LIDARO - Um Radar Laser aberto e de baixo custobrunobra/pdf/poster.pdf · Tem suas estruturas...
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LIDARO - Um Radar Laser aberto e de baixo custo MAC0499 - Trabalho de Formatura Supervisionado Bruno Rafael Aric ´ o - NUSP 8125459 Orientador: Roberto Hirata Jr. Universidade de S ˜ ao Paulo [email protected] Resumo Durante a execuc ¸˜ ao deste projeto de TCC foi desenvolvido um Radar Laser, conhecido por Lidar, o qual tem como funcionalidade a medic ¸˜ ao de distˆ ancias em ambientes, mais precisamente os escane- ando e obtendo ent˜ ao uma representac ¸˜ ao virtual deste, tendo a sua aplicac ¸˜ ao para a execuc ¸˜ ao de scans bidimensionais e tridimensionais com alcance limite de at´ e 1.5m de raio, na implementac ¸˜ ao aqui apre- sentada. Tem suas estruturas fabricadas em uma impressora 3D, que tamb´ em foi constru´ ıda para a elaborac ¸˜ ao deste projeto, possuindo hardware e software aberto, baixo custo e n˜ ao utilizando pec ¸as espec´ ıficas tem como a ideia de ser facilmente replic´ avel e modific ´ avel. Junto ao Lidar foi desenvolvida uma interface de operac ¸˜ ao para ele, com a qual pode-se oper´ a-lo de forma completamente remota por meio de WiFi. Sua aplicac ¸˜ ao fundamental ´ e para a aquisic ¸˜ ao de mode- los tridimensionais de pequenos ambientes e para a navegac ¸˜ ao de pequenos ve´ ıculos aut ˆ onomos. O que ´ e um Lidar? (a) Fotografia do Lidar altim´ etrico utilizado na miss˜ ao Apollo 15 (b) Perfilamento altim´ etrico Lunar obtido O Lidar ´ e um equipamento utilizado para a aquisic ¸˜ ao extensiva de medidas de ambientes e objetos, com finalidades de se obter informac ¸˜ oes computacionais sobre eles. Sua aplicac ¸˜ ao ´ e ampla em navegac ¸˜ ao aut ˆ onoma e em ciˆ encias ambientais. O primeiro Lidar implementado data de 1970 para o projeto Apollo 15 da Nasa onde foi utilizado para fazer altimetria do solo lunar, era disparado a 30km de altitude possuindo uma resoluc ¸˜ ao de at´ e 10 metros. Existem varias tecnologias as quais podem ser utilizadas para implementar um Lidar, por´ em essencialmente todas utilizam lasers. Mais precisamente o Lidar implementado neste TCC utiliza a tecnologia ToF (Time of Flight) a qual funciona semelhante a um sonar, o qual mede a distancia at´ e um certo ponto calculando-se a distancia percorria pelo som, no entanto para esta aplicac ¸˜ ao a velocidade que ´ e tomada como referˆ encia ´ e a da luz. O Lidaro (c) Estrutura final do Lidaro, montado sobre a sua fonte de alimentac ¸˜ ao (d) Representac ¸˜ ao virtual do CAD elaborado como es- trutura para o Lidaro O Lidaro ´ e uma releitura DIY (Do it Yourself ) de um Lidar convencional, onde temos sua es- trutura constru´ ıda essencialmente se utilizando de impress˜ ao 3D e possuindo seu hardware e software abertos e livres. Caracterizado como um Lidar do tipo ToF, com com taxa de amostragem de 50Hz, possui dois eixos de rotac ¸˜ ao respons´ aveis individualmente pela rotac ¸˜ ao do eixo horizontal e verti- cal, identificados, em coordenadas esf´ ericas como eixo azimutal e zenital, respectivamente. Utilizado para realizar escaneamentos em ambientes com at´ e 1.5m, com o sensor inicial- mente utilizado, o VL53L0X expans´ ıvel para sensores de maior capacidade, tanto em ter- mos de taxa de amostragem como de distˆ ancia alcanc ¸ada, tem sua aplicac ¸˜ ao para fins de aquisic ¸˜ ao de imagens virtuais de pequenos c ˆ omodos, assim como para a navegac ¸˜ ao de pe- quenos ve´ ıculos aut ˆ onomos. Hardware: (e) O principal sensor do Li- daro, o ToF VL53L0X (f) Placa da Heltec utilizada, onde se en- contra o microcontrolador ESP32 Como microcontrolador principal possui um ESP32, dispondo tamb´ em do sensor ToF VL53L0X como principal sensor de medic ¸˜ ao de dist ˆ ancias e tamb´ em do sensor aceler ˆ ometro e girosc´ opio MPU6050, o qual serve para fazer a compensac ¸˜ ao autom´ atica de n´ ıvel do Li- daro. Para se conseguir as informac ¸˜ oes de distancia e posic ¸˜ ao do ponto, necessitamos saber tamb´ em qual a inclinac ¸˜ ao de cada um dos eixos do Lidaro. Para isso no eixo azimutal se disp ˜ oe de um servo-motor que ´ e respons´ avel por sua movimentac ¸˜ ao assim como a aquisic ¸˜ ao de seu angulo de posicionamento. No eixo zenital temos um motor brushless combinado com um encoder rotativo, vis´ ıvel observando-se os dentes na borda do rotor, que passam atrav´ es de um sensor infravermelho, para identificar o posicionamento deste eixo. O encoder rotativo possui 15 dentes nos dando a resoluc ¸˜ ao por hardware de 12 graus, o que por software, por meio de interpolac ¸˜ ao ´ e aumentada para 1 grau, conferindo ` as medidas feitas a resoluc ¸˜ ao de 1 grau em ambos os eixo de rotac ¸˜ ao. Energeticamente econ ˆ omico, pode ser operado conectado a uma fonte de energia fixa, assim como tamb´ em por meio de bateria, tornando-o completamente independente de fios, uma vez que sua transferˆ encia de dados tamb´ em ´ e feita por meio de WiFi. Software e firmware: Figura 1: Tela de controle e apresentac ¸˜ ao dos pontos virtualizados pelo Lidaro O firmware embarcado no Lidaro foi escrito na linguagem Ardu´ ıno, uma variac ¸˜ ao de C++, o qual tem por papel de atuar sobre os eixos, fazer a leitura dos sensores, tanto ace- lerˆ ometro/girosc ´ opio, encoder, e ToF, como fazer a formatac ¸˜ ao das mensagens e fazer a comunicac ¸˜ ao por meio de rede WiFi com o computador que executa seu software de con- trole. No software de controle ´ e onde temos a interface para visualizac ¸˜ ao do ambiente virtuali- zado, e funcionalidade como selecionar a velocidade de rotac ¸˜ ao dos eixo do Lidaro, verifi- car se ele se encontra conectado a rede, selecionar o modo de operac ¸˜ ao e exportar os pontos amostrados na forma de um arquivo CSV. Resultados: (a) Cen´ ario com obst ´ aculos criado para a validac ¸˜ ao (b) Virtualizac ¸˜ ao bidimensional ob- tida, identificados pelos n ´ umeros 1, 2, 3 est˜ ao respectivamente posicionados a caixa o balde e o banco (c) Virtualizac ¸˜ ao tridimensional, vista de cima, obtida ´ E poss´ ıvel se perceber a consistˆ encia entre o cen´ ario real e os respectivos scans executados, dadas as limitac ¸oes do Lidaro com o sensor utilizado, sendo as varreduras das imagens fei- tas em sua resoluc ¸˜ ao intermedi´ aria para ambos os casos, 2D e 3D, e conseguimos perceber a detecc ¸˜ ao de todos os objetos presentes na cena, inclusive com as peculiaridades de seus formatos, como os ˆ angulos retos da caixa, a simetria radial do balde e a distˆ ancia entre as pernas do banco.
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LIDARO - Um Radar Laser aberto e de baixocustoMAC0499 - Trabalho de Formatura Supervisionado
Bruno Rafael Arico - NUSP 8125459Orientador: Roberto Hirata Jr.Universidade de Sao [email protected]
ResumoDurante a execucao deste projeto de TCC foi desenvolvido um Radar Laser, conhecido por Lidar,
o qual tem como funcionalidade a medicao de distancias em ambientes, mais precisamente os escane-ando e obtendo entao uma representacao virtual deste, tendo a sua aplicacao para a execucao de scansbidimensionais e tridimensionais com alcance limite de ate 1.5m de raio, na implementacao aqui apre-sentada.Tem suas estruturas fabricadas em uma impressora 3D, que tambem foi construıda para a elaboracaodeste projeto, possuindo hardware e software aberto, baixo custo e nao utilizando pecas especıficas temcomo a ideia de ser facilmente replicavel e modificavel.Junto ao Lidar foi desenvolvida uma interface de operacao para ele, com a qual pode-se opera-lo deforma completamente remota por meio de WiFi. Sua aplicacao fundamental e para a aquisicao de mode-los tridimensionais de pequenos ambientes e para a navegacao de pequenos veıculos autonomos.
O que e um Lidar?
