Что я могу использовать для определения точного местоположения (в дюймах) на открытом воздухе?

Я возвращаюсь в EE через некоторое время, поэтому прошу прощения за мое невежество. Я ищу способ определить точное местоположение на улице, чтобы найти робота для проекта с моими сыновьями.
Есть ли недорогой способ триангуляции или использования GPS? Я ищу с точностью до дюйма. Также мне все равно, нужно ли мне размещать несколько передатчиков в разных местах, чтобы дать устройству ссылку.

Это для газонокосилки-робота. У меня есть двор площадью 2 акра, и мой дом находится посередине с несколькими деревьями в качестве препятствий.

Двое из моих трех мальчиков (14 лет, 11 лет, 5 лет) выдвинули эту идею, поэтому настоящая цель этого проекта - провести с ними время и заинтересоваться EE & CE.

С учетом сказанного стоимость является фактором, но мне все равно, будем ли мы работать над этим в течение следующих 2 лет и потратить немного времени вперед и назад.

Вот мои текущие планы

• Включите ПК с Windows, чтобы я мог кодировать против датчиков.
• Microsoft Connect на борту, чтобы помочь с обнаружением препятствий (причина для ПК с Windows)
• Включите USB GPS для общего местоположения
• Включите камеру просто для удовольствия

Через 2 года, если у меня есть деньги, это нормально, но я не хочу начинать с безумно дорогого GPS.

Спасибо всем, кто помог мне !!!!

Вы должны рассмотреть возможность перевернуть систему. Сам робот не должен определять местоположение. Нужно только знать, что делать. Это может быть передано ему со стационарного ПК через соединение WiFi. При такой ссылке не имеет значения, определит ли робот местоположение или будет ли это сделано при фиксированной установке, а затем результат передан роботу. Если робот когда-либо потеряет соединение WiFi, он может просто остановиться. Это удерживает его от выхода за пределы диапазона и, следовательно, не позволяет получить информацию, которую он должен повернуть, и в то же время подстригать все цветники по соседству. Я думаю, что это также хорошая идея - держать робота как можно проще и нести большую нагрузку на стационарную установку, чтобы с ней было проще следить, исправлять и работать.

На самом деле я этого не делал, но вот кое-что, что я придумал, размышляя о вашей проблеме. Имейте вращающийся ИК-излучатель на роботе. Это может вращаться раз в секунду или около того. Он стреляет из довольно узкой вертикальной щели модулированного ИК. Затем вы устанавливаете фиксированные ИК-датчики по всему месту, в основном по периферии. Они указывают, когда они чувствуют луч от робота, который будет только для небольшой доли интервала повторения. Сравнивая синхронизацию сигналов от различных датчиков и зная их местоположение, вы сможете вычислить положение робота. Смещение по времени от любых двух датчиков, деленное на период маяка, говорит вам об относительных углах этих двух датчиков, как видно из робота. С достаточным количеством датчиков и кучей математики (это легко сделать на любом современном ПК за доли секунды), Вы можете решить для абсолютного положения робота. Затем ПК отправляет соответствующие команды роботу через соединение TCP через соединение WiFi.

Робот на самом деле не нуждается в информации о местоположении. Все «размышления» выполняются на стационарном ПК. Все, что нужно роботу - это небольшая встроенная система с модулем WiFI и стеком TCP / IP. Вы можете отправлять роботу основные команды, такие как относительное направление, скорость и т. Д.

Данные от любых двух датчиков помещают робота на дугу, которая также включает в себя два датчика. Точная дуга зависит от углового смещения двух датчиков. В теории все, что вам нужно, это три дуги, что означает три датчика. Я бы использовал еще несколько, чтобы отдельные датчики могли временно отключиться по разным причинам. Это перегрузит проблему, но с правильным алгоритмом вы можете использовать все эти данные и найти наиболее вероятное местоположение робота.

