Kostnadseffektiv sensorlösning för människoföljande robotar BJÖRN INGESON

Transkript

1 Kostnadseffektiv sensorlösning för människoföljande robotar BJÖRN INGESON Examensarbete Stockholm, Sverige 2011

2 Kostnadseffektiv sensorlösning för människoföljande robotar BJÖRN INGESON Examensarbete i datalogi om 30 högskolepoäng vid Programmet för datateknik Kungliga Tekniska Högskolan år 2011 Handledare på CSC var Patric Jensfelt Examinator var Stefan Arnborg TRITA-CSC-E 2011:052 ISRN-KTH/CSC/E--11/052--SE ISSN Kungliga tekniska högskolan Skolan för datavetenskap och kommunikation KTH CSC Stockholm URL:

3 Sammanfattning Det finns flera olika lösningar av sensorsystem som gör det möjligt för en robot att följa en människa i en avgränsad miljö. Förutom möjligheten att följa efter människor, har robotarna ofta en sak gemensamt, priset. De är för dyra för att produceras i en större mängd till konsumentmarknaden. I det här arbetet undersöks möjligheten att bygga ett billigt sensorsystem som gör det möjligt för en mobil robot att följa en människa, med vissa restriktioner på dess omgivning. En förstudie har gjorts för att bestämma vilka sorters signaler människokroppen sänder ut och vilka sorters sensorer som känner av dessa signaler. De avgörande faktorerna i slutsatsen kom att bli sensorernas egenskaper i kombination med priset. Förstudien av signalerna och sensorerna visade att IRkamera med CMOS-teknik, mikrofonen, ultraljudsensor och den passiva infrarödsensorn lämpar sig med avseende på funktion och pris. Eftersom den infraröda sensorn vanligtvis används i stationära lösningar, såsom inbrottslarm, genomfördes ett experiment för att undersöka funktionaliteten hos sensorn då den monterats på en mobil plattform. Resultatet av experimentet visade att det är möjligt att detektera föremål även när sensorn rör på sig. Abstract Cost efficient sensor-solution for human following robots There are several different kinds of sensor-system solutions that enable a robot to track and follow a human being in a controlled environment. Besides their ability to track and follow humans, they usually have one thing in common, the price of the system. They are too expensive for a larger production targeting the consumer market. This thesis examines the possibility to construct an affordable sensor solution enabling a consumer type mobile robot to follow a human being with some constraints applied to its environment. A pre-study has been made to determine what kinds of signals the human body emits and what kind of sensor that will be triggered by such signals. Crucial factors when reaching the conclusion were the properties and the prices of the sensors. From the pre-study of signals and sensors the result showed that the infrared CMOS-based camera, the microphone, the ultrasonic sensor and the infrared sensor were the best candidates to solve the main problem of this thesis in terms of function and price. Since the infrared sensor is usually used in stationary solutions, such as burglar alarms, an experiment has been conducted to demonstrate the functionality of an infrared sensor mounted on a mobile platform. The result of the experiment shows that it is possible to detect objects while the sensor is moving.

4 Innehållsförteckning Introduktion... 1 Syfte... 1 Krav och avgränsningar... 1 Problem... 2 Tidigare arbete... 2 Teori... 4 Människan... 4 Sensorer... 5 Sensorparametrar... 8 Analys... 9 Sensorer... 9 Sammanställning Pyroelektrisk sensor Experiment Resultat Slutsats Litteraturförteckning Övrig litteratur... 24

5 Introduktion Människan har fem sinnen och ett flertal olika metoder för att införskaffa sig information om föremål i sin omgivning. Ögonen ger människan förmågan att se föremål i synligt ljus. Ögonen används bland annat för att ta reda på var föremål befinner sig och i vilken riktning de färdas i. Öronen kompletterar människans förmåga att se föremål. Genom hörseln kan människan lyssna på ljud i omgivningen och på så sätt lokalisera föremål. Ögon och öron skickar signaler till hjärnan som bearbetar och tolkar informationen, som i sin tur kan användas för att bestämma vad vi ska göra härnäst. Utöver syn och hörsel räknas smak, lukt, känsel till de vanliga sinnena. Liksom människan måste en mobil robot ha förmågan att kunna ta till sig information. För att detta ska vara möjligt måste roboten vara utrustad med sensorer som kan tolka signaler i dess omgivning. Istället för ögon kan roboten använda kameror för att se föremål och robotens motsvarighet till öron är mikrofoner. Signalerna från dessa bearbetas i en eller fler datorer som kan sägas motsvara människans hjärna. För att kunna följa efter ett föremål måste roboten veta var, i relation till föremålet, roboten själv befinner sig. En sådan relativ position kan bestämmas på olika sätt. Exempelvis om roboten får vetskap om avstånd och vinkel till föremålet utifrån en bestämd punkt på roboten. Vetskapen om detta fås via sensorerna, och det är således sensorernas uppgift att samla information från omgivningen så att vinkel och avstånd kan beräknas. Det här arbetet påbörjades under kvartal 3 år 2007 och avslutades under kvartal 1 år Under den här tiden har det hänt en del avseende utvecklingen av sensorer, bland annat avseende hur mycket sensorerna kostar och liknande. Syfte Examensarbetets syfte är att utreda om det är möjligt att bygga ett sensorsystem som kan detektera en människa. Sensorsystemet ska användas på en mobil robot och ska kunna följa efter en människa i en kontrollerad miljö. Det primära kravet på sensorsystemet är att det inte får kosta för mycket att tillverka, så att slutprodukten ska kunna användas inom en period på cirka tre år. Skulle sensorsystemet kosta mer finns det en risk att slutprodukten inte går att tillverka till ett lönsamt pris på så kort sikt. Krav och avgränsningar Roboten ska kunna följa efter en människa på plant underlag både inomhus och utomhus. Eftersom roboten ska kunna befinna sig både inomhus och utomhus måste lösningen fungera i olika temperaturer och miljöer. Sensorsystemet ska fungera i olika ljusförhållanden, allt ifrån lysrör i ett kontorslandskap, stämningsbelysning i hemmet till skinande sol eller månljus. Sensorsystemets uppgift är att kunna positionera en människa inom ett visst avstånd för att kunna följa efter denna. Människan som sensorsystemet ska 1

