Với sự cải tiến không ngừng của công nghệ cảm biến, công nghệ thông minh và công nghệ điện toán, robot di động thông minh sẽ có thể thực hiện vai trò của con người trong sản xuất và đời sống. Vậy các khía cạnh chính của công nghệ định vị robot di động là gì? Kết luận rằng hiện tại, robot di động chủ yếu có năm công nghệ định vị này.
Công nghệ định vị và định vị siêu âm cho robot di động
Nguyên lý hoạt động của định vị và dẫn đường bằng sóng siêu âm cũng tương tự như của tia laser và tia hồng ngoại. Thông thường, sóng siêu âm được phát ra từ đầu dò phát của cảm biến siêu âm, và sóng siêu âm quay trở lại thiết bị nhận khi gặp vật cản trong môi trường.
Bằng cách nhận tín hiệu phản xạ siêu âm do chính nó truyền đi, và tính toán khoảng cách lan truyền s theo chênh lệch thời gian và tốc độ lan truyền của quá trình truyền siêu âm và nhận tiếng vang, có thể thu được khoảng cách từ chướng ngại vật đến robot, tức là có một công thức : S=TV / 2, trong đó T - chênh lệch thời gian giữa quá trình truyền và nhận sóng siêu âm; V - vận tốc truyền sóng của sóng siêu âm trong môi trường.
Tất nhiên, nhiều robot di động sử dụng các thiết bị truyền và nhận riêng biệt trong công nghệ dẫn đường và định vị. Nhiều thiết bị nhận được bố trí trong bản đồ môi trường và các đầu dò truyền được cài đặt trên rô bốt di động.
Trong điều hướng và định vị của rô bốt di động, rất khó để có được đầy đủ thông tin về môi trường xung quanh do các khuyết tật của cảm biến siêu âm, chẳng hạn như phản xạ đầu dò và góc chùm hạn chế. Do đó, hệ thống cảm biến siêu âm bao gồm nhiều cảm biến thường được sử dụng để thiết lập mô hình môi trường tương ứng, Thông tin do cảm biến thu thập được truyền đến hệ thống điều khiển của robot di động thông qua giao tiếp nối tiếp. Sau đó, hệ thống điều khiển thông qua một thuật toán nhất định để xử lý dữ liệu tương ứng theo tín hiệu thu thập được và mô hình toán học đã thiết lập, đồng thời có thể thu được thông tin môi trường vị trí của robot.
Do có ưu điểm là giá thành rẻ, tốc độ thu thập thông tin nhanh và độ phân giải cao, nên cảm biến siêu âm đã được sử dụng rộng rãi trong điều hướng và định vị của robot di động từ lâu. Hơn nữa, nó không cần công nghệ hình ảnh phức tạp khi thu thập thông tin môi trường, vì vậy nó có tốc độ khác nhau nhanh và hiệu suất thời gian thực tốt.
Công nghệ định vị và điều hướng trực quan của robot di động
Trong hệ thống định vị và dẫn đường trực quan, chế độ dẫn đường lắp đặt camera hành trình xe trong robot dựa trên tầm nhìn cục bộ được sử dụng rộng rãi trong và ngoài nước. Trong chế độ điều hướng này, thiết bị điều khiển và thiết bị cảm biến được tải trên thân robot và các quyết định cấp cao như nhận dạng hình ảnh và lập kế hoạch đường đi sẽ được hoàn thành bởi máy tính điều khiển trên bo mạch.
