4. Navigátor - zařízení pro určení pozice a orientace v 2D prostoru

Ing. Vlastimil Píč, Praha

V předchozí kapitole je popsáno programové vybavení, které dovolí nevidomému virtuálně projít zdigitalizovaný model budovy nebo osady a získat tak orientaci v novém neznámém prostředí. Hlasový výstup počítače jej neustále informuje o jeho okolí v procházené virtuální scéně. Ve spojení se zařízením pro určení polohy v reálné scéně, může počítač informovat průběžně nevidomého o jeho poloze v budově, o nejbližších překážkách a o směru pohybu k zadanému cíli. V dalším textu je diskutována konstrukce a realizace takového zařízení.

4.1 Požadavky a možná řešení

Cílem bylo realizovat zařízení, které dokáže určit polohu člověka v místnosti, budově či prostranství (dále jen scéně), tedy v 2D, a dokáže ji předat v elektronické podobě. Není rozhodující, je-li poloha určena absolutně nebo relativně tedy vzhledem k výchozí pozici. Je třeba počítat s tím, že na scéně budou další lidé třeba v pohybu, a že se scéna může měnit (někdo si například odloží kufr).

Zařízení této funkce lze rozčlenit na stacionární a nestacionární. První skupina je závislá na prostředí, druhá skupina spadá do oblasti inerciálních soustav. U stacionárního zařízení jsou jeho části (nebo část) instalovány ve známých pozicích scény a poloha se určuje na základě informací od pevně instalovaných částí. Mezi tyto systémy patří například ultrazvuková obdoba družicového navigačního systému GPS (Global Positioning System - viz. obrázek 4.1).Ve scéně jsou namontovány ve známých pozicích ultrazvukové vysílače. Mobilní přijímač vypočítává polohu z doby šíření signálu z jednotlivých vysílačů (tedy jejich vzdálenost).

Do této kategorie spadá i optický systém využívající známé textury (motivu) na podlaze. V místnostech, kde má být používán tento systém, je na podlahu položena krytina (lino, koberec, dlaždice) s rastrovým motivem (viz. obrázek 4.2). Na botě člověka je optický snímač, který na základě odrazů infračervených paprsků od podlahové krytiny informuje, o kolik jednotek vzdálenosti člověk popošel. Stacionarita tohoto systému spočívá ve zmíněné podlahové krytině. Toto řešení je relativně levné.

Obdobně může být pod podlahou síť miniaturních přijímačů a na botě člověka miniaturní vysílač malého výkonu. Tento vysílač je zaregistrován jen nejbližšími přijímači, jejichž poloha je známa.

Princip zaměření stacionárním zařízením

Obrázek 4.1: Princip zaměření stacionárním zařízením

Princip sledování textury

Obrázek 4.2: Princip sledování textury

Nestacionární tj. mobilní zařízení jsou nezávislá na scéně. Mohou pracovat bez předchozí přípravy scény. Sem lze zařadit ultrazvukový radar (obrázek 4.3). Mobilní zařízení má kruhově rozmístěné dvojice tvořené směrovým vysílačem a přijímačem. Vysílač vysílá ultrazvukové pulsy, které se odrážejí od nejbližších překážek v daném směru. Odraženou složku zachytí přijímač a ze zpoždění signálu určí vzdálenost překážky v daném směru. Tento systém zachytí nejen stěny objektu, ale i další lidi a překážky na scéně, což komplikuje vyhodnocování. Jde o systém s relativním odměřováním.

Velmi podobný je systém, který používá pro odměření vzdálenosti infračervený paprsek. Tento systém je směrově daleko přesnější a vzhledem k rychlosti šíření signálu (paprsku) i rychlejší.

Další systémy mohou využívat k výpočtu polohy informaci o ušlé vzdálenosti a azimutu.