6 positionera ska kunna röra sig fritt i rummet och i detta arbete antas att det inte passerar något mellan roboten och dess mål. Det kommer inte att finnas någon annan robot med samma sensorsystem i närheten, vilket medför att störningar från liknande signaler kan bortses ifrån. Sensorsystemet ska inte kosta mer än cirka tvåhundra svenska kronor och priset beräknas utifrån att stora volymer köps in, det vill säga inte att sensorerna köps styckvis. Sensorsystemets uppgift är att kunna följa en människa, inte identifiera. Den behöver alltså inte kunna se skillnad på olika personer. Problem Frågan som ställs i detta arbete är om det går att bygga ett sensorsystem som kommer att bli tillräckligt billigt inom en rimlig framtid, och gör att en mobil robot som är ämnad för konsumentmarknaden kan följa efter en människa. Kostnaden för sensorerna ska beräknas vid stora inköp, och inte vid köp av enstaka sensorer. En sådan produkt skulle till exempel göra att kundvagnen följer efter kunden i mataffären, eller att dammsugaren själv ser till att följa människan som dammsuger utan att fastna någonstans. Denna fråga besvarar jag genom att utreda följande delproblem i given ordning: Finns det några sensorer som kan detektera en människa under givna förhållanden? Är sensorerna billiga nog, nu eller inom en rimlig framtid? Kan en kombination av sensorerna ge roboten tillräckligt med information att följa sitt mål? En intressant fråga som inte kommer att besvaras till fullo i detta arbete är hur ett sådant system ska utformas för att ge ett så bra resultat som möjligt. Tidigare arbete Idag är det vanligt att använda sig av en kamera för att detektera en eller flera människor i kamerans synfält. Kameran kan kompletteras med en laserskanner som ger roboten möjlighet att få information om avstånd och vinkel till föremål i dess synfält. Fördelen med flera olika sensorer är att de kompletterar varandra genom att samla in information från olika signaler i omgivningen. Exempelvis kan en mikrofon och en kamera komplettera varandra då mikrofonen reagerar på ljud från omgivningen medan kameran ser föremålen. Den här kombinationen ger sensorsystemet möjlighet att hitta föremål i mörker, då kameran inte ser någonting, men mikrofonen kan höra föremålet eller tvärtom, då ett föremål syns men ingenting hörs. Det finns flera olika kombinationer av sensorer då det gäller att hitta samt följa efter en människa. Nedan följer några exempel från forskningsvärlden för att få en bild av vad som har gjorts hittills inom området. Priset på sensorerna tas inte i beaktning. I en studie där man undersökte interaktionen mellan en robot och en människa när de rör sig tillsammans (Sviestins, 2007), används en robot som är utrustad med två laserskannrar för att få 360 graders synvinkel. Laserskannrarna, som kan se 2

7 föremål på upp till fyra meters avstånd, kompletteras med en rundseende samt två vanliga digitalkameror för att kunna bestämma var människor befinner sig i robotens närhet. Här beskrivs även hur och var en robot bör röra sig för att inte kränka en människas personliga utrymme vilket är viktigt då roboten måste accepteras i användarens vardag. Lindström och Eklundh använder endast en laserskanner för att hitta och följa föremål som rör sig. Målet är att använda algoritmer som kan beräknas med betydligt mindre datorkraft än om en digital kamera används. Några av anledningarna att inte använda digitalkameran är att den har ett begränsat synfält och att det kan vara svårt att urskilja föremålet som ska följas. Den ger heller inte avståndet till föremålet, vilket är en viktig parameter för att kunna följa efter det (Lindström & Eklundh, 2001). Med hjälp av två digitalkameror kan en robot få stereosyn (Huber & Kortenkamp, 1995). Kamerorna är monterade med ett bestämt avstånd mellan varandra så att avstånd till matchande punkter i bilderna kan beräkna. Kamerorna kompletteras med ultraljudsensorer för att undvika föremål i robotens väg då det krävs betydligt mindre datorkraft att processa information från dessa sensorer. Fem passiva infraröda sensorer kan användas för att hitta vinkeln till en människa i synfältet (Sekmen, Wilkes, & Kawamura, 2002). Sensorernas synfält överlappar delvis varandra och på så sätt kan vinkeln till föremålet approximeras genom att bestämma vilka sensorer som ser föremålet. Den stationära roboten använder även digitalkameror och mikrofoner för att lokalisera och positionera föremål i dess omgivning. Shankar med flera använder ett antal fast monterade infraröda sensorer för att bestämma hur en människa rör sig i ett rum genom att analysera vilka sensorer som aktiveras. Här känner man till hur sensorernas synfält ser ut och kan på så sätt bestämma personens position med en viss felmarginal (Shankar, Burchett, Guenther, & Brady, 2006). Edward med flera använder en hemmagjord ultra wideband radar (UWB-radar) som ska vara tillräckligt liten och strömsnål för att kunna användas i en MAV. MAV (micro air vehicle) är ett litet flygplan med en maximal bredd och längd på 15cm. En soldat ska kunna skicka iväg sin MAV för att spana efter fiender i närområdet. Radarns syfte är att förhindra kollision men att i framtiden även kunna användas för att hitta människor. (Edward, Anthony, Lance, Robert, E, & Robert, 2002) Det finns även robotar som är mer eller mindre stationära som använder sensorer för att bestämma om en människa befinner sig i närheten av roboten och i så fall var någonstans. Vissa industrirobotar måste till exempel ha en säkerhetszon som måste vara tom för att roboten ska få utföra arbete, annars kan det finnas risk för skador. I ett arbete av Bone, Lu och Zeng används passiva infrarödsensorer (PIRsensorer), mikrovågsensorer och vanliga digitalkameror för att bestämma var personer befinner sig. Lösningen går ut på att ett rutnät byggs upp av celler som sedan klassificeras som ockuperade eller tomma (Bone, Lu, & Zeng, 2005). En robot kan även använda mikrofoner för att positionera ljudkällor. Gustafsson och Gunnarsson använder fyra mikrofoner monterade i en kvadrat. Ljudet träffar mikrofonerna vid olika tidpunkter och det går på så vis att bestämma var ljudkällan befinner sig i förhållande till sensorerna (Gustafsson & Gunnarsson, 2003). Det finns även varianter för att hitta och följa människor där omgivningen är riggad med sensorer. Övervakningskameror kan exempelvis användas för att hitta människor och känna igen rörelser. De används bland annat i tunnelbanan eller i mer privata sammanhang såsom i kasinon. 3

