360° Sharp-Scanner für Mapbuilding

360° Scanner für Mapbuilding
Im Rahmen einer Semesterarbeit an der Ecole Polytechnique Fédérale Lausanne (EPFL) habe ich einen Roboteraufsatz entwickelt, der es erlaubt die Umgebung des Roboters auszumessen. Als Grundroboter dient der e-Puck, der auch an der EPFL entwickelt wurde (siehe http://asl.epfl.ch/research/systems/epuck/index.php für Details). Es handelt sich hierbei um einen Roboter mit 7cm Durchmesser, der für die Ausbildung der Studenten eingesetzt wird.

In diesem Beitrag möchte ich diesen Roboteraufsatz beschreiben, da ich denke, dass dieser einfach auch für andere Roboter übernommen werden könnte und ohne weiteres in einer Hobbywerkstatt nachgebaut werden kann. Ich werde die wichtigsten Passagen des von mir geschriebenen Berichts (75 Seiten auf Französisch) hier kurz auf Deutsch zusammenfassen.

Als erstes einmal zwei Photos des Aufbaus: Unten kann der e-Puck erkannt werden, dessen Standardaufsatz (mit Lautsprecher) durch mein Scanmodul ersetzt wurde. Der von mir gebaute Aufsatz beinhaltet die beiden PCBs (in grün) mit allen Komponenten oberhalb (Motor, Sensorfixierung und Sensoren).
Bild hier  
Bild hier  

Ziel
Dieser Roboteraufsatz kann permanent drehend die Umgebung des Roboters ausmessen. Die Daten können schlussendlich dazu genutzt werden um:
- Hindernissen auszuweichen
- Die Position des Roboters in einer bekannten Umgebung zu bestimmen
- Die Umgebung des Roboters zu erkunden um eine Umgebungskarte zu erstellen

Mapbuilding
Den letzten Punkt; das Mapbuilding möchte ich hier kurz erläutern:
Bild hier  

1. Man startet an Position A (von welcher man Position und Ausrichtung ungefähr kennt) und bewegt ein wenig vorwärts. Mit Hilfe der ausgeführten Bewegungen (Schritte des Schrittmotors) schätzt man die neue Position B.
2. Mit den Distanzsensoren wird die Erkennung der Umgebung durchgeführt (Mehrere Messungen im Kreis herum). Aus diesen Daten extrahiert man die Konturen (rot)
3. Diese werden mit der bereits erfassten Karte übereingebracht, womit die genaue Position des Roboters ermittelt werden kann (C).
4. Schlussendlich kann die Karte mit den neuen Daten erweitert werden

Der Vorgang des Mapbuildings ist sehr komplex und rechenaufwändig, aber ermöglicht sehr interessante Anwendungen, wie das erkunden unbekannter Umgebungen.

Sensoren
Der Sensorturm ist so konstruiert, dass entweder analoge Sharpsensoren oder Ultraschallsensoren (z.B. Devantech SRF10 UltraSonic) angeschlossen werden können.
Ultraschallsensoren sind eher für die Objekterkennung und das Ausweichen solcher geeignet, während die Sharpsensoren gut geeignet sind für das Mapbuilding
(Bis jetzt habe ich den Aufsatz erst mit Sharpsensoren getestet)


Permanente Drehung des Aufsatzes
Zum Einlesen der Sensordaten der ganzen Umgebung des Roboters haben wie eine permanente Drehung der Sensoren gewählt. Dies ermöglicht relativ hohe Drehgeschwindigkeiten. Eine Hin-und-her- Bewegung würde für einen so kleine Roboter zu grosse störende Trägheitsmomente aufweisen. Das ständige Beschleunigen und Abbremsen würde den Roboter bewegen und die Genauigkeit der Odometrie (Abschätzung der Position und Ausrichtung per Zählen von ausgeführter Schritte) negativ beeinflussen.
Diese Lösung bietet aber viel grössere mechanische Probleme, als eine einfache Hin-und-her- Bewegung. Die elektrischen Verbindungen können nicht einfach per Kabel übergeben werden, da sich diese aufwickeln würden.

