Unter Navigation bezeichne man das sich Zurechtfinden in einem geografischen Raum, um einen bestimmten Ort zu erreichen. Die Tätigkeit des Navigierens besteht aus drei Teilbereichen:
- Bestimmen der geografischen Position durch Ortung nach verschiedensten Methoden
- Berechnen des Weges zum Ziel und
- Führung des Fahrzeugs zu diesem Ziel, also vor allem das Halten des optimalen Kurses
Es ist also eine zentrale Aufgabe beim Bau von Robotern. Es ist sogar das Thema, das einen besonders großen Reiz auf die Bastler ausübt.
Inhaltsverzeichnis
Ein mobiler Roboter der durch Bewegung mit seiner Umgebung in Kontakt tritt, braucht Sensoren zur Orientierung und er wird auch eine einfache Navigation durchführen.
Orientierung in natürlicher Umgebung
Im einfachsten Fall werden es Berührungssensoren sein, mit denen der Roboter feststellt, ob ein Hindernis direkt vor ihm oder in seiner Reichweite ist. Auch beim Einsatz von komplexeren Sensoren zur berührungslosen Orten von natürlichen Hindernissen sind einfache Kontaktsensoren zur Unterstützung sinnvoll. Mit diesen Sensoren kann eine Orientierung aufgebaut werden, wenn Objekte der natürlichen Umgebung erkannt und in der Position registriert werden. Sie können beispielsweise in eine Karte eingetragen werden. Die sogenannte natürliche Umgebung ist dabei in vielen Fällen speziell im Indoor-Bereich kaum von der Natur geschaffen, es sind hier vor allem Wände, Türen, Möbel. Sie wird nur so genannt, weil sie andererseits nicht zur Orientierung geschaffen wurde.
Ortung durch Berührung
Üblicherweise sind das Mikro-Schalter, die über eine Stoßstange (BUMPER) den passiven oder aktiven Kontakt mit einem Hindernis erkennen.
- Aktiver Kontakt - der Robby ist beim Fahren drangestoßen (Tischbein)
- Passiver Kontakt - Irgendwas hat den Robby berührt, z.B. die Hauskatze
Den Unterschied kann der Roboter nur feststellen, wenn er seine momentane Bewegungsrichtung weiß und berücksichtigt.
Bei einfachen Systemen wird meist so vorgegangen:
- Bumper rechts: etwas nach links drehen
- Bumper links: etwas nach rechts drehen
- Beide Bumper: umdrehen
Berührungslose Ortung
Zur berührungslosen Orientierung an Objekten in der Umgebung kann der Roboter selbst ein akustisches oder optisches Testsignal aussenden und damit die Umgebung abtasten, oder er kann sich am Bild der Umgebung orientieren.
1. Akustische Abtastung
1.a. Akustischer Reflexkoppler
Bei der akustischen Abtastung des Raumes stellt die "Einparkhilfe" die einfachste Lösung dar. Hier wird eine Sende- und eine Empfangskapsel über einen Verstärker gekoppelt und wenn im Bereich des Sensors ein Hindernis die Kopplung zwischen beiden erhöht, dann kommt es zum Anschwingen und damit zur Anzeige eines Hindernisses. Das Verfahren ist einfach billig und läßt allenfalls senkrecht vor einer glatten Wand eine Bestimmung des Abstands zu. Beispiel: Einparkhilfe Bild
1.b. Akustische Laufzeitmessung
Etwas aufwendiger und genauer arbeiten die Ultraschallsensoren mit Laufzeitmessung. Hier wird ein Ultraschall-Impuls von 8-16 Perioden Dauer ausgesendet und es wird die Zeit gemessen bis das Echo eintrifft. Mit diesen Verfahren kann ganz konkret die Zeit bis zum ersten Echo gemessen und über die Schallgeschwindigkeit der Abstand bestimmt werden. Die Genauigkeit liegt dabei im cm-Bereich.