8 Teori Människan Människan som roboten ska följa sänder ständigt ut signaler som sensorerna på roboten kan detektera och sedan använda för att ta reda på relevant information. Nedan är en sammanställning över de vanligaste signalerna som en människa utstrålar. Temperatur En människas temperatur uppgår till cirka 37 grader Celsius och utstrålar elektromagnetisk strålning i det infraröda området 1 med en topp nära 9,55 mikrometer (Fang, Hao, Brady, Guenther, & Hsu, 2006). Infraröd strålning har lägre frekvens än synligt ljus och syns inte med blotta ögat. Strålningen absorberas olika mycket av olika material. Ljud Då människan interagerar med omgivningen uppkommer ljud av olika slag. Till exempel när han eller hon rör på sig, andas eller pratar. Storlek (volym) Människan består till cirka två tredjedelar av vatten. Det tillsammans med annan biologisk vävnad, gör att människan har en viss volym som på så sätt definierar honom eller henne. Utöver det påverkas människan av tyngdkraften och i genomsnitt väger en man 82 kg 2 och en kvinna 67 kg 3. Elektromagnetiska vågor kan studsa på huden och på kläder som en människa har på sig. Rörelser När människan går rör han eller hon sig på ett speciellt sätt och leder i olika kroppsdelar rör sig i ett visst rörelsemönster. Rörelsemönster varierar från människa till människa. Färg Människan har ofta kläder på sig. Dessa kan förekomma i olika färgkombinationer som kan variera mycket mellan olika personer. Olika människor har även olika hud- och hårfärg. 1 Våglängder mellan 1mm och 750nm 2 (hämtat ) 3 (hämtat ) 4

9 Sensorer Sensorer kan delas upp i två grupper - aktiva och passiva. Sensorer som inte påverkar omgivningen med en egen tillförd energikälla kallas passiva. Mikrofonen och digitalkameran är exempel på passiva sensorer (Nourbaskhsh & Siegwart, 2004). Aktiva sensorer använder sig av en egen energikälla som sänder ut signaler som träffar föremål i sensorns synfält. Den utsända energin studsar på föremålet och tillbaka till mottagardelen i sensorn som tolkar informationen. Laserskannern och ultraljudssensorn är exempel på aktiva sensorer (Nourbaskhsh & Siegwart, 2004). Tabell 1 Sensorers elektriska egenskaper Sensor Digitalkamera Linjekamera Värmekamera Pyroelektrisk sensor Mikrofon Laserskanner Ultraljudssensor Radar Egenskap Passiv Passiv Passiv Passiv Passiv Aktiv Aktiv Aktiv Sensorerna har både för- och nackdelar då det gäller att positionera en människa. I följande avsnitt beskrivs egenskaperna hos de olika sensorerna. Digitalkamera Digitalkameror använder sig av en sensor som konverterar ljus till elektriska laddningar. Sensorn är konstruerad som ett rutnät där en cell motsvarar en pixel i bilden. När en cell träffas av ljus i form av fotoner skapas en elektrisk laddning. Det finns två olika tekniker för att skapa bilder utifrån de rutnät sensorn i digitalkameran skapar - CCD (Charged Coupled Device) och CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). En CCD-sensor skickar signalerna från de laddade cellerna sekventiellt till extern elektronik som konverterar signalerna till en spänning som sedan kan användas för att visa en bild. CMOS-sensorn konverterar cellernas laddning till en spänning i varje pixel för att sedan behandlas i närliggande elektronik. Skillnaden i avläsning av pixlarna gör att teknikerna har olika för- och nackdelar. Med en CMOS-sensor kan alla kamerafunktioner integreras på samma krets som bildsensorn, vilket gör att hela kameran kan göras mindre. Det finns även möjlighet att läsa av mindre delar av bilden med en CMOS-sensor. Detta möjliggörs genom att spänningen kan läsas av direkt från pixlarna, vilket i sin tur leder till att vissa bildbehandlingsalgoritmer kan köras snabbare då man arbetar på mindre bilder. Komponenterna i dagens CMOS-sensorer är monterade bredvid varandra i varje pixel, vilket gör att den yta som är känslig för ljus blir mindre, vilket i sin tur ger sämre bildkvalité och ljusomfång om man jämför med en CCD-sensor av samma storlek. CCDsensorn är mindre utsatt för brus och störningar, då förstärkare och konverterare inte finns på samma krets som bildsensorn. Digitalkameror i allmänhet är känsliga för olika ljusförhållanden vilket gör att de ibland kan missa viktig information om kameran blir bländad eller om det är för mörkt. 5