Bild hier  

Die Schleifkontakte
Zur Lösung dieses Problems wurden Schleifkontakte eingesetzt. Diese sind im Gegensatz zu möglichen Induktiven Stromübertragungen und Funk, resp. Infrarot- Signalübertragungen einfach zu realisieren. Sie sind verhältnismässig billig herzustellen und benötigen keine zusätzliche Elektronik. Nur die Abnutzung der Kontakte und die unbekannte Zuverlässigkeit dieses Systems boten anfangs rund zum Zweifeln.

Das Prinzip der Schleifkontakte
Bild hier  

Pro elektrische Verbindung schleift je ein Kohlestift auf einer Kupferbahn. Per Klingenfeder wird dieser Stift auf die Bahn gedrückt und so der elektrische Kontakt sichergestellt.

Material
Durch die Firma Hoffmann (Österreich) habe ich geeignete Schleifkohlen gefunden.
Dimensionen: 3mm Durchmesser 6mm Höhe
Material : Kohle mit 90% Silbergehalt (gute Leitfähigkeit mit dem Vorteil der schmierenden Kohlen). Eine Seite der Stifte ist verkupfert und somit gut lötbar.
Anpressdruck: 5-15N/cm^2 <=> 0.35-1N pro Stift

Bild hier  

Hier noch einige Detailbilder zu den Kontakten.
Die Kupferbahnen sind direkt auf die PCBs geätzt, was die erstellung sehr vereinfacht.
Ich habe auf diesen Bildern absichtlich versucht die Abnutzung der Kontakte zu zeigen. Dies sind bilder nach etwa 10h konstantem Drehen.
Es kann deutlich erkannt werden, dass die Kupferbahnen bereits etwas oxidiert sind. Der Anpressdruck (in meinem Fall ca 0.8N) ermöglicht jedoch ein permanentes Abschleifen der oxidierten Schicht.

Bild hier  

Bild hier  

Antrieb
Als Antrieb wurde ein PG15S-020 Schrittmotor eingesetzt.
Maximale Drehgeschwindigkeit ~1U/sec
Zur absoluten Winkelbestimmung wurde auf dem Roboteraufsatz eine Lichtschranke angebracht. Das Licht der Lichtschranke fällt durch das Loch, das in dem Photo oben zwischen den Kupferbahnen sichtbar ist.
Per Schrittmotor und diesem absoluten Index ist es also möglich, permanent die Ausrichtung des Turmes zu kennen.

Konstruktion
Der Motor wurde verkehrt herum montiert, damit er vom Prozessor des Aufbaus gesteuert werden kann. Die Achse wird in einem Flansch (blau) auf dem unteren PCB fixiert.

Bild hier  

Die grau und blau eingefärbten Teile sind fix mit dem Roboter verbunden (Dunkelgrau; die Schleifkohlen). Die rot und gelb eingefärbten Teile drehen mit dem Motorgehäuse mit.

Fixierung der Sensoren
Diese können direkt auf eine Alublock geschraubt werden. Der Alublock wird um den Motor geklemmt

Bild hier  

Wie werden denn die Kanten von Hindernissen abgebildet die nur zum Teil vom Sensor erfasst werden?
Ergibt sich da eine Verschiebung des gemessenen Abstands?
Manfred

Programmierung/Kommunikation
Die Daten der Sensoren werden zuerst von einem PIC, der sich auf der Erweiterung befindet, empfangen und gespeichert. Der dsPIC, der sich auf dem e-Puck befindet, kann diese Daten anfordern (I2C) und sie per Bluetooth (emulierte serielle Schnittstelle) an den PC weitersenden.

Bild hier  

Per Hyperterminal kann mit dem e-Puck kommuniziert werden und viele Einstellungen vorgenommen werden (siehe Screenshots)

Bild hier  

Bild hier  

Bild hier  

Die letzte Ausgabe des Hyperterminals stellt die 80 Messungen dar, die pro Umdrehung gemacht werden. Es sind direkte AD-Werte der Sharpsensoren.

Diese müssen, um interpretiert werden zu können, zuerst linearisiert werden (siehe http://www.kreatives-chaos.com/index.php?seite=gp2d120) und können dann in Polarkoordinaten geplottet werden.

