Сканирующий лазерный дальномер

Сегодня мы поговорим об интересном для мобильного автономного робота датчике - сканирующем лазерном дальномере. В предыдущей статье был описан алгоритм навигации SLAM. В подавляющем большинстве случаев он базируется именно на этом устройстве. В некоторых других источниках этот датчик называют LIDAR (что неверно!), приписывая всем подобным датчикам уникальные особенности,  включая трехмерную разрешающую способность. На самом деле это не всегда так и мы постараемся развеять часть мифов, а также расскажем о своем опыте использования этого датчика.

Что же из себя представляет этот датчик? Это устройство с круговым обзором возвращает расстояние до каждой измеренной точки пространства. Основано на измерении либо сдвига фаз, либо задержки с использованием лазера или ИК сигнала.  Сигнал модулирован.  Типовые характеристики датчика:

1. Угол обзора: от 180 до 300 градусов (в большинстве все же есть мертвая зона позади)

2. Время одного измерения: от 25 до 100 мс (у датчиков слабая динамика)

3. Основаны на ИК лазере или ИК светодиоде в качестве источника сигнала.

4. Цена в розницу: от 36 000 до 350 000 руб и даже выше за 3d модели. (о спец. устройствах мы не говорим) (хотя можно уложиться и в 19 000 и даже в 3000, о чем чуть позже).

5. Внутри есть механическая вращающаяся часть, что плохо в бортовых условиях.

6. Довольно прожорливые по питанию, мощность - от 2.5 ватт и выше.

7. Дискретность измерений по круговому обзору (угловое разрешение) - не меньше 8 бит. Для Hokyuo - от 10 бит

8. Разрешающая способность по дальности составляет 1 мм.

Как вы уже догадались, эти датчики имеют отношение к области автоматизации. Мне известно  2 производителя таких дальномеров, это компании Hokyuo и Sick.  В данной статье мы уделим внимание дальномерам Hokyuo, так как дальномеры Sick очень дороги (от 10 000 евро и выше), еще их физически сложно достать из РФ.

   Дальномеры Hokyuo

    Компания Hokyuo расположена в городе Осака, Япония. Здесь на сайте можно посмотреть основную продукцию предприятия. Сканирующие лазерные дальномеры для мобильных роботов представлены 4 моделями.

                         URG-04LX-UG01

Это самая дешевая модель, которая появилась совсем недавно. При этом характеристики по дальности даже выше, чем у следующей модели в линейке. Слабым местом является качество работы и очень слабая динамика датчика. Несмотря на это вполне подходит для реализации SLAM в помещении и на данный момент является наиболее перспективным лазерным дальномером. Его стоимость (на начало 2012 - 36 000 руб) делает этот датчик единственным рентабельным при установке на мобильный робот для обычных применений. Стоит отметить габариты -  50х50х70 мм.

Power source 5VDC±5%(USB Bus power)
Light source Semiconductor laser diode(λ=785nm), Laser safety class 1
Measuring area 20 to 5600mm(white paper with 70mm×70mm), 240°
Accuracy 60 to 1,000mm : ±30mm,
1,000 to 4,095mm : ±3% of measurement
Angular resolution Step angle : approx. 0.36°(360°/1,024 steps)
Scanning time 100ms/scan
Noise 25dB or less
Interface USB2.0/1.1[Mini B](Full Speed)
Command System SCIP Ver.2.0
Ambient illuminance*1 Halogen/mercury lamp: 10,000Lux or less, Florescent: 6000Lux(Max)
Ambient temperature/humidity -10 to +50 degrees C, 85% or less(Not condensing, not icing)
Vibration resistance 10 to 55Hz, double amplitude 1.5mm each 2 hour in X, Y and Z directions
Impact resistance 196m/s2, Each 10 time in X, Y and Z directions
Weight Approx. 160g

                      URG-04LX

В статье про SLAM для получения карты помещения мы использовали именно этот дальномер. Стоит он почти в 2 раза больше первого и является более старой моделью в линейке. Обладая дальностью до 4 метров, он вполне подходит для навигации методом SLAM в узких помещениях при преимущественно линейных движениях. В отличие от первого он не питается от USB и требует внешнего источника на 5 вольт 1 А (500мА - работа, 800мА - пуск).

Model No. URG-04LX
Power source 5VDC±5%*1
Current consumption 500mA or less(800mA when start-up)
Measuring area 60 to 4095mm(white paper with 70mm)
240°
Accuracy 60 to 1,000mm : ±10mm, 1,000 to 4,095mm : 1% of measurement
Repeatability 60 to 1,000mm : ±10mm
Angular resolution Step angle : approx. 0.36°(360°/1,024 steps)
Light source Semiconductor laser diode(λ=785nm),
Laser safety class 1(IEC60825-1, 21 CFR 1040.10 & 1040.11)
Scanning time 100ms/scan
Noise 25dB or less
Interface USB, RS-232C(19.2k, 57.6k, 115.2k, 250k, 500k, 750kbps),
NPN open-collector(synchronous output of optical scanner : 1 pce)
Communication specifications Exclusive command(SCIP Ver.1.1 or Ver.2.0)*2
Ambient temperature/humidity -10 to +50 degrees C, 85% or less(Not condensing, not icing)
Vibration resistance 10 to 55Hz, double amplitude 1.5mm Each 2 hour in X, Y and Z directions
Impact resistance 196m/s2, Each 10 time in X, Y and Z directions
Weight Approx. 160g
Accessory Cable for power・communication/input・output(1.5m) 1 pce,
D-sub connector with 9 pins 1 pce

UTM-30LX

Самый дальнобойный и самый дорогой в этой линейке дальномер. В отличие от других он по степени защиты может применяться вне помещений.  Обладая дальностью до 30 метров, он может ориентироваться с помощью SLAM в больших помещениях. Обладает высокой динамикой и выдает в 4 раза больше измерений в секунду. В целом он гармонично дополняет линейку дальномеров, и сразу становится ясно, что с точки зрения маркетинга компания Hokyuo серьезно относится к делу.