10 Linjekamera Linjekameran använder sig av antingen CCD- eller CMOS-tekniken som beskrivs ovan. Skillnaden är att den endast har en rad av de celler som känner av fotonerna. En bild från linjekameran visar således en rad av en bild från en vanlig digitalkamera. Eftersom linjekameran läser av mindre information än den vanliga kameran kan den ha högre frekvens på uppdateringsintervallet. Jämfört med en vanlig digitalkamera som exempelvis har ett uppdateringsintervall på sextio bilder per sekund (60Hz), kan linjekameran uppdatera med en frekvens på exempel 200kHz. Värmekamera Värmekameran, även kallad infraröd kamera (IR-kamera), liknar den digitala kameran. Den största skillnaden är att IR-kamerans sensor är känslig för infraröd strålning istället för synligt ljus. En pixel i en bild från IR-kameran har olika värden men representerar istället hur mycket infraröd energi den har registrerat. Vanligast är att ljusare objekt i bilden är varma och mörkare är kallare (se Figur 1). För att lättare tyda bilder som tagits med en värmekamera kan bilden kompletteras med en temperaturskala som gör det möjligt att se hur varma olika delar av bilden är. Detta hjälper inte en dator att tyda bilden utan är ett hjälpmedel för att kunna tolka temperaturskillnaderna som finns i bilden. Eftersom kroppstemperaturen hos en människa ofta skiljer sig från omgivningen är det relativt lätt att urskilja människan i bilden. Sensorn i värmekameran är helt oberoende av synligt ljus vilket gör att den fungerar i alla ljusförhållanden. Figur 1 Bild tagen med värmekamera Pyroelektrisk sensor Pyroelektriska sensorer (PIR-sensor) används vanligtvis i automatiska ljuskontakter som tänder belysning när någon rör sig. Andra användningsområden är inbrottslarm och annan övervakning där rörelsedetektorer finns. Det finns sensorer med ett, två eller fyra element som skapar en elektrisk laddning när de träffas av värmeenergi. Sensorn med ett element visar alltid hur mycket energi som träffar sensorn, medan flerelementvarianterna visar skillnaden mellan de olika elementen. En sensor med flera element känner av rörelse då 6

11 värmeenergi från föremålet som rör sig i synfältet träffar den pyroelektriska sensorn. Det gör att de endast reagerar på föremål som rör sig i synfältet då de olika elementen måste registrera olika mängd energi. Med hjälp av en eller flera linser kan man bestämma hur stort synfält sensorn ska ha. Sensorn är gjord av ett kristallmaterial som genererar en elektrisk laddning då den träffas av värmeenergi i form av infraröd strålning. Laddningen ändras när mängden strålning som träffar kristallen ändras och kan då mätas med en fälteffekttransistor som är inbyggd i sensorn. Sensorelementen är känsliga för ett relativt stort intervall våglängder och därför byggs ett filter in i sensorn där den våglängd som sensorn ska detektera kan bestämmas. För att sensorn ska vara känslig för värme som människan utstrålar används ett lågpassfilter som släpper genom våglängder mellan 8 och 14 mikrometer. Mikrofon Mikrofonen kan känna av de ljud som människan ger ifrån sig då han eller hon rör på sig. Detta innebär att mikrofonen kan användas för att bestämma om det finns en människa i närheten. För att bestämma positionen av en ljudkälla måste tre eller flera mikrofoner användas. Tidsskillnaden mellan signalerna som mikrofonerna registrerar kan då mätas, för att på så sätt kunna bestämma varifrån ljudet kommer. Ett problem med detta är att det ofta förekommer mycket ljud i omgivningen, vilket innebär att det kan vara svårt att urskilja rätt ljudsignaler. Laserskanner Laserskannern består av ett antal olika delar. En sändare som belyser målet med kollimerat ljus 4 från exempelvis en laser och en mottagare som detekterar ljus som studsat från det belysta föremålet. För att åstadkomma en svepande effekt finns optik inbyggd i sensorn i form av en eller flera roterande speglar. Speglarna sveper ljusstrålen över sensorns synfält vilket kan vara både i en och två dimensioner. Avståndet till objektet i synfältet kan beräknas med hjälp av olika metoder, exempelvis genom att mäta tiden det tar för ljuset att färdas från sändaren till objektet och tillbaka. Denna metod kallas för time of flight (TOF). Andra metoder går ut på att mäta frekvensen mellan en frekvensmodulerad kontinuerlig våg (FMCW) och dess reflektion eller att mäta fasförskjutningen på den reflekterade vågen. Sensorn har hög upplösning och kan detektera föremål på olika avstånd, både korta och långa. Ultraljudssensor På samma sätt som laserskannern mäter tiden för ett det reflekterade ljuset med TOFmetoden mäter ultraljudssensorn tiden på en ljudpuls som studsat på ett föremål i dess synfält. Sensorns precision är beroende av storleken på ljudloben som sändaren skickar ut och olika luftegenskaper, till exempel luftfuktighet och temperatur, vilket gör att den kan ge olika resultat beroende på miljön den används i. Radar Radar är en förkortning av engelskans radio detection and ranging. Radarn fungerar på liknande sätt som laserskannern men använder radiovågor istället för laserljus. Signalens frekvens som radarn sänder ut bestämmer delvis hur långt den ser och hur bra upplösning den har. En radar som ser långt har ofta sämre upplösning på korta avstånd. För att se föremål på små avstånd är kortvågsradarn ett bra alternativ då den högre frekvensen ger bättre upplösning på kortare avstånd. Vissa radarvarianter kan se genom väggar och föremål beroende på signalstyrka och implementation. En variant som kan göra det kallas UWB (Ultra-wideband) radar. Skillnaden mellan en vanlig radar och en UWB-radar är att den förstnämnda beräknar avstånd till föremål genom att skicka ut en puls och sedan vänta på svaret som har studsat tillbaka, även kallad time of flight (TOF). 4 Parallellt ljus 7

