Česky
Kamil Dudka

Study

File detail

Name:Downloadrob.txt [Download]
Location: study > min
Size:35.9 KB
Last modification:2009-06-26 20:53

File content

Copyright (c)  2008  Kamil Dudka.
Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document
under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2
or any later version published by the Free Software Foundation;
with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover
Texts.  A copy of the license is included in the section entitled "GNU
Free Documentation License".

Robotika
========

Historie
--------
- android, zoooid, robot
- teleoperátory - pro manipulaci s nebezpečnými materiály
- exoskeleton - zařízení, které si na sebe člověk obléká, aby několikanásobně
  zvýšil své fyzické schopnosti
- teleprezence
    - dálkové řízení strojů a robotů; člověk získává informace o prostředí
      ve formě vhodné pro smysly člověka (zrak, hmat, sluch, čich)
    - člověk má pocit, že se skutečně nachází v daném prostředí
    - může pomáhat hasičům/záchranářům
- fotbalový tým ROBOHEMIA

Základní architektura
---------------------
- senzorický subsystém (senzory)
    receptory - snímají signály z okolního prostředí a převádí je na
                vnitřní reprezentaci
    systém zpracování a výběru dat - výběr informací pro robota důležitých
    (např. vyhodnocení tvaru a polohy předmětu z obrazu z TV kamery)

- motorický subsystém (efektory)
    - pohyb robota v prostředí
    - manipulace s okolními předměty robotem

    realizátor plánů - řídí efektory

- kognitivní subsystém
    - rozhodovací a řídící činnost
    - v tomto subsystému je ukryta inteligence robota (nejvyšší smyčka zpětné
      vazby)

    - analýza informací, které přicházejí ze senzorického subsystému
    - analýza zahrnuje vnímání a chápání
    - často vyžaduje nějaký model prostředí
    - robot musí mít stanovený cíl práce
    - sestavuje se plán akcí, které je potřeba provést k dosažení cíle

- také existují zpětnovazební smyčky nižší úrovně:
    operační smyčka
    - zajišťuje vykonávání naplánované úlohy

    reflexivní smyčka
    - nejnižší úroveň 
    - podobně jako u člověka řeší jednoduché problémy (např. reflex popálení)

- průmyslové roboty nemají kognitivní subsystém


Průmyslová robotika
===================
- průmyslové roboty vycházejí z obecného schématu robotu (viz. ^)
- plán práce (program) je zadáván člověkem
- efektory spolu s receptory tvoří tzv. manipulátor
- úkolem manipulátoru je přemísťování předmětů v prostoru

Mechanika
---------
- poloha a orientace tělesa v prostoru je charakterizována šesti údaji
    [x,y,z]                 - souřadnice referenčního bodu tělesa v prostoru
    [\alpha,\beta,\gamma]   - úhel natočení vzhledem k referenčnímu systému

    - volné těleso má 6 stupňů volnosti
    - k zajištění 6 stupňů volnosti je potřeba 6 kloubů (klouby = osy)

- manipulátor většinou bývá tvořen RAMENEM se třemi klouby a ZÁPĚSTÍM
  s dalšími třemi klouby (zápěstí je většinou zakončené CHAPADLEM)
- základní koncepce ramen:
    kartézská
    cylindrická
    sférická

- pozn.: problém vylití sklenice vody (!!)

- kloubová proměnná - údaj spojený s nastavením kloubu
- důležité vlastnosti manipulátorů jsou spolehlivost a rychlost manipulace
- planární manipulátor ... pouze rotační klouby
- 6 kloubů je nutná podmínka pro volnou manipulovatelnost (nikoliv
  postačující) - !!
    --> klouby musí být vhodným způsobem uspořádány
- geometrickými rozměry a uspořádáním kloubů je dán tzv. pracovní prostor
  manipulátoru

Způsob programování
-------------------
- jedná se o plánování dráhy robota
- přímé/inverzní úlohy kinematiky:
    přímá úloha     - zobrazení z prostoru kloubových souřadnic do prostoru
                      kartézských souřadnic
    inverzní úloha  - ze znalosti pozice je potřeba spočítat hodnoty
                      kloubových souřadnic
                    - složitější než přímá úloha kinematiky
                    - může mít více řešení, dokonce nekonečně mnoho
- schéma programování / řízení průmyslového robota - obr. 12
- dráha robota je většinou uložena ve formě kloubových souřadnic
  (spolu s časem)

- různé přístupy k programování robota:
    1. Přímé programování
       - inverzní úlohu kinematiky řeší člověk
       - člověk vede rameno robota požadovanou trajektorií
       - nebo navádí robota do požadovaných pozic v prostoru - např. pomocí
         tlačítek ovládacího panelu