2. Optische Abtastung
2.a. Optischer Reflexkoppler
Bei den optischen Verfahren gibt es auch den einfachen Fall des Reflexsensors. Ein integrierter Sensor IC gibt Stromimpulse für eine IR LED aus und detektiert die Echos die diesem Impulsmuster entsprechen. Man erreicht damit eine gute Unterdrückung der Umgebungshelligkeit aber wie auch im akustischen Fall ist das Verfahren sehr von den Reflexionseigenschaften des Objektes abhängig und lässt kaum eine Bestimmung des Abstandes zu. Beispiel IRF471 Bild
2.b. Optische Triangulation
Sehr viel genauer arbeiten die Sensoren, die den Abstand bis zu einem Hindernis Trigonometrisch vermessen. Sie bestehen aus einer IR Diode und einem Empfänger, die zusammen mit einer Steuerung in einem Modul integriert sind. Die Impulse werden wieder nach einen Schema zur Unterdrückung der Umgebungshelligkeit ausgesendet und detektiert. Hier aber handelt es sch um einen gebündelten Lichtstrahl, der auf das Hindernis trifft und der seitlich versetzte Empfänger eine Position Sensitive Device (PSD) misst aus welchen Winkel das Licht reflektiert wird und setzt es den Winkel in einen Spannungswert um. Beispiel Sharp GP2D12
http://www.roboternetz.de/bilder/gp2d12-nb.jpg
http://www.roboternetz.de/wiki/uploads/Main/gp2d12diagram_a.jpeg
2.c. Optische Laufzeitmessung
Auch bei den optischen Verfahren gibt es Sensoren, die nach dem Laufzeitprinzip arbeiten. Sie sind allerdings bis heute Messgeräte die noch so groß sind, dass sie kaum als Sensoren in Robotern eingesetzt werden. Ein vielversprechender Ansatz einen Sensor als Modul zu realisieren wurde vor ein paar Monaten von Fraunhofer Institut vorgestellt. Bericht Fraunhofer
3. Bildverarbeitung
Das Beispiel der optischen Abtastung mit trigonometrischer Messung funktioniert nicht nur mit einem PSD sondern auch mit einer Kamera mit der man den Winkel misst unter dem der Teststrahl auf dem Objekt erscheint. Darüber hinaus ist es natürlich auch möglich das Bild der Umgebung mit zwei Kameras stereoskopisch aufzunehmen und durch Bildverarbeitung die Abstände zu den einzelnen Objekten zu bestimmen.
Orientierung an künstlichen Markierungen
1. Passive Markierungen
Künstliche Markierungen sind solche, die speziell zur Markierung geschaffen oder, zur Orientierung ausgewählt und beschrieben sind. Ein typisches Beispiel für künstliche Markierungen sind Reflexmarken am Ende eines Gangs durch den ein Roboter fahren soll. Er kann sich zunächst leicht an Verlauf des Gangs orientieren, zur Bestätigung, dass genau an einer bestimmten Stelle abgebogen werden soll, wird man zusätzlich eine Reflexmarke anbringen. Vorteilhaft ist eine passive Marke, die nicht mit Energie versorgt werden muß, denn die geringe Energie die Marke zu finden kann der autonom fahrende Roboter leicht selbst aufbringen.
Viel häufiger als einzelne Reflexmarken sind noch dunkle Linien anzutreffen, denen ein Roboter folgen soll. Viele Einsteiger-Modelle wie die Modelle von Lego und natürlich auch ASURO sind dafür ausgerüstet. Am vorderen Ende des Fahrzeugs ist dazu eine Beleuchtung angebracht, die auf den Boden vor dem Fahrzeug gerichtet ist. Es reichen dann zwei lichtempfindliche Sensoren rechts und links von der Linie aus, die Spurverfolgung zu kontrollieren und Abweichungen zu melden. Der Abstand vom Drehpunkt des Fahrzeugs im Zusammenspiel mit der Fahrtregelung ermöglichen dann unterschiedlich schnelle und sichere Aktionen zum halten der Spur bei rascher Verfolgung der Linie.
2. Aktive Markierungen
Sende Baken induktive Begrenzungsschleifen
Als Koppelnavigation wird die laufende Ortsbestimmung aus Kurs und Geschwindigkeit bezeichnet. Die so bestimmte Position wird auch als Koppelort bezeichnet.
Ausgehend von Position Richtung, Geschwindigkeit und Dauer festlegen.
Gezielte Vorgaben Kontrolle
Odometrie
Richtung Geschwindigkeit Einschaltdauer Encoder, Rad Maus, optische Maus Schrittmotoren
Beschleunigung Winkelbeschleunigung
Globale Orientierung
Globale Felder Erdmagnetfeld Luftdruck GPS
Kompass Höhenmesser
natürliche Felder zur globalen Orientierung Erdmagentfeld, barometrischer Luftdruck
GPS
Ultimativ, aber für kleine Roboter und auch in geschlossenen Räumen nur bedingt zu verwenden, ist wohl das
Siehe auch