12 De flesta implementationer bygger på att radarn sveper över en yta för att kunna bygga upp en bild av var föremål befinner sig. Med en UWB-radar måste avståndet man ska lyssna på bestämmas när man skickar iväg pulsen för att kunna avgöra om ett föremål rör sig eller inte. Det finns även mikrovågsradar som bland annat används för automatisk dörröppning eller kollisionsskydd i bilar. Denna sensor känner av rörelse inom en förbestämd zon genom att mäta skillnaden i frekvens på utsignalen och insignalen, även kallad dopplereffekten. Sensorparametrar Nedan följer förklaringar av olika parametrar som kan användas för att bedöma en sensors egenskaper. I ett sensorsystem måste man vara uppmärksam på att sensorerna har olika prestanda. Systemet begränsas ofta av den sensor som har sämst värden på någon parameter. Till exempel kan ett sensorsystems uppdateringsintervall begränsas av den sensor som har lägst bandbredd. Upplösning Upplösning är den minsta skillnaden mellan två mätvärden som kan upptäckas av sensorn. Linjäritet Sensorns utsignal är linjär mot insignalen om man för två utsignaler f(x) och f(y) samt konstanterna a och b kan skriva: f(ax + by) = af(x) + bf(y) Bandbredd Bandbredd beskriver hur ofta en sensor kan mäta data i en kontinuerlig ström. Mäts i hertz (Hz) och är antalet mätningar per sekund. Robotens hastighet är ofta begränsad av bandbredden hos sensorerna som ska hitta hinder i robotens väg. Känslighet Känsligheten visar hur en liten ökning i insignal påverkar utsignalen. Mäts som förhållandet mellan utsignalens ändring och insignalens ändring. Korskänslighet Beskriver hur sensorn påverkas av parametrar i omgivningen som inte ingår i sensorns mätområde. Ett exempel på detta kan vara hur en sensor som mäter kolmonoxidhalten i luften även påverkas av andra gaser. Sensorn kommer då att indikera att kolmonoxid finns men det behöver inte vara sant. Systematiskt fel Fel som orsakas av faktorer som i princip kan förutses kallas systematiskt fel. För att uppskatta storleken av felet kan sensorn kalibreras i en kontrollerad miljö. När sensorn sedan används kan hänsyn tas till det kända felet. Ett exempel på ett systematiskt fel är en kamera som sitter monterad i fel vinkel. Slumpmässigt fel Fel som inte kan modelleras eller förutses är slumpmässiga fel. Det kan exempelvis ses när man mäter avstånd, där flera olika mätningar i en statisk uppställning och konstant avstånd, inte ger samma resultat. 8

13 Analys I följande avsnitt kommer de olika sensorerna att presenteras med motivering till om de kan användas till att lösa arbetets frågeställning eller inte. För att hitta en lämplig lösning på arbetets frågeställning kommer olika sensorers egenskaper att undersökas. Resultatet används för att bestämma vilka sensorer som skulle kunna användas för att lösa uppgiften. Sensorerna som kommer att undersökas listas i tabell 2 nedan. Tabell 2 Sensorer Digitalkamera Linjekamera Värmekamera Pyroelektrisk sensor Mikrofon Laserskanner Ultraljudssensor Radar När det gäller pris har det varit svårt att få fram information om inköpspris vid större volymer. Därför kommer priset av enstycksinköp av en sensor användas för att få en riktlinje av kostnaden för sensorn. I de fall som hamnar i närheten av gränsen på 200 kronor antas att en viss del av priset kan dras av för att ge ett mer rättvisande pris. Antagandet baseras på att det ofta är avsevärt mycket billigare att köpa in stora volymer jämfört med att köpa styckvis. Elfa 5 listar priser för inköp av 100 stycken sensorer eller fler. Jämfört med köp av enstaka sensorer är de mellan trettio och fyrtio procent billigare vid större volymer. Om exempelvis inköpsvolymer uppemot exemplar eller mer skulle beställas kan det antas att priset kan sänkas ytterligare. Därför antas att priset sänks med 75 % vid större volymer, i jämförelse med enstyckspris. Det är väldigt svårt att förutse hur priset på sensorer ändras, till och med inom en snar framtid, då utvecklingen ständigt går framåt. Därför kan det vara så att sensorer som inte listas här för att de är för dyra, skulle bli bra kandidater inom en rimlig framtid. Sensorer Digitalkamera Kostnaden för en kamera kan variera beroende på teknik och konstruktion. Ett exempel är en CMOS-kamera med en upplösning på 1300x1040 pixlar som har ett listpris på cirka 80 kronor 6. Fördelen med kameran är att den hämtar mycket information om omgivningen. Ur de inhämtade data kan användaren sedan bestämma vad som ska användas. Exempelvis kan igenkänning av former eller färger användas för att hitta en människa, alternativt optiskt flöde för att hitta rörelser i bilden. De olika teknikerna för att tolka informationen har en sak gemensamt, de kräver datorkraft. En nackdel om kameran skulle väljas är att den har en begränsad förmåga att ge användbara data vid vissa ljusförhållanden. Då måste sensorsystemet kompletteras med sensorer som har möjlighet att hämta tillräckligt med information för att inte tappa bort människan som ska följas (hämtat ) 9