    2. Nepřímé programování
       - trajektorie pohybu programována většinou ve formě křivek (např. na
         základě výkresů, ...)
       - inverzní úloha je řešena offline

    3. Přímé plánování
       - viz. předchozí způsob, ale inverzní úloha se řeší v reálném čase
       - robot se pohybuje na základě hodnot získaných ze senzorů
       - např. když má robot uchytit pohybující-se objekt a jeho poloha není
         předem známa

    - někdy se dělí na Continous Path(CP) / Point To Point(PTP)

Kinematika průmyslových robotů
------------------------------
- manipulátor je tvořen kinematickými členy (kinematický řetězec)
- dva členy, které jsou vzájemně spojeny a mohou se pohybovat vzhledem k sobě,
  se nazývají kinematická dvojice
- kinematické dvojice jsou spojeny klouby
- kinematický člen, který je pevně spojený s prostředím, se nazývá rám

- vzájemná poloha dvou členů je jednoznačně určena pevným počtem údajů
- nejmenší počet těchto údajů udává počet stupňů volnosti kinematické dvojice
- rotační a translační klouby mají jeden stupeň volnosti

- základní úlohou kinematiky je zkoumání vzájemného pohybu členů kinematického
  řetězce
- s jednotlivými kinematickými členy spojujeme kartézské souřadnicové systémy
- zkoumá se poloha, rychlost, zrychlení význačných bodů v těchto systémech

- posuvný pohyb - vektory v prostoru můžeme vyjádřit jako lineární kombinaci
                  ortonormálních bázových vektorů
                  --> sloupcové matice souřadnic v dané bázi

- rotační pohyb - těleso koná rotační pohyb, zůstává-li jedna jeho přímka
  trvale v klidu (tato přímka se nazývá osa otáčení)

- sférický pohyb - těleso koná sférický pohyb, je-li jeden jeho bod trvale v
  klidu (tento bod se nazývá střed sférického pohybu)

- nejjednodušší je rotace podle osy souřadnicového systému
  --> kompozice rotace

- obecný pohyb - lze převést na kompozici posuvného a sférického pohybu

Homogenní transformace
----------------------
- homogenní souřadnice/transformace se používají především v počítačové
  grafice
- zavedení další souřadnice (a zvýšení rozměru matice)
- TODO: podívat se na odpovídající studijní materiál PGR


Senzory
=======

Atributy senzorů
----------------
    záběr (ve stupních) a dosah (v metrech)

    přesnost (správnost dat) a rozlišení (velikost kroku)

    spotřeba - pasivní/aktivní senzory (aktivní senzor je např. sonar)

    spolehlivost HW

    fyzické rozměry senzoru

    výpočetní složitost měření

Odometrie
=========
- odometrie = měření ujeté vzdálenosti
- jako senzory lze použít tzv. enkodéry
    - mechanické, optické, magnetické
    - měření přítomnosti nějakého dobře detekovatelného materiálu (na
      otáčejícím se kolečku)
    - příkladem může být tachometr na jízdním kole nebo kuličková myš (víme...)

Rotační optické enkodéry
------------------------
- funguje na principu optické závory
- reflexní / nereflexní enkodéry
- převádí mechanický pohyb na sekvenci digitálních impulsů
- inkrementální enkodéry detekují pouze změnu polohy, zatímco absolutní
  enkodéry měří i aktuální polohu v rámci 360 stupňů
- inkrementální enkodér ... dva obdélníkové signály fázově posunuté proti
  sobě o 90 stupňů
  --> lze detekovat i směr otáčení
- absolutní enkodér ... binární / Grayovo kódování

Dopplerovské senzory
--------------------
- neměří vzdálenost na hřídeli motoru (neprojeví se chyby způsobené
  prokluzem kol apod.)
- měření fázového posunu odraženého signálu
- typicky se používá mikrovlnný radarový senzor, který směřuje dolů k zemi
  pod úhlem 45 stupňů

Dálkoměry
=========
- často používané senzory u indoor robotů
- pro měření dálky se používají dvě metody:
    1. měření doby letu (TOF = Time Of Flight)
       - vyšle se puls směrem k objektu
       - měří se doba, za jakou se odražený puls vrátí zpět

    2. měření fázového posuvu
       - spojitě vysílaný signál

    3. frekvenčně modulovaný radarový signál
       - modifikace předchozího způsobu měření

