تطوير نظام كشف محيطي فوق صوتي منخفض الكلفة لبناء خريطة ثلاثية الابعاد للبيئة المحيطة بروبوت

العناوين الأخرى

Development of a low-cost ultrasonic environment detection system to build a 3D map of the environment around a robot

المؤلفون المشاركون

مجد قاسم
سائر محمود
لؤي صالح

المصدر

مجلة جامعة دمشق للعلوم الهندسية

العدد

المجلد 38، العدد 3 (30 سبتمبر/أيلول 2022)، ص ص. 71-89، 19ص.

الناشر

جامعة دمشق

تاريخ النشر

2022-09-30

دولة النشر

سوريا

عدد الصفحات

19

التخصصات الرئيسية

العلوم الهندسية والتكنولوجية (متداخلة التخصصات)

الملخص AR

لا يزال بناء خريطة تموضع ثلاثية الأبعاد حول روبوت يشكل هدفا صعب المنال للباحثين في مجال الروبوتات ذاتية القيادة، وذلك لتعقيد المسألة الرياضية أولا، وصعوبة التنفيذ الفني ثانيا وارتفاع كلفة التجهيزات التقنية ثالثا.

وعندما يتخطى علم الروبوتات هذا الهدف الصعب ويحصل على خريطة محيطية ثلاثية الأبعاد ذات دقة كافية ومدى مقبول فإن أفقا بحثيا جديدا سينفتح مقدما إمكانيات التموضع وإيجاد المسار الأمثلي والتوجيه وغيرها من قدرات التعامل مع البيئة الفيزيائية.

يتوقف الحصول على نموذج دقيق للبيئة المجهولة المحيطة بروبوت على نوع وجودة الحساسات المستخدمة وهو ما يؤثر بشكل مباشر في كلفة وتعقيد النظام الروبوتي.

تم في هذا البحث تصميم وتنفيذ نظام كشف محيطي قادر على قراءة البيئة المحيطة المجهولة ضمن مدى محدد وتزويد النظام الروبوتي بنموذج ثلاثي الأبعاد عن البيئة المحيطة به.

اعتمد النظام المصمم على مصفوفة من الحساسات فوق صوتية، نظرا لكلفتها المنخفضة، وبساطة العمليات التشغيلية اللازمة لقيادتها، وقدرتها على العمل في الظروف المناخية المختلفة.

تم تركيب مصفوفة الحساسات على منصة قابلة للدوران حول الأفق وحول الشاقول وذلك بهدف إعطاء منظومة القياس إمكانية المسح المحيطي وتغطية كامل الفراغ أمام الروبوت.

يقوم النظام بالاعتماد على قياسات مصفوفة الحساسات ببناء خريطة للبيئة المحيطة باستخدام خوارزميات الإشغال الشبكية Occupancy Grid والتي تم إنجازها باستخدام مكتبة الرسم ثلاثي الأبعاد Octomap.

قمنا في هذا البحث بتطوير خوارزمية تمثيل البيئة المحيطة 3D والاستفادة من الحركة الدورانية للمنصة لإعطاء قيم إشغال احتمالية للفراغ تنعكس على شكل تدرج لوني على الخريطة.

تم تنفيذ الجزء البرمجي باستخدام مكتبات لغة C++ وضمن نظام ROS العامل على نظام التشغيل Ubuntu مما يجعله قابلا للاستثمار لاحقا في أغلب المنصات الروبوتية.

أظهرت نتائج تطبيق الخوارزمية المطورة على قياسات حقيقية قدرة نظامنا المطور على نمذجة البيئة المحيطة وفق بنى معطيات شبكية معيارية قابلة للاستثمار في مهام الروبوت اللاحقة مثل الملاحة وإيجاد المسار الأمثل.

الملخص EN

Building a three-dimensional positioning map around a robot is still a difficult goal for researchers in the field of autonomous robots, due to the complexity of the mathematical issue first, the difficulty of technical implementation secondly, and the high cost of technical equipment third.

When robotics overcomes this difficult goal and obtains a three-dimensional map of the environment with sufficient accuracy and acceptable range, a new horizon of research will open up providing the possibilities of positioning, finding the optimal path, and other capabilities of dealing with physical environment.

Getting an accurate model of the unknown environment surrounding a robot depends on the type and quality of sensors used, which directly affects the cost and complexity of the robotic system.

In this research, an environment detection system was designed and implemented.

This system is capable of detecting and modelling the unknown surrounding environment within a specific range.

The system relied on several arrays of ultrasonic sensors, due to its low cost, the simplicity of its operational processes, and its ability to work in different climatic conditions.

The array of sensors was installed on a platform that can rotate horizontally and vertically in order to give the measurement system the ability of environment scanning and covering the entire space in front of the robot.

Based on the sensor array measurements, the system builds a map for the environment using the Occupancy Grid algorithm, which was achieved using the 3D library Octomap.

In this paper, we have also developed an algorithm to represent the surrounding environment and take advantage of the rotational movement of the platform to give probabilistic values of space occupancy, this are reflected in the form of a color gradient on the map.

The software part is implemented using C++ language libraries and within ROS operating system on Ubuntu, which makes it possible to be used later in most of the robotic platforms.

The results of applying the developed algorithm on real experiments showed its ability to model the surrounding environment using standard grid data structures that can be used later in subsequent robot tasks such as navigation and optimal path planning.

نمط استشهاد جمعية علماء النفس الأمريكية (APA)

مجد قاسم وسائر محمود ولؤي صالح. 2022. تطوير نظام كشف محيطي فوق صوتي منخفض الكلفة لبناء خريطة ثلاثية الابعاد للبيئة المحيطة بروبوت. مجلة جامعة دمشق للعلوم الهندسية،مج. 38، ع. 3، ص ص. 71-89.
https://search.emarefa.net/detail/BIM-1529858

نمط استشهاد الجمعية الأمريكية للغات الحديثة (MLA)

مجد قاسم....[و آخرون]. تطوير نظام كشف محيطي فوق صوتي منخفض الكلفة لبناء خريطة ثلاثية الابعاد للبيئة المحيطة بروبوت. مجلة جامعة دمشق للعلوم الهندسية مج. 38، ع. 3 (2022)، ص ص. 71-89.
https://search.emarefa.net/detail/BIM-1529858

نمط استشهاد الجمعية الطبية الأمريكية (AMA)

مجد قاسم وسائر محمود ولؤي صالح. تطوير نظام كشف محيطي فوق صوتي منخفض الكلفة لبناء خريطة ثلاثية الابعاد للبيئة المحيطة بروبوت. مجلة جامعة دمشق للعلوم الهندسية. 2022. مج. 38، ع. 3، ص ص. 71-89.
https://search.emarefa.net/detail/BIM-1529858

نوع البيانات

مقالات

لغة النص

العربية

الملاحظات

يتضمن مراجع ببليوجرافية : ص. 89

رقم السجل

BIM-1529858