Лекция 1. Обзор областей робототехники, сенсоры мобильных роботов.pdf

Transcript

1. Моделирование колесных роботов Лекция 1. Вводная лекция Олег Шипитько Москва, 2020
2. 2 https://bit.ly/36SRsRQ
3. 1. Организация курса 2. Цель курса 3. Содержание курса 4. PIAZZA 5. Современная робототехника 6. Мобильная робототехника в ИППИ РАН 7. Мобильная робототехника и сенсоры СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ 3
4. ОРГАНИЗАЦИЯ КУРСА 1. Лекция каждый вторник в 14:05, Большой Каретный пер., д. 19, стр. 1, 2 этаж, зал ученого совета (налево от лестницы) 2. 1 домашняя работа 3. 1 командный проект (2 - 3 человека на команду) 4. Экзамен / зачет в конце a. Практическое задание на ROS (Robot Operating System) b. Теоретический вопрос 4
5. ФИНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА Экзамен Командный проект 40% 30% Домашнее задание 30% ❏ Пересдавать ДЗ и проект можно неограниченное количество раз, до экзамена ❏ Проценты переводятся в баллы от 0 до 100 ❏ Соответствие набранных баллов финальной оценке: ❏ Round (Баллы / 10) = финальная оценка ❏ Баллы округляются в пользу студента: Round (7.5) = 8 5
6. PIAZZA https://piazza.com/mipt/spring2020/01/home Учебное заведение: MIPT, курс: 01, код доступа: robot ❏ Литература по курсу, описания домашних работ, проектов, вопросы к экзамену, учебная программа курса, правила выставления финальной оценки ❏ Форум с анонимными вопросами по ДЗ, проектам и экзамену ❏ Презентации лекций будут появляться на PIAZZA сразу после лекций на которых они показываются 6
7. ЦЕЛИ КУРСА 1. Обзор классических методов мобильной робототехники 2. Введение в вероятностную робототехнику 3. Обзор современных направлений развития 4. Знакомство с ROS (Robot Operating System) 5. Практический опыт решения задач мобильной робототехники 7
8. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА 1. Введение в алгоритмы колесных роботов a. Виды сенсоров b. Локализация / картирование c. Планирование пути d. Управление 2. ROS (Robot Operating System) a. История, основы и принципы ROS b. Создание и компиляция пакета c. Написание простых нодов: Publisher и Subscriber d. Создание и использование msg-файлов и сервисов e. Bag-файлы (запись, проигрывание) f. Дополнительные инструменты: Tf, RviZ, Gazebo 8
9. ЧТО ТАКОЕ РОБОТ? 9 A ROBOT (чеш. robot, от robota — «подневольный труд») is a machine—especially one programmable by a computer— capable of carrying out a complex series of actions automatically. Definition of 'robot'. Oxford English Dictionary. Слово «робот» было придумано чешским писателем Карелом Чапеком и впервые использовано в пьесе Чапека «Р. У. Р.» («Россумские универсальные роботы», 1920). В ранних русских переводах использовалось слово «работарь».
10. ЧТО ТАКОЕ РОБОТ? 10 РОБОТ ВОСПРИЯТИЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
11. ЧТО ТАКОЕ РОБОТ? 11 РОБОТ СЕНСОРЫ АКТУ АТОРЫ
12. 12 Является ли роботом ❏ Стиральная машина? ❏ Чайник? ❏ Спутник? ❏ Радиоуправляемая машина? ❏ Автоматическая коробка передач?
13. 13 Является ли роботом ❏ Стиральная машина? ❏ Чайник? ❏ Спутник? ❏ Радиоуправляемая машина? ❏ Автоматическая коробка передач?
14. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? 14
15. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ 15
16. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? ИНДУСТРИАЛЬНЫЕ 16
17. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? МЕДИЦИНСКИЕ 17
18. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? ДРОНЫ 18
19. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ и ТЕХНОГЕННЫХ КАТАКЛИЗМОВ 3D (dirty, dangerous and demeaning) 19
20. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? ВОЕННЫЕ 20
21. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ 21
22. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? РАЗВЛЕКАТЕЛЬНЫЕ 22
23. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? ЭКЗОСКЕЛЕТЫ 23
24. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? АНТРОПОМОРФНЫЕ 24
25. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? ПОДВОДНЫЕ 25
26. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? РОБОТЫ ТЕЛЕПРИСУТСТВИЯ 26
27. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? БЕСПИЛОТНЫЕ АВТОМОБИЛИ 27
28. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? BIOINSPIRED ROBOTICS 28
29. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? SOFT ROBOTICS 29
30. КАКИЕ БЫВАЮТ РОБОТЫ? TENSEGRITY ROBOTICS 30
31. РОБОТЫ ПО СПОСОБУ ЛОКОМОЦИИ (передвижения) 31 Роботы по способу передвижения Стационарные Гусеничные Колесные Шагающие Летающие Плавающие Ползающие Другие
32. РОБОТЫ ПО СПОСОБУ ЛОКОМОЦИИ (передвижения) 32 Роботы по способу передвижения Стационарные Гусеничные Колесные Шагающие Летающие Плавающие Ползающие Другие
33. МОБИЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА В ИППИ РАН 33
34. МОБИЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА В ИППИ РАН РОБОТЫ 34
35. МОБИЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА В ИППИ РАН НАУКА 35 1. N. Korobov, O. Shipitko, I. Konovalenko, A. Grigoryev and M. Chukalina, “SWaP-C based comparison of onboard computers for unmanned vehicles,” International Conference on Electromechanics and Robotics "Zavalishin's Readings"-2019. 2. O. S. Shipitko, M. P. Abramov, A. S. Lukoyanov, E. I. Panfilova, I. A. Kunina and A. S. Grigorev, “Edge detection based mobile robot indoor localization system,” International Computer Vision Conference 2018. 3. Кибалов В. И., Шипитько О. С., Коробов Н. С., Григорьев А. С. Безопасное управление скоростью наземного беспилотного транспортного средства в условиях неопределенности собственного положения // Сенсорные системы. — 2019. 4. Абрамов М. П., Шипитько О. C., Григорьев А. С., Ершов Е. И. Поиск точки схода для динамической калибровки внешних параметров монокулярной камеры при условии прямолинейного движения // Сенсорные системы. — 2020. 5. Shipitko O., Grigoryev A. Ground Vehicle Localization With Particle Filter Based On Simulated Road Marking Image // European Conference on Modeling and Simulation 2018.
36. МОБИЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА В ИППИ РАН НАУКА 36
37. МОБИЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА В ИППИ РАН НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ 37 Классификация, детекция, трекинг объектов
38. МОБИЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА В ИППИ РАН НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ 38 Алгоритмы патрулирования территории группой роботов
39. МОБИЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА В ИППИ РАН НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ 39 Навигация и комплексирование данных
40. МОБИЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА В ИППИ РАН НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ 40 Визуальная одометрия
41. МОБИЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА В ИППИ РАН НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ 41 Картирование
42. КОЛЕСНЫЕ РОБОТЫ 42
43. КОЛЕСНЫЕ РОБОТЫ 43
44. 1. Простота (конструкции и управления) 2. Маневренность 3. Скорость Все это делает колесных роботов одним из самым распространенным видов роботов применяющихся на практике. ПОЧЕМУ ОНИ? 44
45. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМ КОЛЕСНЫМ РОБОТОМ 45 Сенсоры Локализация Планирование пути Управление Актуаторы Карта Карта
46. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМ КОЛЕСНЫМ РОБОТОМ 46 Сенсоры Управление Актуаторы Информация об окружающем мире Локализация Карта Планирование пути Карта
47. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМ КОЛЕСНЫМ РОБОТОМ 47 Сенсоры Управление Актуаторы Информация об окружающем мире Определение собственного положения в пространстве Локализация Карта Планирование пути Карта
48. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМ КОЛЕСНЫМ РОБОТОМ 48 Сенсоры Управление Актуаторы Информация об окружающем мире Определение собственного положения в пространстве Планирование движения с учетом окружающей среды (препятствий и т.д.) Локализация Карта Планирование пути Карта
49. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМ КОЛЕСНЫМ РОБОТОМ 49 Сенсоры Управление Актуаторы Информация об окружающем мире Определение собственного положения в пространстве Планирование движения с учетом окружающей среды (препятствий и т.д.) Контроль за выполнением запланированных действий и передача управляющих сигналов на актуаторы Локализация Карта Планирование пути Карта
50. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМ КОЛЕСНЫМ РОБОТОМ 50 Сенсоры Управление Актуаторы Информация об окружающем мире Определение собственного положения в пространстве Планирование движения с учетом окружающей среды (препятствий и т.д.) Контроль за выполнением запланированных действий и передача управляющих сигналов на актуаторы Воздействие на окружающий мир Локализация Карта Планирование пути Карта
51. 51 Thrun S. et al. Stanley: The robot that won the DARPA Grand Challenge //Journal of field Robotics. – 2006. – Т. 23. – №. 9. – С. 661-692.
52. ВИДЫ СЕНСОРОВ 52 По регистрируемому излучению Активные Пассивные По регистрируемой величине Проприоцептивные (регистрирующие внутреннее состояние) Экстероцептивные (регистрирующие состояние среды)
53. ВИДЫ СЕНСОРОВ 53 ❏ Энкодеры ❏ Инерциальные навигационные системы (IMU, VRU, AHRS) ❏ Акселерометры ❏ Гироскопы ❏ Магнитометры ❏ Высотомеры ❏ Лазерные дальномеры (LIDARs) ❏ Ультразвуковые дальномеры (SONARs) ❏ Камеры ❏ Моно- ❏ Стерео- ❏ RGB-D (различного типа) ❏ Инфракрасные (IR) ❏ Радары (RADARs) ❏ Глобальные системы навигации (GNSS: GPS, ГЛОНАСС и т.д.)
