitaria
Craiova, 2002.
[L1] – Lempriere B., Ultrasound and Elastic Waves, Academic Press, 2002, ISBN: 978-0-12-
443345 -8.
[L2] – Leon F., Inteligența artifi cială – principii, tehnici, aplicații, Editura Tehnopress, Iași
2007, ISBN 973 -702-423-0.
[L3] – Lovasz E. C., Robotică avansată, Editura Politehnica Timișoara, 2013.
[O1] – Olteanu C. – Aparate și sisteme de măsurare mecanice , Universitatea din Brașov, 19 86;
[O2] – Olteanu C. – Mijloace mecanice și hidropneumatice de măsurare – curs, Reprografia
Universității “TRANSILVANIA” Brașov, 1988;
[O3] – Olteanu C., Turcu C., Olteanu F., Zamfira, S., Braun B. – Mechatronic system for
measuring and tracing of maps c oncerning soil agro -productive parameters , 6th
International DAAAM Baltic Conference INDUSTRIAL ENGINEERING, 24 -26 Aprilie
2008, Tallinn, Estonia, ISBN 978 -9985 -59-783-5;
[P1] – Patrascioiu C., Tehnici numerice de optimizare, Editura Matrixrom , București 2005,
ISBN: 973 -685-953-3.
[P2] – Popa C., Pelican E., Introducere în analiza numerică, Editura Matrixrom , București,
2009, ISBN: 9736859916.
[P3] – Popescu M.C., Mastorakis N.E., Simulation of da Vinci Surgical Robot Using
Mobotsim Program, INTERNATIONAL JOURNAL OF BIOLOGY AND
BIOMEDICAL ENGINEERING, Issue 4, Volume 2, 2008.
[P4] – Popescu D ., Senzori pentru roboți, Editura Electra (ICPE), 2004.
[S1] – Saracin C. G. , Saracin M., Traductoare. Interfețe. Achiziții de date , Editura Matrixrom ,
2010.
[S2] – Siegwart R, Introduction to Autonomous Mobile Robots, Intelligent Robotics and
Autonomous Agents serie s, ISBN 978-0262195027, March 5, 2004.
[S3] – Siciliano , B., Sciavicco , L., Villani , L., Oriolo , G., Modelling, Planning and Control,
2nd Printing., 2009.
[S4] – Stevanovic N., Hillegrand M., Hostica B. J., Teuner, A. – A CMOS Image Senzor for
High Speed I maging, ISSCC Digest of Technical Papers, pages 104 -105, San Francisco,
2000.
[T1] – Țârulescu R., Crăciun O., Elemente de mecanica fluidelor și unele aplicații practice,
decembrie 2009, Editura Universității Transilvania din Brașov ISBN 978 -973-598-665-0.
[T2] – Țârulescu R. , Țârulescu S., Infrared detection senzor s for mobile robots, Academic
Journal of Manufacturing Engineering, Supplement, Issue 2 / 2008, Editura Politehnica
Timisoara, ISSN 1583 -7904.
[T3] – Țârulescu R ., Țârulescu S., Ultrasonic senzor s for mobile robots, Academic Journal of
Manufacturing Engineering, Supplement, Issue 2 / 2008, Editura Politehnica Timisoara,
ISSN 1583 -7904.
[T4] – Țârulescu R ., Usage of sonar and ultrasonic senzor s for mobile robots orientation,
Annals of the Oradea Un iversity, Editura Universității din Oradea, 2005, ISSN 1583 –
0691.
[T5] – Țârulescu R ., Considerații privind optimizarea sistemului senzorial la un robot mobil ,
International Session of Scientific Papers, EDUCATION AND SCIENTIFIC
RESEARCH AT EUROPEAN STANDA RDS, Academia Forțelor Aeriene „Henri
Coandă”, Brașov 11 -12 Mai 2007, ISBN 978 -973-8415 -45-4.
[T6] – Țârulescu R ., Țârulescu S., Senzori ultrasonici folosiți la navigația roboților mobili,
Sesiune de comunicări științifice cu participare internațională, AF ARES – 2008,
Academia Forțelor Aeriene „Henri Coandă”, Brașov 16 -17 Mai 2008, ISBN 978 -973-
8415 -56-0.