14 Linjekamera Linjekameran har i stort sett samma för- och nackdelar som den vanliga digitalkameran när det gäller ljusförhållanden. Linjekameran samlar inte in lika mycket information vilket gör att det blir avsevärt svårare att bestämma vad som är vad i en bild. För att få en bild som liknar den en vanlig kamera tar kan linjekameran svepas över den axel som är en pixel hög. Här finns en risk att informationen blir svårtolkad då även roboten som linjekameran är monterad på rör sig, vilket gör att algoritmen för att tolka bilder blir ännu mer komplicerad. En linjesensor med en upplösning på 1024x1 pixlar kostar cirka 400 kronor 7. Med antagandet att kostnaden kan reduceras med 75 % hamnar linjekameran inom gränsen, men den ställer höga krav på hård- och mjukvara som ska tolka dess information. Eftersom en vanlig digitalkamera vanligtvis har tillräckligt högt uppdateringsintervall för att hitta och följa en människa finns det ingen anledning att välja linjekameran som är dyrare. Värmekamera Värmekameror som idag används vid inspektion av elkretsar eller ventilation av hus använder en teknik som gör att kameran blir för dyr för det här arbetets budgetkrav (cirka kronor 8 ). En vanlig digitalkamera med en CMOS-sensor kan detektera elektromagnetiska vågor i IR-området som ligger nära synligt ljus. Kameran kan belysa föremål med inbyggda infraröda LED (Light Emitting Diode) som gör att kameran kan användas i mörker. En sådan kamera kostar cirka 270 kronor 9. Den är lite dyrare än den vanliga digitalkameran men fungerar även i mörka miljöer vilket är en stor fördel, och gör det till en bättre kandidat än den vanliga digitalkameran. Pyroelektrisk sensor Sensorn används ofta i inbrottslarm för att detektera rörelse. Sensorn finns i olika utföranden och de som innehåller två eller fler element ser rörelse genom att infraröd strålning träffar elementen vid olika tidpunkter när någon rör sig framför den. Sensorn är inte beroende av synligt ljus vilket gör att den fungerar dag som natt. Sensorn kostar cirka 10 kronor 10 vilket gör det till en kandidat att lösa arbetets problem. Nackdelen med denna sensor är att den ofta har en starttid där den inte kan användas. Sensorn används ofta i stationära installationer med en stillastående omgivning. Om sensorn rör sig i förhållande till omgivningen kan den signalera att någonting har rört sig när det i själva verket var sensorn som gjorde det. Mikrofon Mikrofonen är en billig sensor (cirka 8 kronor 11 ). En fördel med den här sensorn är att det är relativt enkelt att ta hand om informationen den samlar, då ljudet är endimensionellt. För att hitta riktning till en ljudkälla behövs tre mikrofoner, och då kan källans position bestämmas genom triangulering. Den är inte känslig för ljus och miljöer som gör att människan som ska följas blir helt tysta är relativt sällsynta. Nackdelen är att den är känslig för ekon och att det i många miljöer förekommer mycket oljud som kan leda till feltolkningar. Priset och fördelarna väger tyngre än nackdelarna vilket gör mikrofonen till en kandidat. 7 (hämtat ) 8 OPTPI16O31T900 från (hämtat ) 9 (hämtat ) 10 (hämtat ) 11 (hämtat ) 10

15 Laserskanner Laserskannern kan känna av flera objekt på olika avstånd med en hög upplösning. Sensorn kostar i dagsläget för mycket för att användas i det här arbetet (cirka 9000 kronor 12 ). Ultraljudssensor Sensorn bestämmer avstånd till föremål i dess synfält. Denna sensortyp kan ha svårt att skilja på riktiga ekon och falska ekon. Ljudpulserna måste samordnas för att inte störa tidigare utskickade sändningar. Sensorn kostar cirka 40 kronor 13. En fördel är att det är relativt lätt att tolka signalerna som genereras vilket innebär att sensorn kan användas. Radar Radarn är helt oberoende av ljusförhållanden vilket gör den lämplig att använda för att hitta människor i olika miljöer. Mikrovågsradarn använder sig av dopplereffekten vilket gör att den känner av rörelse i en förutbestämd zon genom att jämföra skillnaden i frekvens på den utsända och den reflekterade signalen. Om signalen har studsat på någonting som rört sig kommer sensorn att aktiveras. UWB radarn som tidigare nämnts som ett bra alternativ på korta avstånd verkar fortfarande vara i ett tidigt skede i utveckling och forskning. Det finns många arbeten som beskriver olika implementationer (Guo & Filer, 2006), (Immoreev & Fedotov, 2002), (Immoreev & Tao, Short-distance ultra wideband radars, 2005), (Immoreev I. Y., Practical Application of Ultra-Wideband Radars, 2006), men det är svårt att hitta färdiga komponenter och beskrivningar på hur de ska användas. Därför har inte något pris hittats. Denna sensor kommer inte att bli en kandidat i detta arbete då de efterforskningar som gjorts inte har kunnat påvisa hur den skulle kunna användas. Det ska dock poängteras att det finns en hög potential i den här sortens sensor för mindre mobila robotar (hämtat ) 13 (hämtat ) 11

