۳۰۳- سیستم هدایتگر روباتهای خدماتی سیار مبتنی بر تکنولوژی RFID

مرتضی رشیدی کوچی – دانشگاه آزاد اسلامی واحد مرودشت

ساره رشیدی کوچی – دانشگاه شیراز- دانشکده آموزشهای الکترونیکی

کلید واژه: smart-floor   ,  راهبری ربات ،tag  RFID

چکیده:

خانه ی هوشمند خانه ای است که در آن سیستم های مختلف خانگی بدون نیاز به کنترل توسط ساکنین این خانه، به صورت کاملاً هوشمند و اتوماتیک تنظیم شود. به عنوان مثال، سیستم روشنایی یک خانه ی هوشمند به صروت خودکار و با توجه به نور محیط تنظیم می شود. امروزه مدیریت هوشمند ساختمان بعنوان یک واقعیت آینده رندگی اجتماعی انسانها مطرح شده است که در این میان استفاده از رباتها در خانه های هوشمند و سپردن کارهای روزمره خانه و محیط کار جزء جدایی ناپذیر این حوزه می باشد.

البته ناوبری(هدایت) رباتهای سیار در فواصل طولانی، دیگر یک معضل نمی باشد. یکی از راهکارهای این مسئله تامین حسگرهای مجهز می باشد که هزینه این تجهیزات بسیار بالاست. به عقیده کارشناسان "هزینه حسگرهای با کیفیت برای ناوبری در ابعاد بزرگ جهت رباتهای خدماتی سیار براحتی چند برابر هزینه ساخت آن روبات می باشد"[1]

با بکارگیری RFID در سیستم هدایتگر می توان هم موقعیت و جهت ربات را با یک دقت قابل قبول مشخص نمود و هم هزینه ای بمراتب کمتر از هزینه استفاده از حسگرهای پیشرفته را متحمل شد. این سیستم هدایتگر از tag های RFID تعبیه شده در لایه زیرین کف محوطه مورد سرویس استفاده می کند.

این لایه زیرین هوشمند یک بافت شبکه ای متراکم از تعداد زیادی tag می باشد. و به مثل یک فانوس دریایی جهت تعیین مسیر رباتها عمل می کند، با این تفاوت که بر خلاف فانوس دریایی که بصورت فعال سیگنال ساطع می کند،  این اجزا ، passive بوده وبا یک اکو الکترومغناطیسی با یک مشخصه(ID) خاص به سیگنالهای پرسشگر پاسخ می دهد. از سویی ربات، به یک قرائتگر RFID و یک نقشه بارگزاری شده در کنترلر، جهت مشخص کردن موقعیت tag های کف محوطه مجهز شده است. با این تجهیزات ربات موقعیت و جهت حرکت خود را مشخص و کنترل می کند.

---

[1] Ervin Prassler

1 : مقدمه

در سال 2006 یک تولیدکننده ماشین لباسشویی و فرش درآلمان بنام  Vorwerk سیستم تحقیقاتی خود  با عنوان" smart-floor" را معرفی کرد. یک کفپوش با tagهای 13.56 MHz تعبیه شده در لایه زیرین. البته کفپوش هوشمند Vorwerk مشخصه های تجاری دیگری مثل عایقبندی وکاهندگی صوتی را دارا بود و قابلیت نصب در بسیاری از سطوح مثل کاشی، چوب، قالی وغیره را داشت. tag های این کفپوش به تعداد هر مترمربع چهار tag جاسازی شده بودند که قابلیت برنامه ریزی جهت هدایت سیستمهای سیار مثل روباتهای نامه رسان یا جاروبگر را داشتند بعد از سالها تحقیق، Vorwerk کفپوش هوشمند خود را به مرحله تولید تجاری رساند.

در این طرح دو شرکت دیگر با  Vorwerkهمکاری داشتند.  InMach Intelligente Maschinen کمپانی تولیدکننده رباتهای کارهای خانگی، ساخت رباتهایی مجهز به سیستم RFID را در دست انجام قرار داد و Future Shape  نیز تهیه نرم افزار این سیستم را متقبل شد. این شرکت ها مجموعه ربات، کفپوش و سیستم نرم افزاری را یکجا با نام راهکار smart-floor عرضه کردند. در ایڷن های دربسته به سختی امکانپذیر است، اینگونه سیستمها قادر به پوشش /font>tag های سطح تحت پوشش،  موقعیت خود را بدست آورده به سمت هدف حرکت کنند. جنس این کفپوش از نوعی پلی استرخاص می باشد که قابلیت اتصال tag ها به آن وجود داشته باشد. tag نیز تشکیل شده از یک میکروچیپ کوچک  ISO 15693 متصل به یک آنتن سیمی که روی یک سطح پلاستیکی از نوع پلی استر جاسازی شده اند.[2]

هر tag شماره مخصوص خود را دارد و دارای یک حافظه of read-write 256 بیتی می باشد. در آینده کمپانی سازنده در نظر دارد این حافظه را به 10 کیلوبایت برساند. قرائتگر ربات میتواند تا محدوده 10 سانتیمتری اطلاعات tag را بخواند.

