Дипломная работа: Система навигации мобильного робота
Основные преимущества картографического позиционирования приведены ниже:
а) она, естественно, используется на местности со структурой типичной для помещения и получает информацию о положении в окружении, не изменяя его;
б)она может быть использована для создания и обновления карты местности. Карты местности играю большую роль в других МР задачах, например при глобальном планировании пути;
в) она позволяет роботу изучить новую местность и повышает точность позиционирования при ее (местности) исследовании.
Недостатки картографической навигации связаны со следующими требованиями:
а) на местности должно быть достаточное количество стационарных, хорошо различимых деталей, по которым будет производиться сопоставление сенсоров должно быть ровно столько, сколько необходимо (в зависимости от поставленной задачи);
б) должна быть доступна значительная чувствительная и вычислительная мощность.
Проблема построения карты очень тесно связана с возможностями восприятия, она может быть определена следующим образом: «что сенсоры способны увидеть из заданного положения робота с данным множеством измерений?».
Представление, используемое для карты, должно обеспечивать возможность объединения на карте новой информации, поступающей от сенсоров. Также оно должно доставлять необходимую информацию для планирования маршрута и уклонения от препятствий.
Три главных шага в обработке сенсорных данных для построения карты:
а) извлечение характерных признаков из необработанных сенсорных данных;
б) объединение данных от сенсоров различных типов;
в) автоматизированное создание абстрактной модели местности.
Один из самых энергоемких аспектов картографической навигации – сопоставление карт. Сопоставление происходит при первоначальном извлечении характерных признаков, далее определяется точное соответствие между изображением и характеристиками модели. Работа по сопоставлению карт в сфере машинного зрения чаще всего фокусируется на общей проблеме сопоставления изображения, полученного из случайного положения и ориентации, по отношению к модели.
Алгоритмы сравнения можно разделить на алгоритмы, основанные на анализе изображения и основанные на анализе характерных признаков. Первые отличаются от вторых тем, что, во-первых, по карте сопоставить данные очень информативной точки на местности проще, чем данные представляющие собой малый набор особенностей. Вычисления в алгоритмах основанных на анализе характерных признаков быстрее, чем в алгоритмах основанных на анализе изображения и не требуют хороших предварительных головных вычислений. А вычисления в алгоритмах основанных на анализе изображения могут выполняться на меньшем количестве точек, чем требуется для вычисления в алгоритмах основанных на анализе характерных признаков, могут управляться не идеальной моделью местности и являются более точными.
Как и в навигации по ориентирам, выгодно использовать приблизительное вычисление положения, основанные на одометрии, для создания примерной визуальной сцены (по имеющейся карте), которую будет «видеть» робот. Далее, эта созданная сцена сравнивается с тем, что сейчас видит робот. Эта процедура эффективно снижает время необходимое для нахождения соответствий.
Одна из проблем систем позиционирования, основанных на анализе характерных признаков, заключается в том, что окрестность, находящаяся недалеко от положения робота, неопределенна. На практике это серьезная проблема, особенно если для установления характерных признаков используются ультразвуковые сенсоры, которые страдают недостаточным угловым разрешением.
В картографическом позиционировании выделяют два общих способа представления карт: геометрическое и топологическое. На геометрической карте объекты представляются в соответствии с их абсолютными геометрическими отношениями. Это может быть сеточная карта или более абстрактная линейная или полигональная карта. С другой стороны - топологический подход, он больше базируется на протоколировании геометрических отношений между отслеженными особенностями, чем на их абсолютное положение в координатах относительно некоторой системы отсчета. В отличии от геометрических карт, топологические карт могут строиться и поддерживаться без какой-либо положения робота. Как результат, этот подход может использоваться для интеграции карт больших территорий, так как все связи между узлами скорее относительные, чем абсолютные [8].
3.2 Выбор модели представления знаний в системе навигации
Навигация мобильных роботов является актуальной задачей современной робототехники. При этом процесс навигации включает в себя следующие этапы:
а) составление карты среды;
б) коррекция траектории движения робота;
в) планирование маршрута (выбор оптимального пути, ведущего к цели);
г) управление локальными перемещениями;
д) обход роботом опасных участков трассы.
Алгоритмическое решение этих задач, очевидно, должно опираться на информацию о рельефе поверхности, которая может быть известна априори, дополняться в процессе перемещения робота. Для прокладки маршрута используется глобальная информация о районе перемещения, например, в виде матрицы рельефа, каждый элемент которой соответствует определенному участку поверхности. Индексы отдельного элемента матрицы определяют линейные координаты участка местности, а значение элемента – относительную высоту этого участка.
Управление локальными перемещениями по известному маршруту осуществляется на основании информации о характере поверхности в ближней окрестности робота.
Если определить маршрут движения как последовательность опорных пунктов (подцелей) движения, включающую исходное и конечное (целевое) положения робота, то задача прокладки маршрута включает формирование некоторого множества подцелей и последующий выбор такого его подмножества, которое оптимизирует движение робота.
Процессу прокладки маршрута движения робота предшествует составление карты среды. С локальными перемещениями робота связаны задачи коррекции траектории движения и обхода опасных участков поверхности.