16 Sammanställning Tabell 3 visar en sammanställning av sensorernas egenskaper, för- och nackdelar samt om de är för dyra eller om de kan användas inom ramen för arbetets budgetkrav. Tabell 3 För- och nackdelar för olika sensorer Typ Detekterar Fördelar Nackdelar Kostnad Digitalkamera Rörelse Synliga objekt Mycket information Kräver datorkraft Ok Linjekamera Rörelse Hög bandbredd Svårtolkad information Ok IR-kamera Värme Rörelser Kan se skillnader i temperaturer i bilden Kräver datorkraft Inte ok Ok (CMOS) Pyroelektrisk sensor Värme Rörelser Oberoende av ljud och synligt ljus Låg upplösning Ok Mikrofon Ljud Billig Känslig för ljud från felkällor Ok Laserskanner Avstånd Hög upplösning Dyr Inte ok Ultraljudsensor Avstånd Liten Känslig för ekon alternativt andra sensorer av samma karaktär Ok Radar Avstånd Hög upplösning Ser genom föremål Dyr Vet ej Tabell 3 visar att sex sensorer befinner sig inom arbetets begränsningar när det gäller kostnad, nämligen digitalkameran, linjekameran, IR-kameran med CMOS-teknik, pyroelektriska sensorn, mikrofonen och ultraljudsensorn. De tre kamerorna av olika slag ger samma information men med olika egenskaper. Linjekameran har högre uppdateringsintervall än den vanliga digitalkameran. För denna uppgift behövs inte den snabbheten utan man skulle vinna på att välja den vanliga digitalkameran då den ger mer information och är billigare. Det ger utrymme att komplettera med fler sensorer. IRkameran har mer eller mindre samma egenskaper som den vanliga digitalkameran men fungerar även i mörka miljöer vilket leder till att roboten skulle ha mest nytta utav IRkameran under rådande krav och avgränsningar. Det som talar emot IR-kameran är att den är aningen dyrare än den vanliga digitalkameran. Digitalkameror, mikrofoner och ultraljudsensorer används idag på mobila robotar för att hitta och följa en människa. Fokus för resterande delen av det här arbetet kommer att läggas på PIR-sensorn som vanligtvis används i stationära installationer. Frågan är om den även fungerar på en mobil plattform. Anledningen till att fokusera på just den här sensorn är att det inte finns lika många implementationer som använder PIR-sensorn på en mobil plattform, vilket gör det intressant att undersöka om den skulle kunna användas på en robot som ska följa efter en människa. En kombination av ovan nämnda sensorer skulle göra det möjligt för en robot att få tillräckligt med information för att följa en människa. IR-kameran registrerar signaler såsom rörelse, färg och volym. PIR-sensorn registrerar temperatur och mikrofonen ljud. Tillsammans täcker de alla nämnda signaler som människan utstrålar (se sidan 4), och gör att roboten kan användas i de olika miljöer som beskrivs i arbetets krav och avgränsningar (se sidan 1). Ultraljudsensorn kompletterar informationen med att mäta avståndet till människan som ska följas. 12

17 Pyroelektrisk sensor Genom att studera sensorers för- och nackdelar som beskrivits tidigare i arbetet, samt hur mycket de kostar har slutsatsen kunnat dras att den pyroelektriska sensorn är en kandidat för att lösa arbetets problemställning. Den pyroelektriska sensorn används i allmänhet för att detektera föremål som utstrålar värme vilket stämmer bra överens med vad roboten ska detektera, en människa. På samma sätt som när sensorn används i ett inbrottslarm kommer robotens mål att röra sig fram och tillbaka i dess synfält när människan viker av åt höger eller vänster (se Figur 2). Figur 2 Föremål som rör sig vinkelrätt mot sensorns riktning När en människa rör sig framåt och bakåt rör den sig i samma riktning som sensorn pekar och det finns en risk att sensorn inte ger något utslag, se Figur 3. Figur 3 Föremål som rör sig i sensorns riktning 13

18 En idé för att kunna detektera rörelse i alla riktningar är att använda sig av flera sensorer som ser olika delar av det totala synfältet (se Figur 4). På så sätt kommer olika sensorer att vara aktiva beroende på var i det totala synfältet målet befinner sig. Figur 4 Tre sensorers synfält Genom att bygga upp ett rutnät där PIR-sensorerna ser olika delar av ytan framför roboten så finns det möjlighet att bestämma var människan befinner sig för att sedan anpassa vinkeln så att roboten kan fortsätta att följa sitt mål (se Figur 5) Figur 5 Rutnät av sex horisontella och fyra vertikala PIR-sensorer Om någonting syns i översta rutan till vänster är exempelvis sensor ett och fem aktiverade. På samma sätt har alla rutor en unik kombination av sensorer aktiverade där en ruta som mest aktiverar 4 sensorer samtidigt. Beroende på hur utformningen av roboten ser ut kan det fortfarande vara svårt att bedöma hur målet rör sig i samma riktning som sensorn, då människans huvud och fötter inte förflyttar sig lika mycket upp och ner som kroppen gör i sidled när människan svänger. Alternativt skulle man kunna komplettera med sensorer som mäter avstånd till föremålet som roboten följer för att kunna hålla sig på ett lämpligt avstånd, exempelvis ultraljudsensorn. 14

19 IR sensorns konstruktion Figur 6 Exempel på konstruktionen av en pyroelektrisk sensor med två element En pyroelektrisk sensor med dubbla element (Figur 6) passar bättre än en med endast ett element, då den är mer okänslig mot förändringar i omgivningen, till exempel om temperaturen ändras eller om solen lyser rakt på sensorn. En sådan förändring påverkar båda elementen samtidigt, vilket skapar lika stora utsignaler av motsatt polaritet och därför tar ut varandra. Sensorn kommer endast att skapa en skillnad i utspänning om det ena elementet träffas av IR-strålning men inte det andra, se Figur 7. Figur 7 Pyroelektrisk sensor med två element Om en kropp rör sig framför sensorn kommer dess strålning först träffa det ena, sedan båda och till sist det andra elementet och ge en utsignal som ser ut som i Figur 8. Figur 8 Utsignal från sensor med två element 15