Azimut lze určovat elektronickým kompasem nebo gyroskopem. Dráhu lze odměřovat mechanicky, například z odvalování kolečka na malém vozíčku taženého člověkem nebo na holi, obojí je však dost nepraktické. Další poměrně nepřesný způsob je elektronický krokoměr. Při každém došlápnutí dochází ke složení sil vyvolaných tíhovým zrychlením a záporným zrychlením ve stejném směru. Vetknuté kyvadélko umístěné u pasu kráčejícího člověka se při každém kroku vychýlí. Lze tak počítat kroky a z předpokládané konstantní délky kroku určit ušlou vzdálenost. Délka kroku je však různě závislá na rychlosti chůze (neznámá veličina). Při zkouškách se tato metoda ukázala jako velmi nepřesná při nepravidelné a tápavé chůzi. Navíc tento princip selhává, pokud se uživatel stane součástí jiné pohybující se soustavy (např. když se pohybuje na eskalátoru).

Použití ultrazvukového radaru

Obrázek 4.3: Použití ultrazvukového radaru

Určování polohy z ušlé vzdálenosti

Obrázek 4.4: Určování polohy z ušlé vzdálenosti

Ušlou vzdálenost lze určit nepřímo na základě informací ze snímače nezávislého na okolí - z akcelerometru. Je-li předmět v klidu nebo v rovnoměrném přímočarém pohybu, je zrychlení nulové. Při nabírání rychlosti je zrychlení kladné, při zastavování záporné. Z této veličiny lze určit okamžitou rychlost i ušlou vzdálenost. Při chůzi se dopředné zrychlení mění v průběhu kroku. Naměřené hodnoty při pohybu - klid, jeden krok, klid, dva kroky, zastavení - jsou patrné z grafu na obrázku 4.5. Výsledek měření signálu akcelerometru

Obrázek 4.5: Výsledek měření signálu akcelerometru

4.2 Popis řešení

Zkonstruované zařízení je založeno na popsaném jevu. Je to malý mobilní přístroj vzhledu krabičky, napájený z baterií. Nevidomý si jej přichytí na oděv k pasu v blízkosti kyčelního kloubu. Ovládacím prvkem přístroje je pouze vypínač, další úkoly jsou řízeny z připojeného počítače. Jádrem přístroje je mikroprocesor, který zpracovává údaje ze dvou akcelerometrů a jednoho gyrosnímače. Charakter snímaných veličin jej činí nezávislým na prostředí, ve kterém pracuje. Zařízení je tedy funkční i na pohyblivých schodech či vozíku. Je-li uživatel v klidu, dá to vědět dohodnutým způsobem řídícímu počítači. Ten vyšle do zařízení příkaz k inicializaci a spustí odměřování. Dál si už jen žádá o informaci o aktuální poloze uživatele. Popsané výhody tohoto řešení jsou zaplaceny relativně rychlou kumulací chyby. Ta vznikne při změně polohy zařízení vzhledem k zemskému povrchu od polohy v okamžiku kalibrace (obrázek 4.2). Ideální je poloha, ve které je svislá osa přístroje kolmá k zemskému povrchu. Při vychýlení z této polohy začnou akcelerometry snímat také část tíhového zrychlení jako zrychlení pohybové. Proto je nutné po určitém časovém úseku (desítky minut) provádět novou inicializaci, při které je prováděna také korekce takového vybočení. Fixní sklon osy by měl zůstat i během chůze. Pro popsaný účel to však není podmínka příliš omezující.

Chyba při měření zrychlení

Obrázek 4.6: Chyba při měření zrychlení

TECHNICKÉ ÚDAJE

Rozměry: cca 100 x 140 x 40 mm

Hmotnost bez baterií: cca 200 g

Napájení: 9V ss 6 tužkových akumulátorů NiCd

Příkon: 0,35 W

Doba chodu na jednu sadu baterií: asi 9 hodin

Komunikace s připojeným PC: přes zvolený paralelní port

Rychlost komunikace: 120 Bd sériově

Řídící mikropočítač: ADSP 2115

Snímače:

Zrychlení ADXL05

Úhlového zrychlení Gyrostar^TM ENG-05E

Teplota AD22100

Četnost snímání měřených veličin: 69 Hz, nastavitelná

Blokové schéma snímače polohy

Obrázek 4.7: Blokové schéma snímače polohy

4.2.1 Princip zařízení

Poloha ve 2D prostoru je určena dvěma souřadnicemi zvolené souřadné soustavy. Zařízení snímá zrychlení (modul a fázi) a z něho počítá okamžitou polohu vztaženou k výchozímu bodu v kartézské soustavě.

