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

الملخص

لا يزال بناء خَريطَة تموضع ثُلاثِية الأبعاد حول روبوت يشكل هَدفاً صَعبَ المنال للباحثين في مجال الروبوتات ذاتية القيادة، وذلك لتعقيد المسألة الرياضيّة أولاً، وصعوبة التنفيذ الفني ثانياً وارتفاع كلفة التجهيزات التقنيّة ثالثاً. وعندما يتخطّى علم الرُوبوتات هذا الهدف الصّعب ويحصل على خَريطَة محيطية ثُلاثِية الأبعاد ذات دِقة كافية ومدى مقبول فإنّ أُفقاً بحثيّاً جديداً سينفتح مُقدّمَاً إمكانيات التَّموضُع وإيجاد المسَار الأمثَلي والتّوجيه وغيرِها من قُدرات التعامل مع البيئَة الفيزيائية. يتوقف الحصول على نَموذج دقيق للبيئة المجهولة المحيطة بروبوت على نوع وجودَة الحسّاسات المُستَخدَمة وهو ما يؤثر بشكل مباشر في كلفة وتعقيد النِظام الرُوبوتي.

تم في هذا البحث تصميم وتنفيذ نِظام 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 صّوتية، نظراً لكلفتها المنخَفِضَة، وبساطة العمليات التشغيلية اللّازمة 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 المُحيطة باستخدام خَوارزميّات 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 البَرمَجي باستخدام مكتبات لُغة C++ وضمن نِظام ROS العامل على نِظام التشغيل Ubuntu ممّا يجعله قابلاً للاستثمَار لاحقاً في أغلب المنصات الرُوبوتية.

أظهرت نتائج تطبيق الخوارزمية المطوّرة على قِياسَات حقيقية قدرة نِظامنا المطور على نَمذَجة البيئَة المُحيطة وفق بنى معطيات شبكية معيارية قابلة للاستثمَار في مهام الرُوبوت اللاحقة مثل المِلاحة وإيجاد المسار الأمثل.