Công cụ dò tìm phạm vi laser 2D trở thành cảm biến tiêu chuẩn trong thực tế để giải quyết các bài toán về SLAM và tránh va chạm. Các cảm biến này đo khoảng cách đến các cấu trúc môi trường xung quanh robot với tần số và độ chính xác cao. Chúng phát ra một chùm tia laser và đo thời gian cho đến khi
29
nhận được các tia phản xạ trở lại trên bề mặt của một vật thể trong khu vực xung quanh robot. Bằng một gương xoay, các chùm tia này được phát ra qua một mặt phẳng hai chiều khác nhau, tùy thuộc vào cảm biến được sử dụng, ở góc đỉnh và độ phân giải góc. Thông thường, các công cụ dò tìm phạm vi laser 2D được gắn theo chiều ngang để đo khoảng cách đến các vật thể xung quanh trong một mặt phẳng song song với sàn nhà. Bản quét laser S là một tập hợp gồm 2 số hạng (d, θ) trong đó d là phép đo khoảng cách và θ là góc mà phép đo được thực hiện, tức là:
( , |i i [1, s]
S d i N (2.15)
Mỗi bộ (di, θi) trong S tạo thành tọa độ cực của một điểm pi được đo trên bề mặt của một vật thể trong môi trường xung quanh, tức là:
cos 1, : sin 0 i i i s i i i i i d x i N p d y z (2.16)
Sử dụng khung tọa độ tay phải. Có nghĩa là, robot đang nhìn dọc theo trục x với trục y kéo dài sang trái. Trục z hướng lên trên và biểu thị chiều cao của các đối tượng. Tùy thuộc vào nguyên tắc đo, S có thể là một tập hợp hoàn toàn theo thứ tự tương ứng, i và θi theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ, tức là, đối với i <j: θi <θj hoặc θi> j. Quét phạm vi laser 2D được mô tả một cách khá chính xác trong Hình 2.7(a). Trong bối cảnh định vị và lập bản đồ đồng thời (SLAM) cũng như tránh va chạm, hạn chế cố hữu của các công cụ tìm phạm vi laser 2D, là các đối tượng không giao nhau với mặt phẳng đo Máy quét không được cảm nhận. Xem xét ví dụ như các đồ nội thất trong hình:
30
a) Quét 2D nhận được b) Quét trên bản đồ môi trường
Được mô tả là quét phạm vi (a) từ bộ dữ liệu được ghi lại bởi Zivkovic et al. cùng với sơ đồ tầng gần đúng của bản (b). Lưu ý rằng bàn ghế dài hoàn toàn không được cảm nhận vì nó không giao với mặt phẳng đo của máy quét.
Hình 2.7 (b). Quá trình quét phạm vi laser 2D được thực hiện trong ví dụ này thực hiện mô hình hóa đầy đủ các cấu trúc môi trường xung quanh trong khi không có một phép đo nào được thực hiện trên bề mặt của bàn ghế. Đó là, bàn ghế không hoàn toàn được phát hiện. Do đó, nó không thể được mô hình hóa trong môi trường bên trong robot. Vì không có chướng ngại vật trong khu vực mô hình tương ứng, robot có thể lập một đường dẫn xuyên trực tiếp qua bàn. Hơn nữa, việc va chạm với bàn ghế là không thể tránh khỏi vì nó không giao với mặt phẳng đo của máy quét. Ngay cả khi đứng trực tiếp trước bàn, không một phép đo nào được thực hiện. Tuy nhiên, ngay cả khi giao với mặt phẳng đo máy quét, đặc biệt là chân bàn và ghế không phải lúc nào cũng có thể nhận thấy được. Tùy thuộc vào vật liệu và hình dạng của chân bàn, ví dụ: các thanh kim loại tròn, chỉ một phần của chùm tia laser phát ra được phản xạ theo cách mà máy quét nhận được. Điều tương tự cũng đúng với các đối tượng có bề mặt ít phản chiếu. Vì vậy, lý do chính cho việc không nhận biết một đối tượng bằng công cụ tìm kiếm laser 2D là:
31
1. Đối tượng không cắt mặt phẳng 2D: Đó là, các đối tượng bên dưới hoặc bên trên mặt phẳng đo hai chiều không thể được cảm nhận.
2. Bề mặt của vật thể ít phản xạ hoặc phản xạ: các chùm phạm vi đến theo các hướng khác với máy quét phạm vi phát ra. Ví dụ như các bề mặt màu đen, hấp thụ một phần lớn hơn của ánh sáng tới. Mặt khác, các vật bằng kim loại có hình dạng tròn, chẳng hạn như chân bàn hoặc chân ghế, có thể gây ra phản xạ khuếch tán hoặc làm nhiễu xạ hoàn toàn chùm tia phát ra.
Bàn và ghế không phải là đối tượng duy nhất trong môi trường trong nhà khó nhận biết với các công cụ tìm phạm vi laser 2D. Các vật thể như mặt bàn, ngăn kéo mở, vật nhỏ nằm trên mặt đất hoặc cầu thang có thể không được robot nhận biết và được mô hình hóa một cách phù hợp trong biểu diễn môi trường bên trong của nó. Khi lắp máy quét ở độ cao khác để nhận biết một loại chướng ngại vật cụ thể, các loại chướng ngại vật khác vẫn không thể nhận thấy được. Ngay cả việc sử dụng một số máy quét phạm vi 2D ở các độ cao khác nhau cũng không giải quyết được vấn đề này một cách thích hợp. Để xử lý đầy đủ tất cả các loại chướng ngại vật trong môi trường động lực học và sắp xếp lộn xộn, thông tin 3D trở nên quan trọng.
32
Hình 2.8: Các loại chướng ngại vật khác nhau
Bàn và ghế không phải là đối tượng duy nhất trong môi trường trong nhà khó nhận biết với các công cụ tìm phạm vi laser 2D. Các vật thể như mặt bàn, ngăn kéo mở, vật nhỏ nằm trên mặt đất hoặc cầu thang có thể không được robot nhận biết và được mô hình hóa một cách phù hợp trong biểu diễn môi trường bên trong của nó (Hình 2.8). Khi lắp máy quét ở độ cao khác để nhận biết một loại chướng ngại vật cụ thể, các loại chướng ngại vật khác vẫn không thể nhận thấy được. Ngay cả việc sử dụng một số máy quét phạm vi 2D ở các độ cao khác nhau cũng không giải quyết được vấn đề này một cách thích hợp. Để xử lý đầy đủ tất cả các loại chướng ngại vật trong môi trường động lực học và sắp xếp lộn xộn, thông tin 3D trở nên quan trọng.
Các chướng ngại vật có điểm chung là robot không thể tránh chúng một cách chính xác bằng nhận biết 2D đơn giản. Mặt phẳng đo của công cụ tìm phạm vi laser 2D tiêu chuẩn được mô tả bằng màu đỏ chỉ giao với cầu thang lên. Bằng phương pháp nhận thức 3D, một phép đo khoảng cách duy nhất (đường màu xanh lá cây) sẽ cho phép robot phát hiện các chướng ngại vật.
33