20 Utsignalen blir först negativ då första elementet träffas av strålningen. När båda elementen träffas tar de ut varandra och ger en positiv utsignal då det andra elementet träffas. En PIR-sensor utan någon lins kan detektera värmekällor på cirka en meters avstånd. Om värmekällan befinner sig längre ifrån sensorn kommer strålningen att träffa båda elementen lika mycket, vilket inte ger någon utsignal. Sensorns avkänningsavstånd kan ökas genom att man använder en lins eller delvis täcker för sensorns element. Nedan beskrivs två olika linser som kan användas. Fresnel-lins Fresnel-linsen är en tillplattad plankonvex lins. Den har samma ljusbrytande egenskaper som en plankonvex lins men är tunnare vilket gör att absorptionen av IR-strålning är mindre. Se Figur 9. Figur 9 Jämförelse mellan en plankonvex- och Fresnel-lins Eftersom linsen fokuserar IR-strålningen på sensorelementen ökar avståndet som värmekällor kan detekteras avsevärt. Genom att placera flera Fresnel-linser i ett bestämt mönster på en större lins som sitter framför sensorn, kan man bestämma hur synfältet för den sensorn kommer se ut. Se Figur 10. Figur 10 Exempel på synfält för en sensor med Fresnel-lins sett uppifrån och från sidan 16

21 Skugglins Utan lins begränsades sensorns detekteringsavstånd för att båda elementen träffas av infraröd strålning samtidigt och tar ut varandra. Om man placerar en bit av ett material som inte släpper igenom IR-strålning framför sensorn mellan elementen så förhindras delar av IR-strålningen från värmekällan att träffa sensorn genom att skugga delar av den. När värmekällan rör sig på ett längre avstånd från sensorn kommer det ena elementet att vara skuggat, medan det andra träffas av strålningen. Genom att använda en skugglins kan detekteringsavståndet ökas upp till cirka sex meter. Om flera delar som skuggar sensorn sätts på en rad kan vidvinkellins åstadkommas (se Figur 11). Figur 11 Skugglins för vidvinkel Linsen måste böjas så att alla skuggdelar sitter på samma avstånd från sensorn. För att kunna använda PIR-sensorer utomhus måste de skyddas från damm och regn. Det görs genom att använda en skyddande lins som är gjord av till exempel polyetylen som är en termoplast som inte är vattenlöslig. 17

22 Experiment PIR-sensorer förekommer idag oftast i fasta installationer såsom rörelsedetektorer för larm där de är monterade på en vägg eller i tak. Frågan är om de även fungerar om de är monterade på en mobil plattform? För att ta reda på det har ett experiment med en rörelsedetektor av modell AEI PIR-2712 genomförts. Tabell 4 Specifikation för AEI PIR-2712 Strömförbrukning 15mA (vid 12V DC) Drivspänning 8-16V DC (12V DC märkspänning) Reaktionssätt Passiv IR med växlande polaritet Uppstartstid Normalt 2 minuter (blinkande lysdiod) Larmperiod 2-3 sekunder Pulsräkning Normal reaktion eller 2 pulser inom 10s Användningstemperatur 10 C till +55 C Relativ luftfuktighet 95 % ej kondenserande Mått 105x60x40mm PIR-2712 Rörelsedetektorn består av ett kretskort med en pyroelektrisk sensor med dubbla element, en LED (Light Emitting Diode) som visar aktivitet, logik för signalbehandling och tre byglingar som används för att välja olika inställningar. Kretskortet är inneslutet i ett plasthölje som är uppdelat i ett fram- och bakstycke. Framför PIR-sensorn finns en fresnellins som bestämmer hur detektorns synfält ser ut. Enligt instruktion ska detektorn monteras två meter ovanför golvet vilket ger ett 90 graders synfält med detekteringsförmåga upp till 12 meter. Figur 12 visar hur sensorn ser ut i originalutförande. Figur 12 PIR

23 Förberedelser För att testa förmågan att upptäcka stillastående objekt när detektorn själv är i rörelse behövs inte ett så stort synfält som Fresnel-linsen ger. Därför togs linsen bort och ersattes av eltejp som täckte för större delar av sensorns detekteringsområde. En liten öppning lämnades kvar framför sensorn, så att den endast detekterade föremål i en smal kon rakt fram, se Figur 13 Figur 13 PIR-2712 i testutförande Detektorn är specificerad att användas med en spänning mellan 8-16 volt. För ökad mobilitet kopplades ett 9V batteri som spänningskälla. De tre byglingarna på kretskortet ändrades inte och var inställda på att använda detektorns LED för att indikera rörelse, standardläge för larm, vilket innebär att den blir aktiv vid första kontakt, och att den externa larmutgången normalt är stängd och öppnar vid larm. Larmutgången användes inte i det här experimentet. Detektorn monterades på den mobila plattformen, med möjlighet att vridas 360 grader. Utförande Ett område med storleken 1x0,5m användes som testområde. Experimentet utfördes med den mobila plattformen åkandes utmed en vägg som inte aktiverade detektorn (se Tabell 5). Två olika vinklar på detektorn testades för att undersöka om infallsvinkeln påverkade resultatet. Varje delmoment repeterades tio gånger för att utesluta slumpmässigt beteende. En repetition bestod av att åka en meter åt ena hållet och sedan tillbaka samma sträcka med plattformen med ett avstånd på 0,5m från väggen. Som värmekälla användes en kopp med vanligt kranvatten som var uppvärmt till cirka 30 grader Celsius. 19

24 Figur 14 Testbana med sensor monterad 90 garder mot färdriktning Figur 15 Testbana med sensor monterad 45 garder mot färdriktning Tabell 5 Experimentets fyra delmoment Infallsvinkel Föremål Antal detekterade föremål 90 grader Utan varm kopp 0 90 grader Med varm kopp grader Utan varm kopp 0 45 grader Med varm kopp 10 20