TOF dálkoměry
-------------
- používají se pro svou nízkou cenu
- zatížené různými druhy chyb:
    - rychlost šíření pulsu záleží na prostředí
    - proměnlivé odrazové vlastnosti cílových objektů
    - u laserových dálkoměrů také chyba způsobená měřením času

Sonary
------
- SONAR = SOund Navigation And Ranging
- používají se na ponorkách
- tři typy:
    hydrofony - naslouchání zvuků
    projektory - šíření zvuků
    transduktory - šíření i poslouchání zvuků

- rozdělují se na aktivní/pasivní
    pasivní - sada hydrofonů
            - pracují na frekvenci 750 Hz až 2 kHz

    aktivní - dokáže s velkou přesností spočítat vzdálenost objektu (rychlost
              šíření zvuku vodou je známá)
            - pracují na frekvenci 2 kHz až 10 kHz

- chyby měření:
    zkrácení
    - vlna je vysílána ve tvaru kužele
    - pokud je povrch předmětu v ostrém úhlu k sonaru, zvuk z jedné strany
      kužele dorazí k překážce dříve a odrazí se zpátky
    - výsledkem je potom kratší naměřená vzdálenost

    zrcadlový odraz
    - paprsek vyslaný sonarem se můžu různě odrážet, než se vrátí zpět (vlivem
      natočení jednotlivých objektů)
    - výsledkem pak může být delší naměřená vzdálenost

    přeslech
    - zachycení odražené vlny jiného sonaru
      (zejména při použití více sonarů)

Ultrazvukové dálkoměry
----------------------
- vychází ze Sonaru
- nejčastěji založené na TOF principu
- snímač tvoří piezo-keramický měnič (přijímač/vysílač), komparátor/zesilovač
- piezo-elektrické krystaly jsou drahé, proto jsou nahrazeny piezokeramikou
- senzory s jedním měničem mají tzv. mrtvou/slepou zónu, ve kterém nemůže být
  odezva detekována

- základní parametry
    maximální dosah

    slepá/mrtvá zóna

    snímací rozsah
    - nastavuje se při kalibraci senzoru
    - podmnožina aktivního rozsahu při kterém dochází k aktivaci výstupu

    úhel odklonu
    - může být různý pro různé materiály

    rychlost přeběhu
    - jakou rychlostí se může objekt pohybovat, aby jej senzor zachytil

    reakční doba
    - doba mezi vysláním impulsu a aktivováním výstupu senzoru

Elektronický kompas
===================
- vycházejí z magnetického pole Země (stejně jako klasické kompasy)
- magnetické pole Země je způsobeno rozdílem rychlosti pohybu zemského povrchu
  a zemského jádra
- střelka kompasu neukazuje přesně na geografický severní pól
    deklinace - rozdíl mezi skutečným a měřitelným pólem

- magnetické pole země lze chápat jako vektorovou veličinu
    azimut - úhel mezi magnetickým severem a směrem pohybu objektu (robota)

    inklinace - úhel mezi vektorem magnetického pole Země a vektorem jeho
                horizontální složky
              - na rovníku 0, na pólech +/-90 stupňů

Magnetometry
------------
- senzory pro měření magnetického pole
- azimut se určuje podle hodnoty horizontální složky magnetického pole Země
- existují dva způsoby jak jej změřit:
    mechanicky - dva vhodně umístěné magnetometry, které v horizontální poloze
                 udržuje kardanový závěs

    elektronicky - bez použití kardanového závěsu
                 - využívají se tři magnetometry

Fluxgate kompasy
---------------
- dvě cívky navinuté okolo jádra s vysokou permeabilitou
- k primární cívce je připojen řídící signál s frekvencí okolo 10 kHz
- řídící signál nutí jádro oscilovat mezi saturačními body, které jsou dány
  magnetizační (B-H) křivkou jádra
- změna permeability jádra ovlivňuje amplitudu signálu na sekundárním vinutí
- k demodulaci výstupního signálu se používají fázově citlivé demodulační
  techniky

Hall-effect kompasy
-------------------
- využívají Hallova jevu
  (to by od nich asi člověk čekal, že?)