Hệ thống định vị và dẫn đường trực quan chủ yếu bao gồm: camera (hoặc cảm biến ảnh CCD), thiết bị số hóa tín hiệu video, bộ xử lý tín hiệu nhanh dựa trên DSP, máy tính và các thiết bị ngoại vi của nó, ... Hiện nay, nhiều hệ thống robot sử dụng cảm biến ảnh CCD. Phần tử cơ bản là một hàng phần tử hình ảnh silicon. Các phần tử cảm quang và thiết bị truyền điện tích được cấu hình trên một chất nền. Thông qua việc chuyển phí tuần tự, các tín hiệu video của nhiều pixel được đưa ra chia sẻ theo thời gian và tuần tự. Ví dụ: độ phân giải của hình ảnh được thu thập bởi cảm biến CCD khu vực có thể từ 32 × 32 đến 1024 × 1024 pixel, v.v.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị và dẫn đường trực quan chỉ đơn giản là xử lý môi trường xung quanh robot một cách quang học. Đầu tiên, máy ảnh được sử dụng để thu thập thông tin hình ảnh, nén thông tin đã thu thập, sau đó đưa nó trở lại hệ thống con học tập bao gồm mạng nơ-ron và các phương pháp thống kê, sau đó hệ thống con học tập kết nối thông tin hình ảnh thu thập được với vị trí thực tế của robot để hoàn thành chức năng điều hướng và định vị tự động của robot.
Hệ thống định vị toàn cầu
Ngày nay, trong việc ứng dụng công nghệ định vị và điều hướng robot thông minh, phương pháp định vị động vi sai phạm vi giả thường được áp dụng. Bộ thu tham chiếu và bộ thu động được sử dụng để quan sát bốn vệ tinh GPS cùng nhau, và tọa độ vị trí ba chiều của robot tại một thời điểm và thời điểm nhất định có thể thu được theo một thuật toán nhất định. Định vị động khác biệt giúp loại bỏ lỗi đồng hồ vệ tinh. Đối với người dùng cách xa trạm tham chiếu 1000 km, nó có thể loại bỏ lỗi đồng hồ vệ tinh và lỗi tầng đối lưu, do đó có thể cải thiện đáng kể độ chính xác định vị động.
Tuy nhiên, trong điều hướng di động, độ chính xác định vị của bộ thu GPS di động bị ảnh hưởng bởi điều kiện tín hiệu vệ tinh và môi trường đường xá, cũng như lỗi đồng hồ, lỗi lan truyền, nhiễu máy thu và nhiều yếu tố khác. Do đó, độ chính xác định vị và độ tin cậy của định vị GPS chỉ là thấp. Do đó, la bàn từ và đĩa mã quang và dữ liệu GPS để dẫn đường. Ngoài ra, hệ thống định vị GPS không thích hợp cho các hệ thống định vị rô bốt trong nhà hoặc dưới nước và các hệ thống rô bốt có độ chính xác vị trí cao.
Công nghệ định vị và định vị phản xạ quang học cho robot di động
Phương pháp định vị và dẫn đường phản xạ quang học điển hình chủ yếu sử dụng cảm biến laser hoặc hồng ngoại để đo khoảng cách. Cả tia laser và tia hồng ngoại đều sử dụng công nghệ phản xạ ánh sáng để điều hướng và định vị.
Hệ thống định vị toàn cầu bằng laser nói chung bao gồm cơ chế quay laser, gương, thiết bị nhận quang điện và thiết bị thu nhận và truyền dữ liệu.
Trong quá trình hoạt động, tia laser được phát ra bên ngoài thông qua cơ chế gương xoay. Khi quét ký hiệu đường hợp tác bao gồm gương phản xạ ngược, ánh sáng phản xạ được bộ thu quang điện xử lý như tín hiệu phát hiện, bắt đầu chương trình thu thập dữ liệu, đọc dữ liệu đĩa mã của cơ cấu quay (giá trị góc đo được của mục tiêu) , và sau đó truyền nó đến máy tính phía trên để xử lý dữ liệu thông qua giao tiếp, Theo vị trí đã biết và thông tin phát hiện của biển báo đường, vị trí hiện tại và hướng của cảm biến trong hệ tọa độ biển báo đường bộ có thể được tính toán, để đạt được mục đích của việc điều hướng và định vị xa hơn.