Resultate

Bild hier  

Bild hier  

Hier zweimal dieselbe Situation (Photo und 360°-Scan per Sharpsensoren geplottet in Matlab)

Bild hier  

Hier die Erfassung einer Ecke während 20 Umdrehungen. (20 Messungen pro Winkel).
--> Mauern können gut als Geraden erkannt werden
--> Einzig in den Ecken gibt es einige unpräzise Messresultate

Zur Automatisierung und bequemeren Steuerung habe ich in Matlab ein kleines GUI geschrieben, das per emulierte serielle Schnittstelle mit dem e-Puck kommunizieren kann. Damit kann ich den e-Puck steuern und gleichzeitig die Sensordaten erneuern lassen.
--> Kleines Echtzeit-Radar!!
Ca 3 Aktualisierungen des Screens pro Sekunde bei ½ Umdrehungen des Turms pro Sekunde.

Bild hier  

\:D/ macht richtig Spass mit diesem Interface etwas blind herumzufahren und die eigene Wohnung zu erkunden!! \:D/

voilà,
hoffe einige mit dieser Idee begeistert zu haben. Ist von mir aus gesehen eine einfache Methode die Sharpsensoren optimal zu nutzen.
Um die Datenflut vernünftig auszubeuten ist natürlich recht viel Programmieraufwand nötig, aber ist sicher spannend!

PS: hab das ganze bisher nur mit Sharpsensoren getestet. Ultraschallsensoren wären aber für andere Zwecke ohne weiteres auch denkbar...

ciao manfred,
ganz genau kann ich dir da nicht antwort geben. ich weiss nur, dass die sharpsensoren während den 40ms messzeit 32 messungen durchführen und den mittelwert (wohl des PSD-Widerstands??) zurückgeben. dh es ist ungefähr der mittelwert der in diesem zeitfenster überstrichenen distanzen zu erwarten.
bisher habe ich bei schnellen distanzwechseln noch keine allzu schlimmen resultate gesehen.

hoffe, dass ich deine frage richtig verstanden habe... leider kann ich dir nicht genauer antworten. die testphase des systems war recht kurz und ich bin leider bereits nicht mehr im besitz dieses Aufbaus :(

Hi,
cooles Ding...
kurze Fragen:
Mit welcher Sprache wurde das Programm auf dem Roboter geschrieben, mit welcher das Programm realTimeTest?
Gruß Michi

den dsPIC30F6014A und den PIC16F876A (von Microchip) habe ich mit MPLAB in C programmiert und das interface direkt mit Matlab.
Matlab ist zwar hardwaretechnisch nicht sehr stabil, dafür ist es sehr einfach zu bedienen und es ist einfach mit grossen datenmengen zu jonglieren (mauern erkennen, karten bilden).

Die PSD Sensoren haben eine Abstandsfunktion in der Art, wie sie hier im Bild dargestellt ist:
https://www.roboternetz.de/phpBB2/vi...?p=15756#15756

Bild hier  

Beim waagerechten Scannen und bei waagerechter Montage treten an linken und rechten Kanten
von frei stehenden Hindernissen steigende und fallende Messwerte für den Abstand auf.

Während der steigende Abstand nur zu einer Verrundung der Kante führt
ist die Spitze mit dem geringern Abstand eher störend.

Hier im Bild, bei der nicht ganz maßstäblichen Überlagerung der Bilder der Objekte und der Meswerte
ist der Kanteneffekt recht gut zu zu erkennen.

https://www.roboternetz.de/phpBB2/vi...=103103#103103

Bild hier  

Der Effekt, der beim Scannen systembedingt auftritt, kann für die vorliegende Anwendung
(2D Scan) durch senkrechte Montage vermieden werden.

Deshalb die Frage, ob der Effekt in der Bildaufnahme zu sehen ist und wie er gegebenenfalls behandelt wurde.

Manfred

hi
geiler bot
in einem deiner bilder siet man das du an den sensoren einen wiederstand angeschlossen hast.
Wozu ist der??

Geiles teil.

kann man das programm dazu irgendwo runterladen oder muss man sich das selber schreiben?

hallo zusammen

erstmals; ich befinde mich zurzeit in Mexico in den Ferien ;), werd mich also kurz halten.