(a) Fotografia do Lidar altimetrico utilizado namissao Apollo 15
(b) Perfilamento altimetrico Lunar obtido
O Lidar e um equipamento utilizado para a aquisicao extensiva de medidas de ambientes eobjetos, com finalidades de se obter informacoes computacionais sobre eles. Sua aplicacao eampla em navegacao autonoma e em ciencias ambientais. O primeiro Lidar implementadodata de 1970 para o projeto Apollo 15 da Nasa onde foi utilizado para fazer altimetria dosolo lunar, era disparado a 30km de altitude possuindo uma resolucao de ate 10 metros.Existem varias tecnologias as quais podem ser utilizadas para implementar um Lidar, poremessencialmente todas utilizam lasers. Mais precisamente o Lidar implementado neste TCCutiliza a tecnologia ToF (Time of Flight) a qual funciona semelhante a um sonar, o qual medea distancia ate um certo ponto calculando-se a distancia percorria pelo som, no entanto paraesta aplicacao a velocidade que e tomada como referencia e a da luz.
O Lidaro
(c) Estrutura final do Lidaro, montado sobrea sua fonte de alimentacao
(d) Representacao virtual do CAD elaborado como es-trutura para o Lidaro
O Lidaro e uma releitura DIY (Do it Yourself ) de um Lidar convencional, onde temos sua es-trutura construıda essencialmente se utilizando de impressao 3D e possuindo seu hardwaree software abertos e livres.Caracterizado como um Lidar do tipo ToF, com com taxa de amostragem de 50Hz, possuidois eixos de rotacao responsaveis individualmente pela rotacao do eixo horizontal e verti-cal, identificados, em coordenadas esfericas como eixo azimutal e zenital, respectivamente.Utilizado para realizar escaneamentos em ambientes com ate 1.5m, com o sensor inicial-mente utilizado, o VL53L0X expansıvel para sensores de maior capacidade, tanto em ter-mos de taxa de amostragem como de distancia alcancada, tem sua aplicacao para fins deaquisicao de imagens virtuais de pequenos comodos, assim como para a navegacao de pe-quenos veıculos autonomos.
Hardware:
(e) O principal sensor do Li-daro, o ToF VL53L0X
(f) Placa da Heltec utilizada, onde se en-contra o microcontrolador ESP32
Como microcontrolador principal possui um ESP32, dispondo tambem do sensor ToFVL53L0X como principal sensor de medicao de distancias e tambem do sensor acelerometroe giroscopio MPU6050, o qual serve para fazer a compensacao automatica de nıvel do Li-daro.Para se conseguir as informacoes de distancia e posicao do ponto, necessitamos sabertambem qual a inclinacao de cada um dos eixos do Lidaro. Para isso no eixo azimutal sedispoe de um servo-motor que e responsavel por sua movimentacao assim como a aquisicaode seu angulo de posicionamento. No eixo zenital temos um motor brushless combinadocom um encoder rotativo, visıvel observando-se os dentes na borda do rotor, que passamatraves de um sensor infravermelho, para identificar o posicionamento deste eixo.O encoder rotativo possui 15 dentes nos dando a resolucao por hardware de 12 graus, o quepor software, por meio de interpolacao e aumentada para 1 grau, conferindo as medidasfeitas a resolucao de 1 grau em ambos os eixo de rotacao.Energeticamente economico, pode ser operado conectado a uma fonte de energia fixa, assimcomo tambem por meio de bateria, tornando-o completamente independente de fios, umavez que sua transferencia de dados tambem e feita por meio de WiFi.
Software e firmware:
Figura 1: Tela de controle e apresentacao dos pontos virtualizados pelo Lidaro
O firmware embarcado no Lidaro foi escrito na linguagem Arduıno, uma variacao deC++, o qual tem por papel de atuar sobre os eixos, fazer a leitura dos sensores, tanto ace-lerometro/giroscopio, encoder, e ToF, como fazer a formatacao das mensagens e fazer acomunicacao por meio de rede WiFi com o computador que executa seu software de con-trole.No software de controle e onde temos a interface para visualizacao do ambiente virtuali-zado, e funcionalidade como selecionar a velocidade de rotacao dos eixo do Lidaro, verifi-car se ele se encontra conectado a rede, selecionar o modo de operacao e exportar os pontosamostrados na forma de um arquivo CSV.
Resultados:
(a) Cenario com obstaculos criado para avalidacao
(b) Virtualizacao bidimensional ob-tida, identificados pelos numeros 1, 2,3 estao respectivamente posicionadosa caixa o balde e o banco
(c) Virtualizacao tridimensional,vista de cima, obtida
E possıvel se perceber a consistencia entre o cenario real e os respectivos scans executados,dadas as limitacoes do Lidaro com o sensor utilizado, sendo as varreduras das imagens fei-tas em sua resolucao intermediaria para ambos os casos, 2D e 3D, e conseguimos percebera deteccao de todos os objetos presentes na cena, inclusive com as peculiaridades de seusformatos, como os angulos retos da caixa, a simetria radial do balde e a distancia entre aspernas do banco.