Magnetoindukční kompasy
-----------------------
- pro každou osu jedna cívka, která funguje jako indukční část LR-oscilátoru
- na základě změny magnetického pole se mění frekvence oscilátorů

Magnetorezistentní kompasy
--------------------------
- měří se změna elektrického odporu magnetického materiálu
  (magnetorezistentní jev)
- využití v mobilní robotice

Akcelerometr
============
- senzor měřící rozdíl mezi kinematickým zrychlením a gravitačním zrychlením
- původně přímo pomocí pružiny (jasné)
    - 2NPZ: $F=ma$
    - tuhost pružiny: $F=k \delta_x$
- dnes příklon k MEMS (mikro eletro-mechanickým) akcelerometrům, ale zatím
  stále problém s přesností
- také kapacitní snímače pohybu (problém s teplotní stabilitou)

Radar
=====
- RADAR = RAdio Detection And Ranging
- pracuje na základě vysílání elektromagnetických vln - použitelné za téměř
  jakýchkoliv klimatických podmínek
- radarové systémy lze rozdělit na zobrazovací a nezobrazovací:
    nezobrazovací - např. měření rychlosti
                  - pracují na principu měření frekvence (Dopplerova posunu)

    zobrazovací - např. poziční indikátory
                - zobrazují na monitoru objekty obklopující rotující anténu
                - také jako součásti družic (monitorování zemského povrchu)
                - obraz je tvořen zachytáváním odražených vln

    incidenční úhel - popisuje vztah mezi vyzařováním radaru a snímaným
                      objektem

- používá se v mobilní robotice k detekci objektů
- také pro tvorbu 3D snímků prostoru kolem robota
- např. detekce překážek v okolí robota
- nevýhodou je vysoká cena senzoru a někdy také jeho fyzické rozměry

Kamera
======
- dnes většinou založené na CCD snímačích

CCD
---
- založené na fotoefektu (foton narazí do atomu a tím přemístí některý z jeho
  elektronů do tzv. excitovaného stavu)
- činnost CCD snímače lze rozdělit do tří fází:
    1. příprava CCD
       - bez přístupu světla jsou odebrány všechny volné elektrony
       - smazání zbytku předchozího obrazu

    2. expozice obrazu
       - na elektrody se přivede kladné napětí a nechá se působit světlo

    3. snímání obrazu
       - po uzavření závěrky
       - na skupiny elektrod se přivede trojfázový hodinový signál
       - shluky elektronů z jednotlivých pixelů se přesouvají přes sousední
         pixely směrem k výstupnímu zesilovači


Efektory
========
- koncová zařízení robota, která dokážou fyzicky měnit jeho okolí
- typickými efektory mobilních robotů jsou tzv. pohony zajišťující pohyb
  robota v prostředí
- ale také chapadla, vrtáky, šroubováky, ...
- všechny typy efektorů musí být nějak poháněny

Elektromotor
============
- točivý elektrický stroj pracující na principu elektromagnetické indukce
- přeměňuje elektrickou energii na mechanickou práci
- magnetický obvod je rozdělen vzduchovou mezerou na stator a rotor

- klasifikace elektromotorů:
    - podle ukotvení motoru (patkové / přírubové)
    - podle typu chlazení (žádné, vlastní/cizí ventilace)
    - podle napájecího napětí:
        1. stejnosměrné motory
        2. střídavé motory
           a) asynchronní (mezi frekvencí napájecího napětí a otáčkami
                           existuje skluz, který je daný zatížením motoru)

           b) synchronní (otáčky jsou synchronní s frekvencí napájecího napětí
                          a nezávisí na zatížení motoru)

        3. krokové motory

- pracovní oblasti pohonů:
    A. motorický režim - pohon pohání zařízení, které představuje zátěž
    B. rekuperační režim - motor je poháněn připojeným strojem a jeví se jako
                           brzda

    - navíc se může hřídel motoru točit dvěma směry --> 4 kvadranty
    - podle toho se rozlišují jedno-, dvou- a čtyř-kvadrantové měniče

Stejnosměrný motor
------------------
- často se používá u mobilních robotů
- příznivá cena i hmotnost vzhledem k výkonu
- složitější řízení rychlosti a zejména polohy
  (ve srovnání s krokovým motorem)
- komutátor není bezúdržbový

- obvykle pracuje s vyššími otáčkami a nižším momentem
- pro použití v mobilních robotech je nutná převodovka
- motor je často dodáván i s převodovkou a senzorem polohy/rychlosti

- klasifikace podle typu buzení:
    1. permanentní magnet - stator není cívka ale magnet
    2. sériové buzení - motor lze napájet i střídavým proudem
    3. cizí buzení - zvlášť je buzen rotor a zvlášť stator

- charakteristiky:
    $\omega_0$ - frekvence otáčení bez zátěže (při daném napětí)
    $I_0$ - proud tekoucí do motoru bez zátěže
    $I_S$ - proud nakrátko tekoucí do motoru při úplném zastavení (zátěží)
    $M_S$ - maximální točivý moment
    $P_MAX$ - maximální výkon motoru
    $\eta$ - účinnost motoru (závisí na protékajícím proudu)

