X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение. Наиболее актуальной проблемой мобильных роботов является задача определения координат движущегося тела. Для работы в ограниченном пространстве (дворе, цеху, небольшом поле) целесообразно использовать локальную схему навигации объекта. То есть определение координат объекта по отношению к некоторой (обычно стартовой) точке. Такая схема востребована при работе в пределах заранее известной области. Кроме того также рационально использовать пассивную систему навигации, которая включает в себя прием информации о собственных координатах и других характеристиках своего движения от внешних источников излучения (радиометки, генераторы ультразвуковых волн), это позволяет существенно снизить расход энергии автономного источника питания мобильного робота.

Методы определения координат движущихся тел. Наиболее простым методом определения координат является дальномерный метод. Сущность этого метода заключается в замере задержки между посылкой и приемом как в радиолокации. Например, базовая станция отсылает пакет и включает таймер, метка получает пакет и тут же отправляет его обратно. Базовая станция принимает пакет и останавливает таймер. Чем больше расстояние тем больше задержка. Измеряемым параметром является расстояние между опорной точкой и объектом, оно определяется относительно заданной системы координат. В качестве опорных точек выступают радионавигационных станции (с постоянными координатами), расположенные на поверхности земли. Для нахождения расстояния передатчик объекта посылает радиоимпульс (запрос), приёмник на опорной токе получает его, а затем переизлучает, таким образом, зная интервал времени Т между «запросом и ответом», можно определить R = c*0,5*T, где с – скорость распространения радиоволн. Местоположение объекта, то есть координат (x, y, z) определяют как координаты точки пересечения трёх поверхностей положения (трёх сфер). Поэтому для реализации этого метода нужно измерить расстояние от объекта до опорных точек, причём точек должно быть не менее трёх (i≥3), для определения координат в пространстве.

Рис. 1. Метод определения координат в пространстве

Расстояние между объектом и опорной точкой можно рассчитать по следующей формуле:

=,

где , , – известные координаты опорных точек,

– измеренные расстояния от объекта до опорной точки,

i – опорная точка

В локальной навигации этот метод малоэффективен, так как на расстояниях в несколько метров эта задержка будет равняться нескольким наносекундам. Устройства не способны учитывать задержку на малых расстояниях.

Возможен метод определения координат с помощью звука. Для определения расстояния применен принцип измерения времени задержки между излучаемым сигналом и принятым. Такой же метод используется в РЛС. В качестве поля распространения было выбрано воздушное, то есть звуковое, так как скорость звука имеет величину порядка 340.29 м / с, время задержки на минимально возможном расстоянии имеет величину порядка и может быть измерено с помощью таймеров контроллера. Пусть t-искомое время задержки. Скорость звука в воздухе имеет зависимость от температуры, показателя адиабаты и газовой постоянной воздушной смеси. Для воздуха К=1.37, Rг=340, нормальная температура воздуха – 293К, при этом устройство не предназначено для использования при изменяющихся температурах, поэтому примем скорость звука 340 м/с и в дальнейшем будем считать неизменной.

Известен фазочастотный метод. Способ основан на формировании объектом навигации двух высокочастотных гармонических сигналов с разными частотами, их одновременном излучении с объекта навигации и приеме в нескольких опорных радионавигационных точках с известными координатами, формировании в этих точках сигналов разностной частоты из принятых от объекта навигации высокочастотных сигналов, передаче сформированных сигналов разностной частоты в центральный пункт обработки, где измеряется разность фаз сигналов разностной частоты, поступивших из разных опорных точек, а результаты измерений разностей фаз с учетом взаимного расположения центрального приемного пункта и опорных радионавигационных точек пересчитываются в координаты объекта навигации, причем оба сформированных на объекте навигации гармонических сигнала перед излучением синхронно модулируют по фазе одной и той же псевдослучайной двоичной последовательностью с девиацией фазы 180°.

Нами был выбран метод определения координат мобильного робота с помощью исследования показателя уровня принимаемого сигнала. Измеряется сигнал приёмником по логарифмической шкале в децибелах. В качестве опорных точек нами были использованы модули NRF24L01, способные работать как приёмником, так и передатчиком. Программирование осуществлялось на платах Arduino Uno. Однако на практике нами был выявлен существенный минус. Поскольку невозможно определять расстояние по времени, так как в локальной навигации объектов расстояния малы, а скорости передачи огромны и модули не успевают установить разницу во времени. В связи с этим точность определения координат оказалась невелика. Объект получил возможность ориентирования на местности, не обладая высокой точностью.

Выводы. Использованный нами способ не дал точного определения координат робота. Для решения этой задачи в будущем будет использован другой метод локальной радионавигации. К тому же нами разрабатываются и другие способы ориентирования в пространстве, такие как определение координат с помощью ультразвука, а также методы инерциальной навигации. В будущем интегрирование этих способов определения координат позволит нам устанавливать намного более точно положение объекта в пространстве.

Литература

Белавин О.В. Основы радионавигации // учеб. пособие для студентов радиотехн. специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. – М.: Советское радио, 1977. – 320 с.

Финкельштейн М.И. Основы радиолокации // - М.: Радио и связь, 1983.

http://robot-develop.org/archives/484

Патент РФ 2588057 Способ определения местоположения объектов для систем локальной навигации // Патент РФ 2588057. 27.06.2016 Бюл. № 18 / Шеболков В.В., Дорух И.Г.

Код для цитирования: Скопировать