[T7] – Țârulescu R ., Drugă C., Braun B., Ultrasonic senzor for distance measuring, 2nd
International Conference Advanced Composite Materials Engineering COMAT 2008,
9–11 October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
66
[T8] – Țârulescu R ., Drugă C., Braun B., Optical senzor for distance measuring, 2nd
International Conference Advanced Composite Materials Engineering COMAT 2008,
9–11 October 2008, Brasov, ISSN 1844 – 9336.
[T9] – Țârulescu R ., Țârulescu S., Disturbing factors influence in ultrasonic senzor detection,
Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583 -0691, ANNALS of the ORADEA
UNIVERSITY, 2012.
[T10] – Țârulescu R ., Țârulescu S., Distance measurements with ultrasonic senzor DT020 -1,
Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583 -0691, ANNALS of the ORADEA
UNIVERSITY, 2012.
[T11] – Țârulescu R ., Usage of Parallax ultrasonic senzor s in distance measuremnts, Editura
Universitatii din Oradea, ISSN 1583 -0691, A NNALS of the ORADEA UNIVERSITY,
2013.
[T12] – Țârulescu R ., Olteanu C., Țârulescu S., Texture of material influence at ultrasonic
detection, Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583 -0691, ANNALS of the ORADEA
UNIVERSITY, 2014.
[T13] – Țârulescu R ., Țâru lescu S., Olteanu C., Vehicle pollution for cold engine functioning,
Editura Universitatii din Oradea, ISSN 1583 -0691, ANNALS of the ORADEA
UNIVERSITY, 2014.
[T14] – Toth -Tascău M., Drăgulescu D., Planificarea și generarea mișcării roboților, Editura
Orizonturi Universitare Timișoara, 2002.
[T15] – Toth -Tascău M., Dreucean M., Elemente de robotică, Editura Politehnica Timișoara,
2008.
[U1] – Ungureanu V. B., Țârulescu R., Crăciun O., Mașini și aparate fluidice, decembrie
2012, Editura Universității Transi lvania din Brașov ISBN 978 -606-19-0144 -9.
[V1] – Vasiu D., Olteanu C., Roșca I., Iordache P. – Senzori și traductoare – traductoare
giroscopice, Brașov, 1992.
[Z1] – Zaides E. P., Traductoare și senzori, Editura Electra (ICPE), 2002.
[***1] – Fourier Senzo rs Guide. Fourth Edition. Printed in March 2004. page 50.51 .
[***2] – Catalog MultiLogPRO .
[***3] – Workbook FP 1120. Senzor s for Distance and Displacement. FESTO .
[***4] – Catalog senzor ultrasonic Parallax PING.
[***5] – Catalog platformă de procesare A rduino.
[***6] – http://www.arduino.cc/en/Tutorial/Ping .
[***7] – Catalog Alnor Airflow, Air Velocity Meter, model AVM460 .
[***8] – User manual Pro Bot 128 robot .
[***9] – http://www.spytrakr.net .
[**10] – KSR4 – "ESCA PE" ROBOT KIT – Velleman Components, Catalog .
[**11] – http://www.mobotsoft.com/?page_id=98 .
[**12] – http://learn.parallax.com/print/book .
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
67
REZUMA T
Pe baza analizei limitelor stadiului actual s -a definit obiectivul acestei teze: optimizarea
sistemului senzorial al unui robot mobil în vederea îmbunătățirii comportamentului la
orientarea în spațiul de lucru.
Pentru atingerea obiectivelor tezei s -au efectuat teste cu șase roboți mobili în vederea
observării comportamentului acestora în două spații de lucru, unul cu obstacole fixe și unul de
tip labirint și s -au efectuat măsurători de distanță cu trei tipuri de senzori ultrasonici față de
obiecte de diferite dimensiuni, forme și materiale. Rezultatele obținute au fost modelate atât
matematic, cât și prin simulare cu ajutorului unui software dedicat roboților mobili. În urma
analizei rezultatelor obținute prin modelare, s -a identificat robotul mobil care poate fi supus
optimizării și tipul de senzor care poate fi implementat cu succes în sistemul senz orial. Astfel a
fost optimizat robotul mobil de tip Pro Bot 128, adăugându -se un sistem nou senzorial, de tip
Parallax. În urma efectuării testelor cu robotul optimizat s -a observat ca distanța parcursă dintre
un punct de pornire și unul de sosirere s -a redus semnificativ.