- řízení otáček
    - změnou napájecího napětí motoru
    - s rostoucím napájecím napětím roste také maximální točivý moment

    - pokud je potřeba snížit otáčky a zároveň zvýšit moment, je potřeba
      použít mechanickou převodovku
    - nejvyššího otáčivého momentu dosahují planetové převodovky
    - motor s převodovkou tvoří pohon robota

    - regulace napětí
        - předřadný odpor - ztrátová
        - PWM (víme) - nevýhodou je pískání cívek, pokud regulace pracuje
          na frekvenci ve slyšitelném pásmu

Rotační krokový motor
---------------------
- používají se jako pohony s nastavitelnou rychlostí a polohou bez zpětné vazby
- snadno se uvádí do provozu
- jsou relativně nezávislé na připojené zátěži
- není potřeba extra nastavovat nějaké parametry
- pracují s minimální údržbou po celou dobu své životnosti

- charakteristickou vlastností je otáčení hřídele po krocích
- jedna otáčka je složena z pevně definovaného počtu kroků
- místo rychlosti otáčení se tedy mluví o frekvenci krokování
- využívají svůj maximální moment již při nulové rychlosti

- v jednoduchých aplikacích se používají dvoufázové krokové motory
- v pohonech s mikrokrokovým pohybem se používají pětifázové
- dnes jsou moderní třífázové krokové motory, které kombinují vlastnosti dvou
  předchozích (mají vysoký výkon při nízké hlučnosti a malých rozměrech)

- krok ... pohyb z magneticky klidové polohy do nejbližší další
- dosahuje se pomocí změny napájecího napětí cívek statoru
- řízení krokového motoru
    - nejjednodušší způsob představuje napájení vždy jen jedné cívky statoru
    - dnes už je tento způsob zastaralý a nepoužívá se

    - moderní řízení je většinou pomocí třífázového sinusového signálu
        --> redukce vyšších harmonických frekvencí
        --> snížení ztrát
        --> snížení hlučnosti

        - počet kroků = počet pólových párů  x  počet mikrokroků
        - velikost kroku = 360 / počet kroků (jasné)

    - důležitá je rozběhová charakteristika motoru
    - udává mezní frekvenci při dané zátěži, když se ještě motor dokáže
      rozběhnout nebo zastavit bez ztráty kroku
    - pokud je požadovaná rychlost vyšší, využívá se rozběhová rampa
    - rozběhová charakteristika je také závislá na momentu setrvačnosti
      připojené zátěže

    --> důležitý pojem: "ztráta kroku"

Lineární krokový motor
----------------------
- vhodný pro pomalé ale velmi přesné polohování menších břemen
- lineárně rozvinutý systém třífázového krokového motoru
- pevný lineární stator, nad ním se na vzduchovém polštáři pohybuje běžec
- při pohybu běžce nedochází k mechanickým ztrátám ani opotřebení
- vysoká účinnost, dlouhá životnost, prakticky žádná údržba

- princip 2fázového lineárního krokového motoru
    - běžec je tvořen permanentním magnetem a dvěma elektromagnety
    - magnetický tok prochází přes vzduchovou mezeru do statoru
    - stator má zuby (hřeben)

- princip 3fázového lineárního krokového motoru
    - na běžci jsou tři cívky
    - každá cívka je vždy o 120 stupňů posunutý vzhledem k zubům
    - poloha může být automaticky blokována s odpojením napájecího napětí


Stereometrie a fotogrammetrie
=============================
- robotika má úzký vztah k počítačovému vidění (zpracování a analýza
  digitálního obrazu)
- z pohledu robotiky je důležité zejména stereo-vidění:
    stereoskopie - scéna je zobrazována pomocí dvou obrazů a tím je simulován
                   prostorový vjem

    fotogrammetrie - řeší opačný problém
                   - snaží se z dvojice snímků zjistit, jak jsou jednotlivé
                     objekty ve scéně vzdáleny

Monokulární podněty
===================
- podněty vnímatelné i jedním okem
- stín, relativní velikost, gradient textury, perspektiva, ...

