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Thema: Navigation in der Wohnung

  1. #11
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    Also, es würde mich wundern, wenn es dazu nicht massenweise Literatur gäbe. Ergebnis einer kurzen Google-Bemühung:

    Grundlegendes aus Wiki. ...und hier.
    Hier ist was Grundlegendes.
    Hier gehts nochmal etwas genauer zur Sache.
    Oder hier... noch etwas spezieller.
    Oder hier.

  2. #12
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Moppi
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    Guten Morgen,

    Beschreibungen zu Verfahren und Ansätzen der Fusion, von Sensordaten, wurden hier im Forum auch schon oft besprochen. Ich habe im Wesentlichen dieselben Links im Netz gefunden. Möglich wäre es, mehrere Sensoren zu verwenden, dann müssen die Daten zusammengebracht werden. Das habe ich im Wesentlichen nicht, sondern für jede Richtung einen Sensor, der mindestens eine relative Entfernungsmessung erlaubt. Aus den Sensordaten versucht man die Position des Roboters im Raum zu bestimmen. Einer Positionsbestimmung muss irgendein System zugrunde liegen, eben landläufig eine Karte. Anhand einer Karte kann ein Weg zum Ziel bestimmt werden. Hier sind dem Erfindungsreichtum eigentlich kaum Grenzen gesetzt. Ich Suche vor allem Möglichkeiten, ohne dies auszukommen.

    Jeder von uns kann seine Wohnung aus dem Kopf skizzieren. Aber keine maßstabsgetreue Zeichnung anfertigen. Es sei denn, er hat die Wohnung vorher vermessen und sich die Maße gemerkt. Also gibt es Orientierungsverfahren in Räumlichkeiten, die wir intuitiv anwenden. Und dazu merken wir uns dann bestimmte Eigenschaften oder relative Gegebenheiten, die wir aus dem Gesehenen entnehmen, um uns zu orientieren. Auch wenn wir einen Raum nicht vermessen haben, können wir doch einen bestimmten Punkt in ihm wiederfinden, an dem wir zuvor schon einmal waren. Waren wir öfter dort, haben den Punkt öfter gefunden, gelingt das Wiederfinden besser. Gelingen tut uns das vor allem über Bilder, die wir erfassen und auswerten. Wenn wir, wie im Dunkel, nicht sehen können, wird es weitaus schwieriger. Je mehr Details wir erkennen können, je besser gelingt uns der Vorgang der relativen Orientierung. Allerdings ist mir bisher unklar, welche Detailgenauigkeit dafür notwendig ist. Größere Entfernungen müssen nur geschätzt werden, wie: "ich bin weit weg" oder "ich bin nah dran". Bin ich nah an einer Wand oder sonstigem Hindernis, dann genügt ebenfalls eine Schätzung zur Kollisionserkennung, wie: "ich bin ca. 10cm entfernt" oder "gleich stoße ich an". Ich kann meine genaue Position in der Regel nicht bestimmen, eine relative Position, die zur Orientierung genügt, aus dem Gedächtnis heraus, aber schon, wenn ich meine Position in einer Karte eintragen sollte. Wir zeichnen aber in der Regel keine Karte, wenn wir uns durch Räume bewegen. So Verfahren, wie sich an einer Wand entlang zu hangeln, sind da schon ganz gut und zielen in die Richtung, der Orientierung ohne vorliegende Karte und genaue Positionsbestimmung.


    MfG


  3. #13
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Moppi
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    Ergänzend, zur räumlichen Orientierung, ein Link.

  4. #14
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Zur Systematik:
    a) Sensoren mit internen Referenzen (z.B. Odometrie, Gyro, Accelerometer)
    b) Sensoren für relative externe Referenzen (US, IR, LIDAR)
    c) Sensoren für absolute externe Referenzen (Kompass, GPS, Baken)

    1.) wenn der Raum exakt (!!) bekannt ist, kann man die Position über a) und b) mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit per Monte-Carlo-Filter (=Partikelfilter) berechnen (Kompass allerdings hilfreich)
    https://www.youtube.com/watch?v=Rj7s...layer_embedded

    2.) wenn der Raum unbekannt ist oder viele zufällige Hindernisse enthält (SLAM), braucht man zu a) und b) auch zusätzlich c)

    Um mehrere Sensoren entsprechend ihrer unterschiedlichen Spezifität und Sensitivität zusammenzufassen, verwendet man statistische Methoden zur Sensor-Fusion (z.B. den Extended Kalman Flter).