Как я уже сказал, я не пробовал этого, но я думаю, что вы должны быть достаточно точными, чтобы контролировать газонокосилку. По крайней мере, эта схема не зависит от чего-то особенно дорогого, труднодоступного или чего-то, что подталкивает к тому, что вы можете измерить разумно на своем заднем дворе (например, без учета наносекундной синхронизации).

Предыдущие ответы решают проблему с точки зрения того, как газонокосилка может определить свою позицию. Однако датчик (и) может быть внешним, то есть на дому. Разместите камеры так, чтобы они могли видеть газонокосилку в любом месте вашего двора. Поместите на газонокосилку символ или флажок или что-нибудь красочное (или используйте контрольные точки) (или используйте инфракрасные отражатели или светодиоды, так что вы можете установить линзы режекторного фильтра на камеры и только позволить им войти, тривиализируя код отслеживания). Поскольку камеры зафиксированы, расположение опорных точек и газонокосилки в видеокадрах должно обеспечивать однозначные данные о локализации. Точность будет зависеть от разрешения камеры. Таким образом, вам не нужно тратить так много на бортовую электронику, и ваш код обработки изображений может выполняться «из дома».

Я могу придумать несколько способов, которыми это может быть достигнуто в зависимости от радиуса действия робота (в метрах или в сотнях метров?)

Тем не менее, GPS определенно не даст вам дюймовой точности с легко доступным оборудованием. Для достижения этой точности вам необходимо выполнить дифференциальную коррекцию фазы несущей. Хотя это не так сложно, это не так просто, как подключить модуль. Вы можете посмотреть на этот проект, чтобы увидеть его реализацию.

Более простым подходом может быть использование инфракрасных или ультразвуковых маяков и использование датчиков на роботе для определения относительного расстояния между ним и различными маяками. Приемник с сервоприводом может изолировать угол от передатчика и относительную силу сигнала. К сожалению, вы вряд ли достигнете дюймового уровня точности таким образом.

Другим вариантом является использование веб-камеры и некоторых известных форм / цветов, а также простое распознавание изображений. Используйте триангуляцию (возможно, вращение веб-камеры с помощью шагового двигателя), чтобы выяснить, где вы находитесь. Это выполнимо, если у вас есть значительная нагрузка на процессор (например, BeagleBone или нетбук), а не что-то маленькое, как Arduino.

Я бы посмотрел другой маршрут из всех этих других ответов. Хороните провод во дворе по периметру. Управляйте им с помощью небольшой цепи, которая выводит сигнал 100 кГц (или что-то). Это было бы очень легко обнаружить с помощью мобильной платформы. Это та же самая техника, которую используют те беззащитные системы, которые используются для содержания собак во дворе. Черт, вы могли бы, вероятно, взять один из блоков, чтобы использовать в качестве датчика.

Это дало бы вам контроль периметра. Если вы чувствуете сигнал 100 кГц, вы на грани. Конечно, сначала проверьте это без газонокосилки (возможно, ваш первый дизайн должен быть модифицирован для этой цели. Я также отказался бы от ПК с Windows и взял бы систему Arduino. Они дешевы и требуют первоначальных вложений. несколько сотен долларов и автомобиль R / C, у вас есть прототип.

Как родитель, я уверен, что вы хотите сделать это максимально безопасным. Это означало бы НЕ связывать связку электроники с вашим надежным двухтактным двигателем. Посмотрите, сможете ли вы найти старую копию журнала Radio-Electronics из 80-х. У них там была конструкция роботизированной косилки под названием «Лужайка». Конечно, вы бы не воссоздали их оригинальный дизайн, но у них было несколько новых инноваций, в том числе простой в сборке датчик для обнаружения подстриженной травы (обход препятствий, обнаружение периметра и навигация), и, что более важно, у них был уникальный дизайн для режущие лезвия, которые были значительно безопаснее, чем фунт заточенной закаленной стали, поворачиваемой вокруг. Их режущая система представляла собой пару качающихся дисков с прикрепленными к ним лезвиями X-Acto. Диски вращались, что означало, что если камень (или нога!) Встал так, как давал, что приводит к менее катастрофическим травмам. Я настоятельно рекомендую проверить эту серию статей и применить некоторые принципы к вашему современному дизайну. Вы можете получить их из вашей публичной библиотеки; Я знаю, что у меня они были.