Tia laser có ưu điểm là chùm tia hẹp, song song tốt, tán xạ nhỏ và độ phân giải theo hướng phạm vi cao, nhưng nó cũng bị nhiễu rất nhiều bởi các yếu tố môi trường. Vì vậy, làm thế nào để khử tín hiệu thu được khi sử dụng tia laser cũng là một vấn đề lớn. Ngoài ra, có những vùng mù trong phạm vi laser, vì vậy rất khó để nhận ra điều hướng và định vị chỉ bằng laser, Trong các ứng dụng công nghiệp, nó thường được sử dụng trong phát hiện lĩnh vực công nghiệp trong một phạm vi cụ thể, chẳng hạn như phát hiện các vết nứt đường ống.
Công nghệ cảm biến hồng ngoại thường được sử dụng trong hệ thống tránh chướng ngại vật đa khớp của robot để tạo thành một vùng rộng lớn của robot" da nhạy cảm" ;, bao phủ bề mặt của cánh tay robot và có thể phát hiện các đối tượng khác nhau gặp phải trong hoạt động của cánh tay robot.
Một cảm biến hồng ngoại điển hình bao gồm một điốt phát sáng trạng thái rắn có thể phát ra ánh sáng hồng ngoại và một điốt quang trạng thái rắn được sử dụng làm bộ thu. Tín hiệu điều chế được truyền bởi ống phát ánh sáng hồng ngoại, và ống cảm quang hồng ngoại nhận tín hiệu điều chế hồng ngoại do mục tiêu phản xạ. Việc loại bỏ nhiễu ánh sáng hồng ngoại xung quanh được đảm bảo bằng điều chế tín hiệu và bộ lọc hồng ngoại đặc biệt. Gọi tín hiệu đầu ra VO đại diện cho đầu ra điện áp của cường độ ánh sáng phản xạ, khi đó VO là hàm của khoảng cách giữa đầu dò và phôi: VO=f (x, P), trong đó p - hệ số phản xạ của phôi. P liên quan đến màu sắc bề mặt và độ nhám của mục tiêu. X - khoảng cách giữa đầu dò và phôi.
Khi phôi là một mục tiêu tương tự với cùng giá trị p, X và VO tương ứng với nhau. X có thể nhận được bằng cách nội suy dữ liệu thực nghiệm của phép đo độ gần của các mục tiêu khác nhau. Bằng cách này, vị trí của rô bốt từ đối tượng mục tiêu có thể được đo bằng cảm biến hồng ngoại, sau đó rô bốt di động có thể được điều hướng và định vị bằng các phương pháp xử lý thông tin khác.
Mặc dù định vị bằng cảm biến hồng ngoại cũng có ưu điểm là độ nhạy cao, cấu trúc đơn giản và giá thành rẻ, vì độ phân giải góc cao và độ phân giải khoảng cách thấp nên chúng thường được sử dụng làm cảm biến tiệm cận trong rô bốt di động để phát hiện chướng ngại vật đang đến gần hoặc chuyển động đột ngột, rất tiện lợi. cho người máy để ngăn chặn chướng ngại vật trong trường hợp khẩn cấp.
Công nghệ Slam
Hầu hết các doanh nghiệp robot dịch vụ hàng đầu trong ngành áp dụng công nghệ slam. Công nghệ slam là gì? Tóm lại, công nghệ slam đề cập đến toàn bộ quá trình định vị robot, lập bản đồ và lập kế hoạch đường đi trong một môi trường không xác định.
Slam (bản địa hóa và lập bản đồ đồng thời), kể từ khi nó được đề xuất vào năm 1988, chủ yếu được sử dụng để nghiên cứu trí thông minh của chuyển động của robot. Đối với môi trường trong nhà hoàn toàn không xác định, việc trang bị các cảm biến cốt lõi như công nghệ lidar, slam có thể giúp robot xây dựng bản đồ môi trường trong nhà và giúp robot đi lại độc lập.
Vấn đề SLAM có thể được mô tả là: robot bắt đầu di chuyển từ một vị trí không xác định trong một môi trường không xác định, tự định vị theo ước tính vị trí và dữ liệu cảm biến, đồng thời xây dựng bản đồ gia tăng.