    Für Baken in mehreren Räumen mit Wänden dazwischen haben sich z.B. Dezimeterwellen mit 4-8 Baken (anchors) bewährt, s. pozyx
    https://www.pozyx.io/?gclid=EAIaIQob...SAAEgJTNvD_BwE
    https://www.pozyx.io/shop/product/creator-kit-lite-67
    Geändert von HaWe (08.12.2019 um 10:24 Uhr)
    ·±≠≡≈³αγελΔΣΩ∞ Schachroboter:www.youtube.com/watch?v=Cv-yzuebC7E Rasenmäher-Robot:www.youtube.com/watch?v=z7mqnaU_9A8

  5. #15
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    Ich schätze das jedenfalls so ein, dass die Navigation einigen Aufwand mit sich bringt und deshalb einen relativ leistungsfähigen Rechner braucht. Dagegen soll das Fahrzeug wahrscheinlich mit Akku fahren und deshalb einen möglichst geringen Energieverbrauch haben. Da empfiehlt es sich vielleicht, den Roboter mit einem sparsamen µC zu betreiben und per Funk (433 MHz/BLE/WLAN) die Sensordaten, und Fahrbefehle auszutauschen. Die eigentliche Rechenarbeit würde dann ein Pi machen, der Roboter könnte mit einem ESP gesteuert werden. Hätte auch den Vorteil, dass man alle Daten auf dem zentralen Rechner gut visualisieren und die Algorithmen bequem vom Schreibtisch aus entwickeln kann. Wenn dann mal alles läuft, kann man immer noch schauen, ob man die gesamte Logik in einen µC packen kann.

    Spannend ist sicher, wie man das System flexibel und ein bisschen lernfähig bekommt. In einer Wohnung verändern sich die meisten Dinge kaum (Wände), einige in engen Grenzen (Türen) und manches ziemlich unerwartet (Sporttasche/Staubsauger/Kinderspielzeug auf dem Boden, rumlaufende Leute). Da muss man sich was einfallen lassen. Spontan hatte ich die Idee, die gesamte Fläche in (mehr oder minder) kleine Felder einzuteilen und jeweils zu speichern, ob das Feld ein Hindernis ist oder befahrbar. Wände könnte man als permanente/feste Hindernisse definieren. Türen als Felder mit variablen Hindernissen, andere Felder könnte man temporär als Hindernis kennzeichen - wenn der Roboter dort vorbei kommt, schaut er nach, ob das Hindernis noch da ist. Ggf. kann er sich merken, dass dort immer mal Hindernisse auftauchen (meine Sporttasche steht meist am gleichen Fleck). Er könnte auch Wahrscheinlichkeiten für Hindernisse speichern. Die Genauigkeit des Systems hängt von der Größe der Felder ab. Wenn man erst mal mit 25x25 cm anfängt (800 Felder für eine 50 qm Wohnung - bei 10 cm sind es schon 5000, bei 5 cm 20000), kann man es später verfeinern, was Speicherbedarf und Rechenaufwand erhöht aber die Genauigkeit verbessert.

  6. #16
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Moppi
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    In einer Wohnung verändern sich die meisten Dinge kaum (Wände), einige in engen Grenzen (Türen) und manches ziemlich unerwartet (Sporttasche/Staubsauger/Kinderspielzeug auf dem Boden, rumlaufende Leute).
    Deswegen halte ich die "indoor"-Navigation für die einfachste Navigation.

    hängt von der Größe der Felder ab. Wenn man erst mal mit 25x25 cm anfängt
    Haben wir doch gar nicht drüber gesprochen! - Das habe ich mir heute Morgen mit der Größe auch schon so gedacht, ist denke ich ein guter Startwert. Allerdings will ich zunächst weg, von der berechnenden Navigation, hin zu: ich kenne den Weg, fahre den ab und wenn ich mich verfahren habe, kenne ich Fahrmanöver, um ihn wiederzufinden. Das Wiederfinden der Ladestation ist die letzte Herausforderung, weil deren Position sich auch geringfügig ändern kann. Ist die Ladestation mal in einem andern Raum, tut es auch nicht weh, wenn der Roboter still steht und "nachfragt" - dann weißt man ihm den Weg und gut ist. Hat er sich mehrere Positionen gemerkt, könnte er die später absuchen (muss aber nicht sein).