Удачи, это звучит как отличный проект, который будет интересовать молодых людей.

Интересно, можно ли было бы использовать GPS с гироскопами для стабильного отслеживания положения. Можно было бы применять методы обучения по нечеткой логике, если бы знал, как и имел стабильные сигналы ошибок положения (PES) из обоих источников. GPS для крупномасштабного определения положения +/- 10 м и гироскопа или некоторых других средств для отслеживания положения на близком расстоянии +/- 0,1 м

План 1) Измерение данных отслеживания маршрута GPS для каждого ребенка, подстригающего газон, с помощью радиоприемника Zigbee или бортовой системы сбора данных. Позже проанализируйте стабильность, характер, скорость, эффективность в программе анализа траектории, которая агрегирует расстояние, анализирует джиттер наклона, перекрытие или эффективное количество треков X & Y.

2) Затем выберите оптимальный путь и запомните его. (cookie-крошка) для записи различных путей, используемых каждым ребенком, и оценки записанного пути для обеспечения эффективности и безопасности пути.

3) Измерьте PES различных траекторий путем скашивания с использованием ортогональных векторов, наклонных векторов, круговых дорожек и определения эффективной погрешности отслеживания для каждого метода управления транспортным средством, а также прокомментируйте эстетические отклонения от срезанного газона.

Просто используйте записанные сигналы положения, накопленные для анализа, а затем попробуйте роботизированное слежение с 4-канальной системой с сервоуправлением. (Газ, рулевое управление, тормоз и др.)

Самый большой урок - научиться общаться (с детьми, клиентами и инженерами). Изучение того, как написать спецификацию перед ее разработкой, - самый большой урок. Какие входные данные, процессы и выходные данные, экологические входные данные и тестируемые / измеримые параметры с критериями принятия и отклонения. Также должны быть подходящие награды за каждый этап и последствия за неудачу.

Это эскиз плана проекта, спецификации проекта и плана DVT. (Проверка проекта)

Ваш успех зависит от этого. Удачи и приятного времяпровождения.

Хотя это только отправная точка, я настоятельно рекомендую вам взглянуть на этот PDF-файл, объясняющий теорию, лежащую в основе локализатора звука Джона Суиндла . Насколько я помню, он объясняет различные методы локализации и объясняет метод Джона, который с точностью до полдюйма! (Настройка нетривиальна и код не предоставлен, но он используется для хорошего эффекта для мероприятия RoboColumbus DPRG (Dallas Personal Robotics Group)).

/electronics//a/23506/5439

Смотрите мой ответ на другой вопрос о LPS. Короткий ответ: это довольно сложная проблема, а существующие системы довольно дороги (от нескольких тысяч долларов). Предложение об использовании ультразвуковых датчиков является хорошим, если вы Google, вы можете найти уровень техники по использованию ультразвука и даже слышимого звука для этого.

В настоящее время udacity предлагает бесплатный онлайн-курс « Программирование роботизированной машины», который научит вас, как Google это делает для своих автомобилей. В основном они используют GPS для определения местоположения, а также сохраненные карты и зрение для локализации с высокой степенью точности. Программное обеспечение использует фильтры частиц.

Вы можете сделать это только с помощью GPS, если используете дорогостоящее дифференциальное GPS-оборудование, используемое геодезистами, но это вряд ли будет экономически эффективным. Как вы предлагаете, если вы используете пару недорогих (возможно, Xbee) приемопередатчиков, вы можете легко измерить расстояние с чрезвычайно высокой степенью точности, передавая импульс и измеряя время, необходимое для перемещения от передатчика робота к дистанционный ретранслятор и обратно. Это похоже на RADAR, за исключением того, что вместо того, чтобы отражать сигнал от пассивной поверхности, он отправляется обратно вашими стационарными транспондерами.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Так как мне позвонил Кевин по этому вопросу, возможно, я лучше объясню ;-) (Все в порядке, я очень уважаю Кевина, и он совершенно прав, что я не предоставил достаточно деталей, чтобы показать, как реализовать это).

