Системы автономного управления мобильными роботами

Сканирующий лидар HOKUYO
Сканирующий лидар SICK
Лидар Velodyne
Гугл-мобиль

SRX 1 — это колёсный робот, способный автоматически ездить по заданному маршруту. Причем, это не Луноход, который двигался под управлением оператора по изображению, полученному с его видеокамер. Это автономное транспортное средство, которое самостоятельно выбирает себе маршрут движения в рамках заранее определённой топологии путей проездов. И в тоже время, это не марсианский ровер, который исследует незнакомую поверхность и совершает низкоскоростные перемещения, рискуя в любой момент времени свалиться в расщелину. Роботу SRX 1 известна карта местности, где он совершает проезды, и известны дорожки, по которым эти проезды совершать предпочтительно. Конечно, в случае обнаружения препятствия, например, упавшей ветки, робот выберет маршрут объезда, но, в любом случае, езда по дорожкам совершается на большей скорости. Основной особенностью системы управления движением робота является его уникальная технология определения своего местоположения в пространстве.

Навигация мобильных роботов

В большинстве проектов, решающих задачу навигации роботов, используются сканирующие лидары. Это дорогостоящие оптико-механические устройства, представляющие собой лазерный радар с механизмом круговой или секторной развёртки. При помощи вращающегося зеркала лазерный луч перемещается в плоскости сканирования, при встрече с препятствием происходит его переотражение. Поскольку источник излучения обеспечивает высокую когерентность, сравнив фазы излучённой и принятой световой волны, можно вычислить расстояние до препятствия. В итоге строится круговая развертка окружающего лидар пространства. Наряду с высокой сложностью, и, как следствие — высокой стоимостью лазерного сканирующего лидара, устройству присущи и другие недостатки. Свойства отражающей поверхности и угол её наклона к плоскости луча влияют на дальность и точность измерения. В некоторых системах навигации роботов это решается многолучевым сканированием поверхности, но это приводит к ещё большему удорожанию изделия, а кодовое разделение, необходимое при многолучевом приёме предъявляет высокие требования к производительности вычислителя, обрабатывающего принимаемые сигналы. Как излучатель, так и приемник лазерного излучения чувствительны к пыли и грязи, которая может оседать на оптических элементах в процессе эксплуатации, механическая система развертки — потенциально малонадежный элемент в условиях внедорожной эксплуатации. Кроме того, лидар — активное устройство, потребляющее десятки ватт мощности, причём, максимальная дальность сканирования определяется максимально возможной излучаемой мощностью лазера и отношением сигнал/шум в точке переотражения. Поскольку мы обсуждаем навигацию мобильных роботов на улице, этот параметр может быть значительно ухудшен в условиях попадания прямого солнечного света на переотражающий лазерный луч объект.

В результате вышеизложенного, дальность действия сканирующего лидара, пригодного для использования на движущемся роботе, не превышает сотни метров в случае использования многолучевых лидаров компании Velodyne, и заметно меньшая при использовании однолучевых лидаров компаний Sick и Hokyuo. Несмотря на цену многолучевого лидара в несколько десятков тысяч долларов, в автомобиле с автоматическим вождением, разрабатываемом корпорацией Google, используется именно это решение.

Сложность конструкции сканирующих лидаров можно оценить по фото их внутреннего устройства на примере Лидаров компаний Velodyne и Sick.

Техническое зрение в системе управления движением

В системе управления движением и навигации роботов серии SRX используется иной подход, исключающий применение лидаров. В рамках рассматриваемой задачи автономного движения самодвижущегося транспортного средства необходимо решить две задачи: определить свое текущее местоположение и построить траекторию предстоящего проезда, свободную от препятствий. Первая задача решается системой визуального определения местоположения, источником данных для нее является вперёдсмотрящая видеокамера. Изображение с движущегося робота анализируется на предмет выделения особых точек, их уникальный ансамбль позволяет при повторном анализе изображения, на новом кругу проезда, достоверно определить свое местоположение. Уникальность используемого алгоритма позволяет говорить о инвариантности выделенных особых точек к различным условиям видеосъёмки, будь то день или ночь. В тоже время, его адаптивность позволяет скомпенсировать климатические изменения сезонного характера, столь характерные для средней полосы России.

Задача обнаружения препятствий, встречающихся на пути движения робота, весьма типичная для применения лидаров. Однако, в роботах SRX с этой задачей справляется стерео видеокамера. Построение карты глубины пространства перед стерео видеокамерами, а соответственно, на пути движения робота, позволяет выбрать свободный от препятствий путь проезда. Геометрические размеры консоли робота ограничивают стереобазу видеокамер двумя десятками сантиметров, однако, это расстояние позволяет построить достоверную карту глубины дальности до 5 метров.

Таким образом, вся система управления движением и определения местоположения робота реализована исключительно при помощи видеоанализа изображения от бортовых камер робота, в ней не используются ни дорогостоящие сканирующие лидары, ни высокоточные дифференциальные спутниковые системы определения местоположения.

Методика применения колесных роботов серии SRX подразумевает повторные проезды по ранее пройденному маршруту. Это позволяет накапливать информацию, ускоряющую процесс определения местоположения на маршруте, что повышает скорость движения беспилотного транспортного средства.