Světlo a stín
-------------
- světlo a stín poskytují základní informaci o hloubce
- vržené stíny také poskytují informace o vzájemných polohách objektů
- světlejší objekty se nám jeví jako by byly umístěny blíže

Relativní velikost
------------------
- velikost objektu promítnutého na sítnici oka
- poskytuje informaci o vzdálenosti objektů (zejména relativní)
- větší objekty se nám jeví, jako by byly umístěny blíže
- důležitou roli ve vidění člověka hraje paměť
    - pamatujeme si jak jsou různé objekty "obvykle" velké
    - z toho si náš mozek dopočítává vzdálenosti těchto objektů

Vložené objekty
---------------
- objekty ležící mezi pozorovaným objektem a pozorovatelem
- týká se zejména neprůhledných objektů, přes které jiné objekty (nebo jejich
  části) prostě nevidíme

Gradient textury
----------------
- tuto vlastnost objevili psychologové v nedávné době
- ukazuje se na příkladech les, trávník
- při různé vzdálenosti jsou vidět různé detaily textury
- Level Of Detail? :-)

Barevné zkreslení
-----------------
- snížení viditelnosti vzdálených předmětů vlivem prostředí
- velmi vzdálené objekty získávají modravý nádech způsobený rozptylem
  červeného světla

Pohybová paralaxa
-----------------
- informace o hloubce poskytované pohybujícím se obrazem
  (pohybuje se buď svět nebo pozorovatel)
- objekty, které jsou blízko pozorovateli, se jeví, jako by se pohybovaly
  rychleji
  (a to je právě způsobeno paralaxami)

Perspektiva
-----------
- znásobuje efekt prostorového vnímání
- přestavuje vztah mezi scénou v popředí a v pozadí

Jas - vzdálenější objekty jsou méně jasné než objekty blízké

Vnímání prostoru
================
- záhada vysvětlena v roce 1938 (Wheatstoneův stereoskop)

Disparita sítnic
----------------
- každé oko vnímá svět z jiného úhlu
- disparita je zpracována částí mozku do jednoho prostorového obrazu
- tato schopnost mozku se nazývá fúze
- výsledek fúze se potom nazývá stereopsie (prostorové vidění)

Paralaxy
--------
- úhel, který svírají směry vedené ze dvou různých míst k pozorovanému objektu
- vzdálenost mezi očima ... interokulární vzdálenost (asi 64mm)
- existují čtyři základní typy paralax:
    1. nulová paralaxa
       - body v obou obrazech si vzájemně odpovídají (leží na sobě)
       - optické osy očí mají průsečík v rovině procházející bodem P

    2. pozitivní paralaxa
       - optické osy očí jsou téměř rovnoběžné
       - nastává, když se člověk dívá na velmi vzdálený bod

    3. divergentní paralaxa
       - optické osy očí se od sebe vzdalují (rozbíhají se)
       - vzácné; málokdo dokáže dosáhnout takového stavu :-)

    4. negativní paralaxa
       - optické osy očí se kříží před rovinou procházející bodem P
       - máme "zaostřeno" na předmět, který je blíže

Meziosová separace
------------------
- vzdálenost mezi soustavami čoček pro stereovnímání
- jsou-li čočky blízko sebe, je efekt hloubky redukován
- navýšení vzdálenosti má za následek zvětšení paralax
  (a tím i navýšení hloubkového vjemu)

Stereoskopická projekce
=======================
- založené na základním modelu optické soustavy (očí) a jeho vztahu k průmětně
  (sítnice nebo kamera)

Perspektivní promítání
----------------------
- promítání obrazu z levého a pravého oka je podobné promítání 3D scény do 2D
- existuje několik metod zobrazení 3D scény na ploše monitoru:
    A. ortonormální projekce - osa z (hloubka) je jednoduše ignorována
    B. perspektivní projekce - respektuje pravidla prostorového vnímání

Stereo perspektivní promítání
-----------------------------
- obrazy z levého a pravého oka jsou vlastně dva různé obrazy
- získáme je promítnutím scény na dvě různé vzájemně posunuté průmětny
- mozek tyto obrazy dokáže spojit a tím zajistit prostorové vnímání scény
- tím rozlišujeme pozitivní/negativní/nulovou paralaxu

Fotogrammetrie
==============
- opačný problém než u stereoskopie
- snažíme se zjistit "původní" polohu bodu v prostoru
  (zejména jeho hloubku - tj. vzdálenost od průmětny)
- vycházíme z toho, že známe rozteč očí (rozteč kamer)


Nízkoúrovňové řízení robotů
===========================
- řízení jednotlivých efektorů na úrovni HW
- existuje několik typů podvozků
- tato kapitola se zabývá výhradně kolovými podvozky

Diferenciální podvozek
----------------------
- nejjednodušší a nejpoužívanější typ podvozku u mobilních robotů
- podvozek tvoří dvě hnaná kola a jeden či více opěrných bodů
- stupeň volnosti je roven jedné
- jako pohon se používají stejnosměrné motory s enkodéry nebo krokové motory
- velmi jednoduchá odometrie, jednoduchá manévrovatelnost
- robot je schopen se otočit "na místě"
- pokud má navíc robot válcový tvar, eliminuje to možnost uváznutí v prostoru
  (v rohu apod.)