Для точного измерения задержки распространения между двумя точками необходимо, в первую очередь, две вещи: 1) Прямой путь прохождения сигнала, поскольку отражения будут создавать искажения. 2) Некоторые электронные устройства на обоих концах используют синхронизированные часы и возможность измерять временные интервалы с требуемой точностью.

Синхронизированные часы относительно просты, так как принимающая станция может получить свои часы из сигнала, передаваемого другой станцией. Это стандартная синхронная передача данных с восстановлением тактовой частоты.

Вот статья « Измерение задержки распространения по двунаправленному каналу передачи данных со скоростью 1,25 Гбит / с», где они легко получают такую ​​точность на отрезке оптоволокна длиной 10 км. Они заявляют: «Он должен быть способен синхронизировать ~ 1000 узлов с субнаносекундной точностью на длинах до 10 км».

В этой заметке описан способ определения временного смещения между двумя узлами. Эти узлы соединены через двунаправленный последовательный двухточечный канал связи со скоростью 1,25 Гбит / с, кодируемый 8B / 10B, как, например, 1000BASE-X (Gigabit Ethernet). Смещение по времени определяется путем измерения задержки распространения с использованием сигнала маркера. Сигнал отправляется от ведущего к подчиненному узлу и обратно с использованием функций сериализатора / десериализатора (SerDes) в (Virtex-5) FPGA. Восстановленные часы на подчиненном узле используются в качестве часов передачи ведомого, поэтому вся система работает синхронно. Для последовательного канала связи со скоростью 1,25 Гбит / с задержка известна с разрешением в один единичный интервал (т. Е. 800 пс). Это разрешение может быть дополнительно улучшено путем измерения фазового отношения между часами передачи и приема главного узла. Было продемонстрировано, что этот метод работает на одном 10-километровом волокне, которое используется на двух длинах волн, для облегчения двунаправленного соединения точка-точка между ведущим и подчиненным узлами.

также

Первая тестовая установка была построена для проверки принципа измерения задержки распространения между передатчиком и приемником с использованием кодированного последовательного канала связи, работающего на скорости 3,125 Гбит / с. Передатчик и приемник находятся в FPGA на двух отдельных платах разработки. Эта первая тестовая установка показала, что можно измерить задержку распространения по оптоволоконному кабелю длиной 100 км с разрешением в один единичный интервал (т. Е. 320 пс при 3,125 Гбит / с).

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ:

Тестовая установка состоит из двух плат разработки ML507 Xilinx [7]. Плата Virtex-5 установлена ​​на каждой плате. Одна плата разработки ML507 обозначена как главный узел, а другая - как подчиненный. Ведущий и ведомый соединяются через приемопередатчики малого форм-фактора (SFP) и 10 км оптоволокна, создавая двунаправленную связь. Используется одиночное волокно, работающее на двух длинах волн.

Теперь очевидно, что эта конкретная установка является избыточной для большинства хобби-проектов робототехники, но ее можно легко воспроизвести дома, поскольку она использует готовые макетные платы и не требует особых талантов для работы. В случае с роботом соединение будет радио, а не волоконно-оптический кабель. Возможно, это может быть даже ИК-канал, такой как пульт от телевизора, хотя я подозреваю, что на улице при ярком солнце это может быть проблематично. Ночью это может работать отлично!

Как уже говорили другие, локализация - это сложная проблема, а разрешение в один дюйм при разумных затратах очень сложно. Возможно, вам будет интересно узнать, что в колледже проводится соревнование с участием газонокосилок-роботов: ION Robotic Lawn Mower Competition . Я был частью команды, готовящейся к ION; в конце концов, мы не конкурировали, но мы, безусловно, потратили много времени на обдумывание проблемы, которая, безусловно, сложнее, чем кажется. Обратите внимание, что большинство конкурентовна последнем конкурсе ION косили менее 50% поля за отведенное время, а платформы стоили десятки тысяч долларов! Однако у вас есть преимущество, поскольку ION запрещает использование внешних навигационных средств, таких как маяки, которые значительно облегчают решение проблемы. (И у вас нет временных ограничений.) Просмотр отчетов проектов команд был бы хорошим источником идей.