    Ich denke, vor allem Speicherplatz wird es kosten, deshalb habe ich schon eine SD-Karte im Hinterkopf. Allerdings würde ich schon gerne mit den 3MB des nodeMCU ESP-12E auskommen. Der noch verfügbare Programmspeicher (vermutlich bis 500KB) soll dann für kurzzeitige Ausflüge herhalten, wie wenn Hindernisse auftauchen, bei denen großzügiges Ausweichen nötig ist (der Weg zurück sollte gefunden werden).



    MfG
    Geändert von Moppi (08.12.2019 um 12:25 Uhr) Grund: Smile vergessen - was muss, das muss

  7. #17
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    Offline-Entwicklung ist sicher komfortabler, als gleich alles im System selbst zu machen. Bei jeder Programmänderung musst du das Ding neu flashen...

    Weg kennen und abfahren klingt einfach... 2 m geradeaus, dann 1,5 m rechts, dann 2 m links - Ziel erreicht. So lange sich der Roboter auf definierten Bahnen bewegt, müsste er nur in gewissen Anständen schauen, ob der Fahrweg noch plausibel ist. (Ist die Wand so weit weg, wie sie sein sollte?). Schwieriger wird es, wenn er aus dem Tritt kommt. Was dann? Die Sporttasche im Weg sagt ihm: "Hier stimmt was nicht." Aber was?
    Die Navigation mit Ultraschall ist kompliziert, weil die Echos nicht immer von der gegenüberliegenden Wand kommen, sondern auch mal von seitlichen Objekten - Mauerecken, Türrahmen usw.
    Baken zur Positionskorrektur sind ein probates Mittel, aber wenn sich ein Roboter auch in neuen Umgebungen zurechtfinden soll, ist das unpraktsich. ("Inbetriebnahme: Kleben Sie zunächst die Baken an gut sichtbaren Stellen in allen Räumen an die Fußleisten...")
    Netter wäre ein System, das aus den Ultraschalldaten verlässlich die eigene Position ermittelt. Das ist aber sicher relativ aufwändig. Man könnte die Ultraschallerkennung auf wenige, sehr typische und gut identifizierbare Stellen beschränken. Ideal sind Türzargen. Meist steht dort nichts im Weg. Es gibt in der Regel keine Objekte, die näher sind als die Türzarge und das Signal verfälschen. Bei jeder Türdurchfahrt kann das Gerät die eigene Position in Fahrtrichtung und seitllich recht genau bestimmen. Allerdings spielt der Fahrtwinkel noch eine Rolle. Das könnte man mit einem Kompass hinkriegen, wenn der genau genug ist. Aber vielleicht gibts Störungen durch elektromagentische Felder - Stromleitungen, Lautsprecherboxen, ... keine Ahnung, wie zuverlässig das ist.

    Man könnte auch für jede Position (im Raster) die Ultraschalldaten in alle vier Richtungen speichern und dann jeweils mit den gemessenen Distanzen vergleichen. Es dürfte aber nicht einfach sein, Messungenauigkeiten Poisionsabweichung (Raster +/- 5-25 cm) und Winkelabweichungen rauszurechnen. Bein recht kleinem Raster braucht man wieder viel Speicherplatz.

  8. #18
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    Schwieriger wird es, wenn er aus dem Tritt kommt. Was dann? Die Sporttasche im Weg sagt ihm: "Hier stimmt was nicht." Aber was?
    Das Was interessiert ja nicht. Für den Roboter ist doch einfach nur eine (oder mehrere) Distanzmessung signifikant anders. Ist dann ein nicht zuzuordnender Fall, wo er erst mal stehen bleiben würde, bis eine Anweisung erfolgt, wie er in diesem Fall weiterfahren soll. Bei diesen und ähnlichen Distanzmessungen wird er das dann immer so tun, das kann sich auch um ein ganzes Fahrmanöver handeln. Wenn er mal aus dem Tritt kommt, was passieren kann, weil jemand gegen ihn läuft, würde ähnliches bewirken. Man zeigt ihm, wie er fahren soll, bis er seinen Weg von allein weiter fährt. In dieser oder ähnlicher Situation wird er das dann genau so tun.
    Die Navigation mit Ultraschall ist kompliziert, weil die Echos nicht immer von der gegenüberliegenden Wand kommen, sondern auch mal von seitlichen Objekten
    Stimmt schon, kommt aber irgendwie drauf an, wie viele Fehlmessungen es gibt. Ich würde mit 1 Sensor für jede Richtung anfangen. Die sind fest installiert und es gibt schon mal keine Fehlerquelle, die von einem motorischen Antrieb ausgehen könnte (wie bei nur einem Sensor für alle Richtungen). Solang nicht ständig stark schwankende Werte auf allen Sensoren gleichzeitig auftreten, sollte sich der Roboter orientieren können. Auch eine falsche Messung ist eine Messung und damit verwertbar, sie tritt so vermutlich nur an bestimmten Positionen auf oder in bestimmten Situationen. Daher würde ich sagen, es gibt nur Messungen mit Ergebnissen, solang sie nicht komplett untauglich sind, weil der Sensor meinetwegen defekt ist.