Měřené veličiny I

Obrázek 4.8: Měřené veličiny I

Integrací vektoru zrychlení podle času je vektor okamžité rychlosti. Integrací vektoru okamžité rychlosti podle času je vypočtena dráha (vzdálenost) od bodu na počátku integrace. Zrychlení je snímáno v rovině rovnoběžné s rovinou pohybu, ve směru dopředném a₁ a směru bočním a₂ (viz. obrázky 4.8 a 4.9). Úhel natočení složky a₁ je vypočten časovou integrací úhlové rychlosti otáčení (w). Úhlová rychlost je snímána v ose kolmé k rovině pohybu. Teplotní závislost snímačů je kompenzována na základě údajů ze snímače teploty.

Sběr dat, výpočty a komunikaci počítačem zajišťuje vestavěný mikropočítač.

4.3 Perioda sběru naměřených veličin

Z Fourierovy transformace průběhu zrychlení během posledních dvou kroků na obrázku 4.10 lze odečíst nejvyšší frekvenci spektra zrychlení 16 Hz. Vztah pro vektor okamžité rychlosti v čase t:
v (t) = ò _to a(t) dt + v_o
kde v_o je vektor rychlosti v čase počátku integrace t_o, a je vektor zrychlení v časovém okamžiku t a s je polohový vektor. Pro přírůstek dráhy platí vztah

ds(t) = v(t) . dt a pro dráhu v čase t

s(t) = ò _to v(t) dt + s_o = ò ò _to a(t) dt dt + v . t + s_o

V programové implementaci je provedena diskretizace integrálů a numerický výpočet Simpsonovou tříbodovou metodou.

^{to + nh}ò_to f(t) dt = 3h/8 ^{to + nh} S _t=to (f (t – 3h) + 3f (t – 2h) + 3f (t – h) + f (t)); nÎ N⁺
kde h časový skok (interval) odpovídající dt. Při vzorkovací frekvenci f_v je h = 1/f_v.

Merene veliciny II

Obrázek 4.9: Měřené veličiny II

4.4 Shrnutí dosažených výsledků

Realizace ukázala, že použití akcelerometru k popsanému účelu je náročné na stabilitu měřené veličiny. Šum a kolísání signálu na výstupu akcelerometru komplikovaly kalibraci přístroje a výpočet dvojí integrací rychle zvyšoval vznikající chybu. Úroveň šumu a kolísání odpovídala sedmi až osmi bitům z 13 bitů rozsahu převodníku. Po vypuštění těchto 8 bitů z navzorkovaného údaje bylo možné měřit dráhu s 256 krát menší přesností, ale lepší časovou stabilitou. Změřené hodnoty tak zachycovaly jen rychlejší pohyb.

V dalším by bylo vhodnější programově implementovat digitální filtr místo vypuštění osmi nejnižších bitů. Měření byla prováděna posouváním přístroje po vodorovné ploše, aby se zminimalizovala chyba vzniklá nakloněním přístroje (projevovala se velmi výrazně). Z mála měření, která byla doposud provedena, je patrné, že takto lze měřit dostatečně rychlý posuv k krátkém časovém úseku s přesností na cm. Je otázkou dalšího vývoje, bude-li přístroj použitelný pro odměřování větších vzdáleností.

Tím byla potvrzena správnost zvolené koncepce.

Spektrum zrychlení

Obrázek 4.10: Spektrum zrychlení

PŘEDCHOZÍ KAPITOLA OBSAH NÁSLEDUJÍCÍ KAPITOLA