Если бы я начинал такой проект газонокосилки-робота, как ваш, я бы, вероятно, использовал бы комбинацию дешевых GPS (для грубого определения местоположения), инфракрасных / ультразвуковых / многоцветных маяков (точное местоположение), кодировщиков (оценка положения) и компьютерного зрения. (различный). Я бы не советовал тратить тысячи долларов на модные системы GPS и IMU. Kinect - хорошая идея, и она, безусловно, намного дешевле, чем Lidar; между картой глубины и камерой вам определенно будет что жевать.

Я также рекомендую курс Udacity по программированию автомобилей с самостоятельным вождением для ознакомления с концепциями.

Теперь, когда вы изменили вопрос, чтобы убрать требование разрешения в один дюйм, и сказали нам, что у вас будет ПК с Windows и Microsoft Connect на борту, я думаю, вы могли бы сделать очень удачное расположение только с этим оборудованием на роботе.

Вы видели некоторые из дешевых прицелов для гольфа, которые люди используют, чтобы найти расстояние до тройника?

Они работают так, чтобы измерить воспринимаемую высоту флага на зеленом цвете (которая является фиксированной высотой) и показать расстояние до тройника. Это простой прямоугольный треугольник, в котором, если вы знаете угол и высоту дальней стороны, вы можете вычислить длину основания. Это именно то, что ваши сыновья будут изучать в геометрии, а затем в тригонометрии.

Поскольку ваш дом виден со всех сторон вашего участка, возможно, было бы легко увидеть 2 угла и вычислить расстояние?

Используйте звуковую энергию самой косилки. Это свой пингер. Или, может быть, его шум можно использовать для маскировки звукового щепка, добавленного в газонокосилку, возможно, синхронизированного с коленчатым валом или лезвием. Поставьте микрофон на косилку и в нескольких местах вокруг двора. Получите приблизительную оценку местоположения на основе громкости. У ближайших микрофонов не будет столько проблем с многолучевым распространением. Затем выполните взаимную корреляцию звука от ближайших микрофонов, чтобы оценить задержку звука во время полета. Усредненный или калмановский фильтр позволяет избавиться от шума в оценках задержки и применить триг. Если вы можете скрыть (от людей) и обнаружить (путем взаимной корреляции) вибрацию или вибрацию двигателя на газонокосилке, вы сможете получить дюймы точности.

Проверьте http://porcupineelectronics.com/uploads/LR3_Data_Sheet.pdf Этот маленький адаптер LR3 (он устарел, но лучше в пути) позволяет вам подключать ПК или SBC к измерителю расстояния Fluke 411D с точностью от +/- 3 мм до 30 М, насколько я помню. Новый выходящий модуль (LR4) работает с новыми измерителями Fluke. В сочетании с камерой на платформе панорамирования / наклона, чтобы вы могли указывать ее на известные цели, и датчиком высокого разрешения на сервоприводе панорамирования для высокоточных измерений угла, вы должны иметь возможность триангуляции положения вашего робота относительно карты вашего двора с помощью Точность вам нужна. Вам понадобится тригонометрия в коде (выше моей математики в старшей школе). Я нашел необходимое уравнение в Интернете (Википедия). Я включил бы это здесь, но нахожусь вдали от моей домашней машины, где хранится информация. Система также может облегчить создание карты. Вам может понадобиться гиростабилизированная платформа с пассивной виброизоляцией (газонокосилки сильно вибрируют). Для измерений на лету вам может потребоваться программное обеспечение для отслеживания, чтобы лазер также оставался на цели. Точная одометрия даст вам больше времени между «исправлениями», если ваша вычислительная мощность скромна.