    Es dürfte aber nicht einfach sein, Messungenauigkeiten Poisionsabweichung (Raster +/- 5-25 cm) und Winkelabweichungen rauszurechnen.
    Da weiß ich nicht, wie/was Du (das) meinst. Ich würde ohne Winkel arbeiten. Es ist nur interessant, in welchem Maß die Motoren angesteuert werden, abhängig von der Umgebung. Falls das nicht funktioniert, würde ich überlegen, ob ich dann einfach mit festeingestellten Werten (Winkeln) arbeite. Vielleicht auch mit beidem, wegen einer Korrekturmöglichkeit.


    MfG

  9. #19
    Erfahrener Benutzer Begeisterter Techniker
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    Du meinst, wenn er mal nicht weiß, wo er ist, piepst er und blinkt rot und dann setzt man ihn an eine definierte Stelle und von da aus gehts dann wieder weiter... das halte ich für eine nur zweitbeste Lösung.

    Das mit den Messungen sehe ich anders. Erstmal kann man nicht davon ausgehen, dass der Roboter immer nur in rechten Winkeln fährt - mit der Zeit wird er im Winkel abdriften und dann sind die Messwerte weitgehend untauglich. Zweites hängen die Fehlmessungen stark von der Position ab. Fährt der Roboter mittig auf die Türzarge zu, misst er mehrere Meter bis zur nächsten Wand, steht er leicht schräg oder fährt weiter am Rand, bekommt er das Echo der Türzarge und denkt "Ups, da ist wohl ne Wand. Wo bin ich denn jetzt geladnet? Da mach ich mal besser das Rotlicht an!".

    Es hilf dir ja nicht, wenn du weißt, dass die Wand 3 Meter vor dir sein soll, wenn der Roboter um 20° falsch fährt. In rechtwinkligen Räumen kann man immerhin versuchen, mit Drehungen die kürzeste Distanz zu finden - die ist dann im rechten Winkel zur Wand. Je weiter man von der Wand weg ist, desto schwieriger wird das wegen Reflexionen, Störobjekten usw. Deshalb sind wohl diese Wandläufer so beliebt, weil sie sich ja immer nur in konstantem und relativ kleinem Abstand zur Wand bewegen müssen. Wandende = Türzarge - 90° Drehen und weiter fahren... Das ist einfach aber ineffizient.

  10. #20
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein Avatar von Moppi
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    und dann setzt man ihn an eine definierte Stelle
    Nein, man steuert ihn - nicht Umsetzen! Also man zeigt ihm, was er tun muss.

    Das mit den Messungen sehe ich anders....
    Ok, ich sehe, Du denkst anders. In Hindernissen und Wegen, die gefunden werden müssen, inkl. Speicherung, wo sich was befindet.

    Wandende = Türzarge - 90° Drehen und weiter fahren... Das ist einfach aber ineffizient.
    Könnte man annehmen. Du findest lieber den kürzeren Weg.


    Ich dachte etwas anders. Ich gebe den Weg vor, damit ist dies vermutlich der effizienteste Weg, aber vermutlich auf jeden Fall der tauglichste, direkte Weg. Es sei denn, ich Suche mir extra einen umständlichen Weg oder lasse den Roboter unterwegs noch ein paar Drehungen auf der Stelle absolvieren - wäre nicht so gut.
    Also wenn ich ihm den Weg zeige, kann ich auch Kurven schneiden und eben den besten Weg wählen, den er nehmen soll. Ist evtl. auch der Weg, bei dem er mir am wenigsten in die Quere kommt. Der Roboter soll sich diesen Weg, anhand der Umgebungsparameter (Ultraschallsignale und evtl. andere Sensoren), merken.



    MfG

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