--> Widerstand: Ich hab am Ausgang des Sharps einen Tiefpassfilter angebracht. Dessen Kondensator kann sich jedoch weder ueber den Prozessor noch ueber den Sharp entladen (laden via Sharp geht). Dieser Widerstand dient also dazu, den Kondensator wieder zu entladen (steht parallel zum Kondensator des Tiefpassfilters). Dieses Detail habe ich zu spaet erkannt und der Stecker des Sharps war ein geeigneter Platz zum Anbringen dieses Widerstandes.

--> Programm: hab ich selber geschrieben fuer Matlab. eigentlich kein problem zum weitergeben. nur hab ich das gerade nicht dabei auf meiner mexicoreise ;). melde dich doch nochmals per email

gruss, MicroTex

da ich dies sensoen auch bestellt habe könntest du mir die daten des rc-Passes nene dann brauch ich das rad nicht neu erfinden ;-)
Danke
Felix

naja, die genauen daten des tiefassfilters koennten lange auf sich warten lassen... wenn ich mich recht erinnere war die Grenzfrequenz bei ca 500Hz. Die genauen R und C werte weiss ich nicht auswendig. der zusaetzliche widerstand zwischen Vout und GND war 1.2k.
genaueres kann ich leider zurzeit nicht sagen

gruss, MicroTex

super danke!!
also für alle
C=1/2*Pi*R*fg
C=1/2*Pi*1200Ohm*500Hz
C= 0,000000265 F
C= 256nF oder 0,256µF
Hier würde ich dann nen Elko nehmen
Lieg ich richtig wenn das dann so aussehen nuss??

Vout--------|RRRRR|----+----- GND
|
_
- (das soll der C sein)
|
5V-------------------------+--------

hmm,
nein, das ist nicht das schema, das ich verwendet habe.
ich habe 2 widerstaende benutzt

Vout----+---|R1|----+----- Vin (A/D)
............|................|
..........[R2]...........[C]
............|................|
............|................|
GND----+------------+------GND

wenn ich mich richtig erinnere sind:
R1=10Ohm
R2=1.2k
C=470uF

ergibt ca 330Hz. Der zweck dieses filters ist, die lichtpulse (werden irgendwo in diesem forum behandelt) des Sharps zu glaetten. waerend des aussendens dieser pulse schwankt die ausgangsspannung leicht und kann mit diesem filter geglaettet werden

gruss, MicroTex

Hi
Danke.
Aber wozu soll R2 gut sein? hier fließen 4mA ins Nirwaner,oder ist das ne art spannugsteiler??
und wie kommst du auf 330Hz??

Hi,

der sieht mir aus wie ne eingangsimpedanz Anpassung....

Die Funktion des Widerstandes hat MicroTex doch weiter oben erklärt.

Die Frequenz mit diesen Werten beträgt ca. 33Hz, was anders gesagt 29ms entspricht. Da würde mich jetzt auch mal interessieren was der Tiefpass da rausfiltert. Meine Vermutung ist ja, dass es sich um die Störungen der Einzelmessungen handelt. MicroTex kannst du da vielleicht noch mal kurz was dazu sagen (sind nun die 33Hz richtig oder muss der Widerstand vielleicht 100Ohm sein).

sast

Hi
also ein Tiefpass ansich besteht immer nur aus einem Wiederstand und einem Kondensator / Spule.
http://www.elektronik-kompendium.de/...lt/0206172.htm

sogesehn ist ein Tiefpass nichts anderes als ein Frquenzabhäniger Spannugsteiler.
Wenn nun ein anderer Wiederstand dazu parallel geschaltet wird dann senkt dieser noch einmal den gesamt wiederstand der Schaltung.

wenn mir jemand verraten könnte wie viel Strom der Sensor braucht kann ich auch mal den Gesamtwiderstand errechnen
:D :D

hab mich wohl vertan mit den 470uF
mit 47uF sollte ich eigentlich auf 330Hz kommen?? und ja; ich will die sendepeaks des sharps rausfiltern. waehrend diesen bricht die ausgangsspannung des Sharps V0 kurzzeitig ein wenig zusammen.
der sharp hat eine messfrequenz von 25Hz, wenn ich mich recht erinnere, wobei er fuer jede messung mehrere lichtimpulse sendet. die frequenz dieser pulse liegt glaub bei 1000Hz, wird also von meinem tiefpassfilter rausgefiltert.

alle angaben ohne gewaehr. wie gesagt bin in den ferien und muss alles in meinem gedaechtnis nachschauen...