Etapele parcurse pentru stabilirea soluției optime sunt: 1) Analiza stadiului actual în
domeniul roboților mobili; 2) Stabilirea obiectivelor tezei; 3) Cercetări experimentale efectuate
cu roboții mobili și cu senzorii ultrasonici; 4) Mod elarea numerică a rezultatelor obținute în
urma cercetărilor experimentale și simularea navigației unui robot mobil utilizând senzori
ultrasonici cu caracteristici asemănătoare celor testați; 5) Optimizarea unui robot mobil prin
implementarea unui senzor ultrasonic montat pe o platformă rotativă și testarea acestuia în
spațiile de lucru; 6) Concluzii finale, contribuții originale și direcții de dezvoltare.
Din analiza rezultatelor se desprinde ideea că că implementarea unui sistem senzorial cu
senzori ult rasonici se poate realiza pentru o multitudine de roboți, fiind recomandată la detecția
obstacolelor din spațiul de operare.
ABSTRACT
Based on an analysis of the current stage limits, it was defined the objective of this thesis:
optimizing the sensorial s ystem of a mobile robot to improve navigation behavior in the
workspace.
In order to achieve the objectives of this thesis, has been performed tests with six mobile
robots in order to observe their behavior in the two working spaces, one with fixed obstacl es,
and one of labyrinth type and distance measurements were made with three types of ultrasonic
sensors over the objects with different sizes, shapes and materials. The results were modeled
mathematically and simulated by using dedicated software for mobi le robots. After analyzing
the results obtained by modeling, it was identified the mobile robot which can be optimized
and the type of sensor that can be successfully implemented in the sensorial system. Thus was
optimized the mobile robot Pro Bot 128, add ing a new sensorial system of Parallax type. After
the optimized robot test it was observed that the distance between a starting point and an arrival
has reduced significantly.
The steps for determining the optimal solution are: 1) Analysis of current stag e in mobile
robotics; 2) Establishing objectives of the thesis; 3) Experimental research performed with
mobile robots and ultrasonic sensors; 4) Numerical modeling of results from experimental
research and simulation of navigation for a mobile robot using ultrasonic sensors with
characteristics similar to those tested; 5) Optimizing a mobile robot by implementing an
ultrasonic sensor mounted on a rotating platform and testing in workspaces; 6) Conclusions,
original contributions and directions of developmen t.
From the results emerges the idea that the implementation of a sensorial system with
ultrasonic sensors can be achieved for a variety of robots, being recommended to detect
obstacles in the operating area.
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
68
CURRICULUM VITAE
DATE PERSONALE
NUME Radu ȚÂRULESCU
ADRESA Str. Matei Basarab, Nr. 88, Boc b8, Ap. 11, Brașov, România
TELEFON 0727576747
E-mail radu.tarulescu@unitbv.ro
DATA NAȘTERII 14. 01. 1979
EDUCAȚIE
2002 – 2003 Universiat atea TRANSILVANIA Brașov
Diplomă de Studii Aprofundate
1997 – 2002 Universiatatea TRANSILVANIA Brașov
Diplomă De Inginer
EXPERIENȚĂ
PROFESIONALĂ
2007 – prezent Asistent Universitar
Universiatatea TRANSILVANIA Brașov
2003 – 2007 Preparator Universitar
Universiatatea TRANSILVANIA Brașov
ACTIVITATE 2 cărți publicate în țară
ȘTIINȚIFICĂ 58 articole publicate în volumele unor conferințe din țară și
străinătate
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
69
CURRICULUM VITAE
PERSONAL
INFORMATION
NAME Radu ȚÂRULESCU
ADRESS Str. Matei Basarab, Nr. 88, Boc b8, Ap. 11, Brașov, România
PHONE NUMBER 0727576747
E-mail radu.tarulescu@unitbv.ro
DATE OF BIRTH 14. 01. 1979
EDUCATION
2002 – 2003 TRANSI LVANIA University of Brașov
Advanced Study Diploma
1997 – 2002 TRANSILVANIA University of Brașov
Mechanical Engineering
PROFESSIONAL
EXPERIENCE
2007 – prezent Teaching Assistant
TRANSILVANIA University of Brașov
2003 – 2007 University Tutor
TRANSILVANIA University of Brașov
SCIENTIFIC 2 books published in Romania
ACTIVITY 58 articles published in the proceedings of conferences national
and foreign
Teză de Doctorat – Contribuții privind optimizarea configurației senzorilor utilizați la roboții mobili
2014
70
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Investește în oameni [613401] (ID: 613401)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.