Návod na cvičenie: Rekonštrukcia trajektórie a mapovanie bludiska

Cieľ cvičenia

Cieľom tohto cvičenia je prakticky si vyskúšať zber a spracovanie surových dát z mobilného robota. Úlohou je manuálne prejsť s robotom neznáme bludisko a následne zo zaznamenaných dát (odometria, gyroskop a lidar) zrekonštruovať mapu prostredia a presnú trajektóriu pohybu robota.

Technický opis zariadení

Mobilná platforma Kobuki

Kobuki je nízkonákladová mobilná platforma s diferenciálnym podvozkom, určená na výskum a vzdelávanie. Robot je vybavený dvoma pohonnými kolesami a pomocnými pasívnymi kolieskami pre stabilitu. Obsahuje inkrementálne enkodéry na motoroch a interný jednoosový gyroskop na meranie uhlovej rýchlosti a natočenia.

Laserový skener RPLidar A1

RPLidar A1 je 2D laserový skener (LIDAR) pracujúci na princípe triangulácie. Senzor rotuje v rozsahu 360 stupňov a meria vzdialenosti k prekážkam. Je umiestnený v geometrickom strede robota Kobuki, čo zjednodušuje transformáciu súradníc.

Technické parametre

Z nasledujúcich tabuliek vyberte parametre relevantné pre vaše výpočty.

Parametre robota Kobuki
Parameter	Hodnota
Maximálna translačná rýchlosť	70 cm/s
Maximálna rotačná rýchlosť	180 deg/s
Rázvor kolies (L)	230 mm
Rozlíšenie enkodéra	2578.33 ticks/wheel rev
Hustota impulzov	11.7 ticks/mm
Frekvencia senzorových dát	50 Hz
Napätie batérie	14.8 V
Hmotnosť	2.35 kg

Parametre RPLidar A1
Parameter	Hodnota
Rozsah merania	0.15 – 12 m
Uhlový rozsah	0 – 360°
Uhlové rozlíšenie	≤ 1°
Frekvencia skenovania	5.5 Hz (typická)
Smer rotácie	V smere hod. ručičiek (CW)
Napájanie	5 V / 500 mA
Presnosť vzdialenosti	< 1% (pri 12 m)

Metodika merania

Pomocou joysticku alebo klávesnice ovládajte robota v prostredí bludiska.
Prejdite všetky hlavné chodby aj slepé uličky. Pomalší a plynulý pohyb zaručuje kvalitnejšie dáta.
Počas pohybu systém automaticky ukladá dáta do súborov robot.log a laser.log.

Formát nameraných dát

Súbor robot.log

Každý riadok obsahuje jeden časový záznam:

Timestamp [us] – Čas merania v mikrosekundách.
Left Encoder – Kumulatívny počet impulzov ľavého kolesa.
Right Encoder – Kumulatívny počet impulzov pravého kolesa.
Gyro Angle [deg] – Aktuálny uhol natočenia robota v stupňoch.

Súbor laser.log

Obsahuje surové merania z lidaru:

Timestamp [us] – Synchronizačný čas.
Distance [mm] – Vzdialenosť k prekážke.
Angle [deg] – Uhol lúča voči osi robota (0° = vpred).
Quality – Kvalita odrazu (celé číslo).

Teória výpočtu

Ideálny model pohybu

V ideálnom prípade predpokladáme nekonečné rozlíšenie a nulovú chybu. Pre diferenciálny podvozok platí výpočet elementárneho posunu $\Delta s$ :

\Delta s={\frac {\Delta s_{R}+\Delta s_{L}}{2}}

Natočenie robota $\theta _{i}$ berieme priamo z gyroskopu. Nová poloha v rovine sa vypočíta integráciou:

x_{i}=x_{i-1}+\Delta s\cdot \cos(\theta _{i})

y_{i}=y_{i-1}+\Delta s\cdot \sin(\theta _{i})

Ideálne mapovanie

Bod nameraný lidarom (vzdialenosť $r$ , uhol $\alpha$ ) prenesieme do globálnej mapy pomocou natočenia robota $\theta$ :

X_{wall}=x_{R}+r\cdot \cos(\theta +\alpha )

Y_{wall}=y_{R}+r\cdot \sin(\theta +\alpha )

Praktické problémy a implementácia

Pretečenie enkodérov

Enkodéry robota sú 16-bitové nesignované integery (0 – 65535). Pri výpočte rozdielu $\Delta ticks$ musíte ošetriť skokovú zmenu hodnoty pri pretečení (overflow).

Ukážka v Matlabe:

diff = current - previous;
if diff > 32767, diff = diff - 65536; end
if diff < -32768, diff = diff + 65536; end

Ukážka v Pythone:

diff = current - previous
if diff > 32767: diff -= 65536
elif diff < -32768: diff += 65536

Uhol a smerovanie

Gyroskop vracia uhol v rozsahu ±180°. Pred interpoláciou sa odporúča použiť funkciu unwrap, ktorá odstráni skoky pri prechode cez hranicu.

Pozor: Lidar meria uhol $\alpha$ v smere CW (hodinové ručičky), zatiaľ čo goniometria v kódovacích jazykoch je CCW. Preto pri výpočte používajte záporný uhol lidaru ( $-\alpha$ ).

Synchronizácia časových značiek

Dáta z lidaru a odometrie nie sú zaznamenané v rovnakom čase. Pre každý záznam z laser.log musíte nájsť polohu robota v danom čase pomocou lineárnej interpolácie.

Matlab: interp1(robot_time, robot_x, laser_time) Python (numpy): np.interp(laser_time, robot_time, robot_x)

Úlohy

Načítajte logy a vykonajte konverziu jednotiek (impulzy -> metre, mm -> metre).
Vypočítajte trajektóriu [x, y] a vykreslite ju.
Transformujte body z lidaru do globálnych súradníc (filtrujte body s kvalitou 0 a vzdialenosťou mimo 0.15 - 6 m).
Vykreslite mapu bludiska (čierne body) a do nej vložte trajektóriu robota (farebná čiara).

Kobuki

Zo stránky SensorWiki