gruss MicroTex

Hier sind gemessene Daten vom Sensor:

https://www.roboternetz.de/phpBB2/vi...?p=12924#12924
https://www.roboternetz.de/phpBB2/ze...ag.php?t=12205

Die Aufnahme der Sendediodenspannung zeigt 32 Impulse mit der Dauer 64µs mit einer Folgefrequenz von 1kHz. Dann folgen 8ms Pause und ein neuer Messzyklus beginnt.
Die Aktualisierung des Ausgabewertes erfolgt übrigens 3ms nach dem Burst mit 32 Impulsen, also in der Sendelücke.

Bild hier  

hi Nikolaus188

Zitat:

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also ein Tiefpass ansich besteht immer nur aus einem Wiederstand und einem Kondensator / Spule.

---

bin voellig einverstanden damit

ich habe weiter vorne in diesem artikel beschrieben wozu dieser zweite widerstand bei mir noetig ist. die - mir unbekannte - elektronik des sharps und die hohe eingangsimpedanz des prozessors lassen den strom nicht abfliessen aus dem kondensator. der sharp liefert zwar viel strom, wenn die spannung V0 steigt, und fuellt somit den kondensator schnell. der strom kann aber nirgens abfliessen (oder nur sehr langsam). deshalb hab ich noch nen widerstand parallel zum kondensator gelegt, um dieses unsymmetrische lade/entladeverhalten zu reduzieren.

es gaebe sicher bessere moeglichkeiten, aber bei mir war die platine bereits geaetzt und enthielt alle bauteile des tiefpassfilters (mit ausnahme des R2). das einfachste fuer mich war es also, diesen R2 noch reinzuhaengen.
hoffe, damit ein wenig klarheit geschafft zu haben. kann sonst spaeter noch einige oszilloskopbilder zum unsymmetrischen verhalten reinposten.

OK
alles klar!!!!
da hätte ich auch mal draufkommen können!!!
Vielen Dank!!!

Hi MicroTex!

Hast du von dem Ding auch nen schaltplan? Ich möchte sowas in der art nämlich auch baun und brauch noch ein paar anregungen ;-)

Danke Bernhard

Hallo MicroTex.
Mir gefällt dein Projekt sehr gut, was ähnliches will ich auch auf meinen Roboter bauen. So ein Radarfenster am PC ist schon toll, da sieht man bei der manuellen Steuerung sofort, wo noch Platz ist.
Was mir allerdings nicht so toll gefällt ist die Signalübertragung mit den Schleifern. Die Abnutzungen nach 10h sehen ja doch schon recht heftig aus.
Aber die Alternativen sind halt doch Recht kompliziert/teuer.
Ein Radar, was sich hin und her bewegt wäre zwar bei meinem Roboter Möglich (bei 4Kilo bewegt der sich nicht gleich), aber das ständige abbremsen und beschleunigen ist aber nicht so gut, wie eine konstante Kreisbewegung. Der Stromverbrauch wäre bestimmt auch höher.
Hat eventuell noch jemand eine tolle Idee, wie man die Schleifer ersetzen könnte?



MfG ACU

Zitat:

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Zitat von ACU

Hat eventuell noch jemand eine tolle Idee, wie man die Schleifer ersetzen könnte?

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Zumindest die Datenübertragung sollte sich doch z.B. per Infrarot oder Funk realisieren lassen. Wobei Funk in dem Fall wohl etwas mit Kanonen auf Spatzen geschossen ist. Für die Infrarot-Übertragung muss nur entweder die Diode nachgeführt werden oder aber man müsste sie genau in den Mittelpunkt des Ganzen setzen... hm.
Bei der Stromversorgung kommst du wohl, wenn du auf die Schleifer verzichten willst, um Induktion nicht drumrum. Oder aber du gönnst dem Aufsatz eine eigene Stromversorgung - der eine Sharp mit dem µC und dem bischen Schaltung drumrum dürfte doch eigentlich nicht so viel verbrauchen...

könnte man nicht die ir diode uch außen an einer bestimten stelle einbauen und dann dort immer einen moment anhalten und die gesammelten daten übergeben??
oder außen rum ein paar Led's (so dass halt alles "ausgeleuchtet" ist)
Felix