- základem řízení je rozdíl rychlosti jednotlivých kol
- z rozdílu rychlosti kol je možné spočítat poloměr kružnice (zatáčky)

Synchronní podvozek
-------------------
- každé kolo má dva stupně volnosti
- obvykle tři kola uspořádaná do tvaru rovnostranného trojúhelníku
- obvykle válcovitý tvar robota

- všechna kola se otáčí vždy stejným směrem a stejnou rychlostí a míří také
  vždy na stejnou stranu
- synchronizace kol je dosahována buď elektronicky nebo mechanicky
- velice jednoduchá odometrie

Robot s tříkolovým uspořádáním
------------------------------
- zadní kola robota jsou poháněna
- přední kolo robota je motoricky natáčeno
- výhodou je opět velmi jednoduché řízení
    - jedním motorem ovládáme směr pohybu
    - jedním motorem ovládáme rychlost

- tento podvozek neumožňuje rotaci robota na místě
- autonomní řízení robota v terénu je velmi komplikované
- "tříkolka"

Robot s Ackermanovým podvozkem
------------------------------
- podvozek známý z automobilu
- obvykle jsou poháněna zadní kola a přední kola jsou natáčena
- každé kolo je natáčeno pod jiným úhlem, protože opisují kružnici každé
  o jiném poloměru
- pokud jsou obě kola natáčena stejně, je třeba počítat s většími prokluzy
- dvě přední kola se někdy ve výpočtech nahrazují prostředním "virtuálním"
  kolem

Podvozky se všesměrovými koly
-----------------------------
- kola umožňují pohyb ve dvou osách
- konstrukce všesměrových mobilních platforem
- všesměrová kola jsou vlastně běžná kola, která na svém obvodu mají řadu
  pasivních válečků
- takto konstruované podvozky umožňují dosáhnout téměř libovolného pohybu
  (i několik elementárních pohybů současně)

Paradigmata robotiky
====================
- paradigma je filozofie nebo množina předpokladů a/nebo technik, které
  charakterizují přístup k určité třídě problémů
- žádné paradigma není za všech okolností nejlepší
  (pro různé problémy se hodí různé přístupy k jejich řešení)

Hierarchické paradigma
----------------------
- někdy označované jako deduktivní
- používalo se asi do roku 1980, kdy bylo objeveno reaktivní paradigma
- běží smyčka: detekce - plán - úkon (Sense-Plan-Act)
- fáze:
    - vnímání (pomocí senzorů)
    - modelování
    - plánování
    - vykonání (řízení efektorů)

- všechna data ze senzorů se slučují do jediné (globální) datové struktury
    --> model okolí
- model okolí je pak používán plánovačem

- k sestavení plánu se využívají všechny dostupné údaje
- nevýhoda: při vykonávání se nic nekontroluje (robot neví co se děje)

- architektura ... metoda implementace paradigmatu
- architektury pro hierarchické paradigma:
    NHC = Nested Hierarchical Controller
    - dekompozice plánování do třech různých podsystémů
    - plánovač mise, navigátor, pilot
    - tok dat je striktně dopředný
    - systém v každém cyklu pracuje po krocích
    - problém s volbou rozumně velkého kroku

Reaktivní paradigma
-------------------
- základem je biologie, chování zvířat v přírodě
- živočichové žijí v otevřeném světě, musí tedy překonat
  "problém uzavřeného světa"
- k překonání tohoto problému není potřeba téměř žádný mozek :-)
- v přírodě je často inteligence redukována na chování
- chování mapuje vstupy senzorů na vzor motorických akcí, které jsou použity
  k dosažení cíle

- chování lze rozdělit na tři druhy:
    1. reflexivní chování - dosahuje nejkratší doby odezvy
    2. reaktivní chování - je naučené za doby života, spouští se ale bez
                           vědomých myšlenek
    3. vědomé chování - chování předem naplánované a zcela řízené vědomím

- určité chování spouští tzv. spouštěč
  (obvykle logická proměnná, případně kombinace logických proměnných)
- chování lze kombinovat
- vnímání lze použít jako spouštěč i jako vstup chování
- nepoužívá se plánování
- chování je z matematického hlediska funkce

- nejznámější architekturou pro reaktivní paradigma je vrstvová architektura
    - systém se skládá z několika vrstev (s postupně rostoucí složitostí)
    - robot je řízen reaktivně
    - mezi moduly se komunikuje spíše přes okolní prostředí