Các phương pháp triển khai của công nghệ slam chủ yếu bao gồm vSLAM, WiFi slam và lidar slam.
1. VSLAM (SLAM trực quan)
Nó đề cập đến việc điều hướng và khám phá với các camera độ sâu như camera và Kinect trong môi trường trong nhà. Nguyên lý hoạt động của nó chỉ đơn giản là tiến hành xử lý quang học đối với môi trường xung quanh của robot. Đầu tiên, máy ảnh được sử dụng để thu thập thông tin hình ảnh, nén thông tin đã thu thập, sau đó đưa nó trở lại hệ thống con học tập bao gồm mạng nơ-ron và các phương pháp thống kê, sau đó hệ thống con học tập kết nối thông tin hình ảnh thu thập được với vị trí thực tế của robot, Hoàn thành chức năng điều hướng và định vị tự động của robot.
Tuy nhiên, vSLAM trong nhà vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và còn lâu mới có thể ứng dụng vào thực tế. Một mặt, khối lượng tính toán quá lớn, đòi hỏi hiệu suất hoạt động của hệ thống rô bốt phải cao; Mặt khác, các bản đồ được tạo bởi vSLAM (hầu hết là các đám mây điểm) không thể được sử dụng để lập kế hoạch đường đi cho robot, điều này cần được khám phá và nghiên cứu thêm.
2．Wifi － SLAM
Nó đề cập đến việc sử dụng nhiều thiết bị cảm biến trong điện thoại thông minh để định vị, bao gồm WiFi, GPS, con quay hồi chuyển, gia tốc kế và từ kế, đồng thời vẽ bản đồ chính xác trong nhà từ dữ liệu thu được thông qua máy học, nhận dạng mẫu và các thuật toán khác. Nhà cung cấp công nghệ này đã được apple mua lại vào năm 2013. Không biết Apple có áp dụng công nghệ đóng sóng WiFi cho iPhone hay không, để mọi người dùng iPhone tương đương với việc mang theo một con rô bốt vẽ nhỏ. Không còn nghi ngờ gì nữa, việc định vị chính xác hơn không chỉ có lợi cho bản đồ mà còn làm cho tất cả các ứng dụng phụ thuộc vào vị trí (LBS) chính xác hơn.
3．Lidar SLAM
Nó đề cập đến việc sử dụng lidar như một cảm biến để thu thập dữ liệu bản đồ, để robot có thể nhận ra vị trí đồng bộ và xây dựng bản đồ. Về bản thân công nghệ, nó đã khá trưởng thành sau nhiều năm kiểm chứng, nhưng nút thắt cổ chai do chi phí cao của lidar' cần phải được giải quyết khẩn cấp.
Những chiếc xe không người lái của Google sử dụng công nghệ này. Chiếc lidar lắp trên mái nhà đến từ công ty velodyne của Hoa Kỳ và được bán với giá hơn 70000 USD. Chiếc lidar này có thể phát ra 64 tia laze ra xung quanh khi quay với tốc độ cao. Khi tia laser chạm vào các vật thể xung quanh và quay trở lại, nó có thể tính toán khoảng cách giữa thân xe và các vật thể xung quanh. Sau đó, hệ thống máy tính sẽ vẽ một bản đồ địa hình 3D tốt theo những dữ liệu này, và sau đó kết hợp nó với bản đồ có độ phân giải cao để tạo ra các mô hình dữ liệu khác nhau cho hệ thống máy tính trên bo mạch. Lidar chiếm một nửa giá thành của toàn bộ phương tiện, đây cũng có thể là một trong những lý do khiến xe không người lái của Google' không thể sản xuất hàng loạt.
Lidar có đặc điểm là định hướng mạnh mẽ, có thể đảm bảo hiệu quả độ chính xác của điều hướng và thích ứng với môi trường trong nhà. Tuy nhiên, lidar slam đã không hoạt động tốt trong lĩnh vực điều hướng trong nhà bằng robot, vì giá của lidar quá đắt.