Hallo!
Datenübertragung über Infrarot finde ich noch die günstigste Lösung, Funk ist zu teuer und aufwendig.
Gibt es nicht irgendwelche Störungen, wenn die scheibe sich dreht und die Daten übertragen werden? Störungen in der Stromversorgung kann man ja noch wegglätten, oder werden die Daten schon digital (sorry, falls dus schon geschrieben hast).
Eigentlich dürfte die Spannungsversorgung über Induktion doch nicht so schwer sein? Auf dem Radar wieder in Gleichspannung umwandeln und glätten (Kondensator). Müsste doch eigentlich machbar sein?
Ich weiß allerdings nicht, in wie fern die Spule irgendwelche Störungen (eventuell beim Funk oder gar beim Kompass) verursacht.
Die Alternative wäre eventuell ein kleiner Hochkapazitätskondensator ala GoldCap, der nach einer bestimmten Betriebsdauer automatisch aufgeladen wird. Das Aufladen wird dann allerdings etwas kompliziert, da ist mir noch keine gute Idee gekommen.


MfG ACU

Das mit der IR-Übertragung find ich auch am besten, Schleifkontakte nutzen sich zu schnell ab und da ich nich weiß, wieviel solche Schleifkohlen kosten...nääää...zur Stromübertragung/speicherung sind doch GoldCap's eh nich soo gut geeignet..ich hatte die ma auf meiner Modellbahn und die gingen ständig kaputt oder wurden so schnell leer das ich nichma ne vernünftige übertragung hinbekommen hab...akku's scheiden auch aus weil die 1. zu schwer sind, 2. zu ner unwucht führen könnten (was als selbstzerstörungfunktion eig. auch nich schlecht währ^^) oder man nimmt diese komischen akkus die auf mainboards als speicher für systemdaten benutzt werden...
MfG Einstein2312

hi,
sitzt die ganze elektronik auf der unteren platine? werden die ausgangsspannungen der sharps auch über schleifkontakte übertragen?
mfg jeffrey

Ich hab jetzt ma noch ne ganz blöde frage...is mir aufm nachhauseweg vonner schule eingefallen...kann man nich auch laser-dioden und laserlichtempfindliche sensoren nehmen...okok, man hat ja dann nur einen punktuellen bereich abgetastet aber das könnte man doch kompensieren indem man die laserdioden und die sensoren auf nem extraserve ne vertikale schwenkbewegung machen lässt oder nich? :mrgreen: ich erinnere mich an einen jugendforscht kontrahenten der das in ein modellauto eingebaut hatte um eine automatische einparkhilfe zu realisieren...die genauigkeit ist um einiges höher gewesen als mit den "normalen" sharp-sensoren um genauere map's anzufertigen und wenn das mit dem servo oben druff zu komplex oder zu schwer is nimmt man halt linienlaserdioden und mehrere sensoren vertikal übereinnander
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so irgendwie halt^^ *gg*

MfG Einstein2312

sowas http://www.laserfuchs.de/lasershop/product_info.php/products_id/35/product/linienlaser-rot-650nm-5mw---lfl650-5-12(9x20).html/XTCsid/e56c2a4524f4cbbdd11a40ed7253c4a1

oder sowas
http://www.laserfuchs.de/lasershop/product_info.php/products_id/19/cPath/7/lasermodul-rot/lasermodul-rot-650nm-1mw---lfd650-1-3(8x23).html

meint ich, obwohl ich find, das die liniendiode am besten is^^ erinnert mich irg. an bioscans am flughafen lol
MfG

hi,
aber für die auswertung braucht man dann ne kamera.
ist also mit nem ganz anderen arbeits- und hardewareaufwand verbunden.
denke, das ist nicht vergleichbar. gibt´s hier aber auch schon nen thread dazu.
mfg jeffrey

och schade...gibts denn keine sensoren die laserlicht auswerten können? gut das cam's ir-licht sichtbar machen (oder selbst sehen) können weiß man ja spätestens nach den guten alten überwachungskameras draußen vorm haus^^mmh und ne drehende cam, da wirds einem doch auch irg. schwindelig...
mfg Einstein2312

geiles Teil hast du dir da gebaut!!
kannst du mir noch ein paar infos über die Kohlenbürstenverbindung geben?