 

 

 

Model No. UTM-30LX
Power source 12VDC±10%(Current consumptlon:Max:1A,Normal:0.7A)
Light source Semiconductor laser diode(λ=905nm)
Laser safety Class 1(FDA)
Detection Range 0.1 to 30m(White Square Kent Sheet 500mm or more),Max.60m
270°
Accuracy 0.1 to 10m:±30mm, 10 to 30m:±50mm*1
Angular Resolution 0.25°(360°/1,440 steps)
Scan Time 25msec/scan
Sound level Less than 25dB
Interface USB2.0(Full Speed)
Synchronous output NPN open collector
Command system Exclusively designed command SCIP Ver.2.0
Connection Power and Synchronous output:2m flying lead wire
USB:2m cable with type-A connector
Amblent(Temperature/Humidity) -10 to +50 degrees C, less than 85%RH(without dew and frost)
Vibration Resistance Double amplitude 1.5mm 10 to 55Hz, 2 hours each in X, Y and Z direction
Impact Resistance 196m/s2, 10 times in X, Y and Z direction
Weight Approx. 370g(with cable attachment)

UBG-04LX-F01

Несмотря на небольшой угол обзора, имеет высокую дальность и приемлемую стоимость. Также обладает высокой динамикой и выдает до 40 измерений в секунду. Эта модель по своему устройству предназначена для установки на переднюю часть мобильного робота для объезда препятствий, SLAM.  Только для применения внутри помещений.

Model No. UBG-04LX-F01
Power source 12VDC±10%
Detection Range 20 to 5,600mm(White Square Kent Sheet 80mm
240°
Accuracy Nominal Range 60 to 1,000mm:±10mm,
1,000 to 4,095mm:1% of Distance
Angular Resolution 0.36°(360°/1,024 steps)
Light source Semiconductor laser diode(λ=785nm)
Laser safety Class 1(FDA)
Scan Time 28msec/scan
Sound level Less than 25dB
Interface USB2.0(Full Speed),
RS-232C(19.2k, 57.6k, 115.2k, 250k, 500k, 750kbps)
Output Photo-coupler/NPN open-collector output(30VDC 50mA or less)
Synchronous output and malfunction output
Command system Exclusively designed command SCIP Ver.2.0
Connection Power and Synchronous output:2m flying lead wire
USB:2m cable with type-A connector
Amblent illuminance※1 Halogen/mercury lamp:10,000lx or less, Florescent:6,000lx(Max)
Amblent(Temperature/Humidity) -10 to +50 degrees C, less than 85%RH(without dew and frost)
Vibration Resistance Double amplitude 1.5mm 10 to 55Hz, 2 hours each in X, Y and Z direction
Impact Resistance 196m/s2, 10 times in X, Y and Z direction
Weight Approx. 260g(with cable attachment)

Итак, мы рассмотрели 4 дальномера для мобильных роботов. Нужно отметить, что у производителя их больше, но остальные рекомендованы для стационарного использования.  Кратко о достоинствах и недостатках:

Достоинства:

- компактные

- имеют USB и RS-232 на борту.

- позволяют реализовать навигацию с помощью SLAM

- имеют готовые библиотеки для разработчика и демо-программы.

Недостатки:

- пока еще дорогие

- нет дилера в РФ

- нужно внешнее питание (кроме  URG-04LX-UG01)

- есть проблемы с качеством измерений

А теперь изложу свое, так сказать, мнение пользователя по поводу этих дальномеров. Речь пойдет о модели URG-04LX. Были замечены следующие странности:

- дальномер начинает сильно искажать результат при измерении по касательной

- при измерении поверхностей, где происходит резкая смена угла (выступы, углы и пр.) также есть искажения результата

- есть несколько угловых направлений, где искажения заметно сильнее, чем в других направлениях.

Для проверки дальномера мы использовали 2 программы. Одна доступна здесь. Другую мы собрали на основе библиотеки для разработки и добавили возможность построения графиков для наглядности результата.  В скором времени мы приложим ее к статье.

Стоит упомянуть про существование сканирующих лазерных дальномеров Sick

 
 
 
 
 

Мы пока не тестировали эту линейку (хотя в ближайшее время такое возможно). Есть неплохое описание любителя вот здесь. Эти штуки любят использовать в науке, показательных проектах, в крупных соревнованиях, а также в роботах специального назначения. Но стоимость в 300 000 тыс руб и выше еще долго не даст этим устройствам дорогу в мобильные роботы общего назначения.

 

 

 

 

 

 

 
 

Прямой противоположностью является следующий лазерный дальномер. Он расположен в роботе Neato XV-11. Даже учитывая стоимость робота в 19 000 руб и параметры дальномера, он выгоднее, чем решения от Hokuyo.  В интернете уже целое сообщество бьется над reverse engineering этого образца, так как его себестоимость составляет всего 100 долларов.  В одном из роботов Евробот-2012 команда уже использует его для навигации методом SLAM.  Его наличие в роботе-пылесосе - одна из его ключевых особенностей. Для него уже разработан драйвер для Linux ROS и его можно скачать здесь. Ждем, когда это устройство попадет в руки других и будет доступно отдельно в продаже, наверно, это прерогатива владельца, но я думаю это тоже имеет смысл.

 

 

 

Leave a Reply

You must be logged in to post a comment.