Hybridní paradigma
------------------
- vzniklo kombinací hierarchického a reaktivního
- opětovně bylo začleněno plánování a uvažování do řízení robota,
  přičemž nebyly ztraceny výhody reaktivního paradigmatu
- na vrstvu chování byly přidány další vrstvy

- nejnižší vrstva je tvořena množinou modulů
- každý modul dodává robotovi určitou schopnost
- vyšší vrstvy pak odpovídají deduktivním systémům
- moduly nižší vrstvy jsou tedy aktivovány podle navrženého plánu

- zůstává problém s (pomocí senzorů robota) neviditelnými překážkami
- architektura:
    řadič - většinou FSM

    správce zdrojů - přidělování senzorů apod.

    kartograf - často obsahuje globální model světa

    plánovač mise

    monitorování výkonu a řešení problémů


Navigace mobilních robotů
=========================
- důležitou metrikou je rozlišení navigace
  (silniční robot vs. chirurgický nanorobot)
- navigaci lze rozdělit do několika kategorií:
    globální navigace - určuje absolutní pozici robota ve světě

    lokální navigace - určuje relativní pozici robota vzhledem k ostatním
                       objektům

    osobní navigace - určuje polohu různých částí robota ve vztahu k sobě
                      samému

Referenční bod navigace
-----------------------
- potřebujeme nějaký pevný bod, ke kterému je vztažena veškerá navigace
  (tj. kde leží počátek absolutní navigace)

Dead-reckoning
--------------
- častý způsob navigace u mobilních robotů
- jednoduchá matematická metoda určení polohy robota
  (vychází z předchozí známé polohy robota)

- navigace může být založena na odometrii
- bohužel s akumulací informací získané odometrií se akumulují také chyby
  (zejména při měření směru)
- chyby při měření odometrie lze rozdělit na systematické a nesystematické:
    systematické chyby - rozlišení enkodéru, vzorkovací frekvence, nestejný
                         poloměr kol, ...

    nesystematické chyby - přejezd nerovnoměrných povrchů, prokluz kol, ...

- roboti s malou základnou (roztečí kol) jsou více náchylné na chyby orientace
- problémy působí také vlečné kolečko (problém nákupního vozíku)
- kola robotu by měla být pokud možno úzká a ne nafukovací
- u mobilního robota je důležitá přesná kalibrace navigačního systému

Inerciální navigace
-------------------
- navigace založená na plynulém snímání zrychlení ve všech třech osách
- integrací lze zjistit ujetou dráhu
- tři akcelerometry
- velmi citlivé na chybu gyroskopu

Majáková navigace
-----------------
- v moderní době se klasické světelné majáky kombinují s rádiovými
- mezi robotem a majákem nesmí ležet překážka
- pro určení polohy robota se používají dva hlavní přístupy:
    1. triangulace - využívá vztah mezi orientací robota a polohou majáků
    2. trilaterace - využívá měření vzdálenosti mezi robotem a majáky

- radiové majáky (GPS, víme)
- ultrazvukové majáky - vyžívají se ve vodním prostředí
- optické majáky - využívá se odraz laserového paprsku

Vizuální navigace
-----------------
- spoléhá se na optické senzory (laserové dálkoměry, CCD kamera)
- prostředí je typicky reprezentováno v podobě geometrické informace
- optický senzor musí být schopen zachytit orientační body
- vizuální navigace je úzce spjata s počítačovým viděním

Navigace založená na orientačních bodech
----------------------------------------
- přirozené orientační body jsou součástí prostředí
- umělé orientační body jsou do prostředí přidány
    - navigační čáry (magnetické, termické, ...)

Navigace založená na mapách
---------------------------
- robot si pomocí senzorů tvoří mapu svého lokálního okolí
- podle podobnosti lokální a globální mapy lze určit polohu robota
  (porovnání může být netriviální)
- dva základní typy reprezentace map:
    1. geometrická - objekty jsou pozicovány absolutně
    2. topologická - relativní vztahy mezi objekty

GPS - Global Positioning System
-------------------------------
- umožňuje určit polohu a rychlost objektu v reálném čase
- oběžná dráha družic je asi 20000km nad zemským povrchem
- zřizovatel zaručuje že minimálně 4 družice jsou vidět kdykoliv odkudkoliv
- nyní celkem 28 družic

- pomocí porovnání s referenčním pozemským signálem lze dosáhnout přesnosti
  v řádu několika mm (lze provádět geodetická měření)

- poloha lze spočítat na základě zpoždění signálu
- ale také pomocí měření Dopplerova kmitočtu
- případně kombinací obou metod