54. ВИДЫ СЕНСОРОВ 54 ❏ Энкодеры ❏ Инерциальные навигационные системы (IMU, VRU, AHRS) ❏ Акселерометры ❏ Гироскопы ❏ Магнитометры ❏ Высотомеры ❏ Лазерные дальномеры (LIDARs) ❏ Ультразвуковые дальномеры (SONARs) ❏ Камеры ❏ Моно- ❏ Стерео- ❏ RGB-D (различного типа) ❏ Инфракрасные (IR) ❏ Радары (RADARs) ❏ Глобальные системы навигации (GNSS: GPS, ГЛОНАСС и т.д.) Могут выступать в роли как проприоцептивных, так и экстероцептивных сенсоров
60. ВИДЫ СЕНСОРОВ 60 ❏ Энкодеры ❏ Инерциальные навигационные системы (IMU, VRU, AHRS) ❏ Акселерометры ❏ Гироскопы ❏ Магнитометры ❏ Высотомеры ❏ Лазерные дальномеры (LIDARs) ❏ Ультразвуковые дальномеры (SONARs) ❏ Радары (RADARs) ❏ Камеры ❏ Моно- ❏ Стерео- ❏ RGB-D (различного типа) ❏ Инфракрасные (IR) ❏ Глобальные системы навигации (GNSS: GPS, ГЛОНАСС и т.д.)
61. ЭНКОДЕРЫ 61 ❏ Энкодеры — датчики угловых и линейных перемещений. Преобразуют угловые положений или линейные перемещения в аналоговый или цифровой сигнал. ❏ Основное элементы: источник света, вращающийся диск с рисками (метками), и детектор светового сигнала. ❏ Световые сигналы, генерируемые источником света, детектируются приемным световым элементом, далее подсчитываются и преобразуются в последовательность электрических импульсов, при помощи электронных микросхем, располагающихся внутри корпуса энкодера.
62. 62 Энкодеры Угол поворота вала двигателя Перемещение Скорость Ускорение Угол рысканья
64. ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (IMU, VRU, AHRS) 64 ❏ Инерциальные навигационные системы (IMU VRU, AHRS) ❏ Акселерометры ❏ Гироскопы ❏ Магнитометры ❏ Высотомеры IMU Линейные ускорения Угловые скорости Магнитное поле Ускорение Положение в пространстве Угловые скорости Ориентация в пространстве
65. ЛАЗЕРНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ (LIDARs) 65 ❏ LIDAR (Light Detection and Ranging или Laser Induced Direction and Range System) — обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света ❏ Принцип действия: ❏ Направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приемником ❏ Время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели ❏ Кроме импульсного метода измерения дистанции применяется фазовый, основанный на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов LIDAR Электромагнитное излучение Облако точек с расстояниями и интенсивностью отраженного сигнала
67. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ (SONARs) 67 ❏ Sonar (sound navigation ranging) — средство звукового обнаружения подводных объектов с помощью акустического излучения ❏ Принцип действия: ❏ Излучает ультразвуковой сигнал ❏ Засекает время до ответного эхо и рассчитывает расстояние до объекта SONAR Звуковые волны Расстояние до ближайшего объекта в области видимости
68. РАДАРЫ (RADARs) 68 ❏ Радар (RAdio Detection And Ranging) основан на использовании так называемого эффекта Допплера - частота сигнала, отраженного от движущегося автомобиля, сравнивается с исходной частотой. ❏ Радар состоит из передатчика — источника электромагнитного излучения, передающей антенны, принимающей антенны (часто одной и той же), приемника и вычислителя для обработки сигнала. RADAR Электромагнитное излучение Расстояние до объектов Их скорость и угловые размеры
69. КАМЕРЫ 69 ❏ Камера — проективный сенсор. Проецирует 3D мир на 2D плоскость. ❏ Принцип действия: ❏ Пиксели матрицы регистрируют отраженный от объектов свет (ослабление излучения в случае рентгена) ❏ Количество упавших на пиксель фотонов преобразуется в электрический сигнал Камера Электромагнитное излучение (видимое, ИК, рентгеновское) Изображение
70. КАМЕРЫ ГЛУБИНЫ 70 Камеры глубины Стерео Структурированный свет Time of Flight DEPTH CAMERAS FOR MOBILE AR: FROM IPHONES TO WEARABLES AND BEYOND. DAQRI. Medium
71. КАМЕРЫ ГЛУБИНЫ 71
72. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ 72 1. Perception: Sensors Autonomous Mobile Robots.Davide Scaramuzza. ЕTH Zurich 2. Датчики роботов 3. Choosing The Best Sensors For A Mobile Robot
73. ИНФОРМАЦИЯ О ПРЕЗЕНТАЦИИ 73 Эта презентация была подготовлена Олегом Шипитько в рамках курса “Моделирование колесных роботов” кафедры когнитивных технологий Московского физико-технического института (МФТИ). Автор выражает благодарность, авторам, чьи материалы были использованы в презентации. В случае, если вы обнаружили в презентации свои материалы, свяжитесь со мной, для включения в список авторов заимствованных материалов. This presentation was prepared by Oleg Shipitko as part of the “Mobile Robotics” course at the Department of Cognitive Technologies, Moscow Institute of Physics and Technology. The author is grateful to the authors whose materials were used in the presentation. If you find your materials in a presentation, contact me to be included in the list of contributing authors.