سیستمهای رباتیک خدماتی فعلی، از سنسورهای مادون قرمز یا GPS برای هدایت ربات استفاده می کنند. ولی چون این تکنولوژی ها گرانقیمت بوده و دریافت سیگنالهای GPS در ساختمان های دربسته به سختی امکانپذیر است، اینگونه سیستمها قادر به پوشش صددرصدی محیط نیستند. در ژانویه 2005 کمپانی Vorwerk کار روی پروژه ای بنام سیستم پوشش هوشمند را معرفی کرد. سیستم خدماتی رباتیک مجهز به قرائتگر RFID که بوسیله خواندن tagهای تعبیه شده در سیستم شبکه ای کفپوش، مسیر خود  را مدیریت میکند. Vorwerk امیدوار است این سیستم را به مدیران ساختمانهایی مثل بیمارستانها، مراکز نگهداری و مراکزی که نیاز به ردگیری اشیاء و افراد در آنها وجود دارد، بفروشد. [3]

2 : توصیف پروژه

علاقه به استفاده از رباتهای خدماتی بشکل روزمره در حال افزایش می باشد. هنگام ساخت اینگونه رباتها، مشکلات زیادی باید حل شود تا یک حرکت رضایتبخش حاصل شود. یکی از مهمترین مسائل هنگام طراحی روبات، قابلیتهای هدایت و راهبری آن می باشد. راهبری در اینجا بمعنای حرکت دادن از یک نقطه شروع اختیاری به یک نقطه پایانی از قبل تعیین شده می باشد.مهم است که این راهبری دقیق باشد و دقت آن بمرور زمان کاهش پیدا نکند.

برای دستیابی به یک مدل راهبری کلاسیک، رباتها اغلب از یک نمایش دقیق از محیط کاری بنام نقشه استفاده می کنند که اغلب در حافظه آنها ذخیره می شود. یکی از مشکلات اصلی، ساخت یک چنین نقشه ای می باشد. مخصوصاً زمانی که از سنسورهای صوتی(sonar) و از انعکاس امواج فرستاده شده به موانع در تخمین موقعیت استفاده شود.

یک مدل غیرکلاسیک راهبری، استفاده از Stigmergy می باشد. Stigmergy به ارتباطات غیرمستقیم بین حشرات با ایجاد تغییرات در محیط اشاره دارد. یک نمونه بارز Stigmergy عبارت است از نشانه گذاری مورچگان که بوسیله دیگر مورچه ها جهت ردیابی مسیر مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین این نشانه گذاری برای بهینه سازی مسیر نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

Stigmergy در حالت کلی به اطلاعات خیلی کمی جهت حل مسائل مسیریابی نیاز دارد. جالب است که مورچه ها، بدون داشتن اطلاعات قبلی (مثلا:فاصله) میتوانند کوتاهترین مسیر بین دو نقطه را پیدا کنند.  روش کلاسیک کاری که مورچه ها انجام می دهند عبارت است از بکارگیری یک نقشه از محیط و بکاربردن یک جستجو با استفاده از الگوریتمهای جستجوی گراف معروف مثل breadth-first می باشد.

هدف این پروژه ارائه یک روش جدید برای راهبری رباتهای خانگی به روش stigmergy می باشد. موضوع مهم در این متد، به حداقل رسانی اطلاعات موردنیاز مسئله می باشد. موضوع دیگر حذف مسائل سخت دیگر مثل تخمین موقعیت می باشد.

3 : پیکره بندی سخت افزاری

3.1 : خانه آزمایش

برای آزمایش تئوری ها و مفاهیم این پروژه، یک محیط آزمون بنام خانه آزمایش آماده می کنیم. این محیط آزمایش در نگاه اول با یک آپارتمان معمولی تفاوتی ندارد ولی چند شیء غیرمعمول در آن تعبیه شده است از جمله: ربات سیار و tag های RFID تعبیه شده در کفپوش.[4]

شکل 1: یک نمای ساده شده از محیط آزمایش. قسمت سیاه، اشیایی را نشان می دهد که فضا را اشغال کرده مسیر را بسته اند، یا قسمتهایی که تحت پوشش نیستند.  خال های سیاه در زمینه سفید tagهای RFID را نشان می دهند. برای مثال شیء تیره پایین سمت چپ، تختخواب را نشان می دهد. دقت کنید که چیدمان tagها به شکل شبکه ای از شش وجهی می باشد.

3.2 : سخت افزار  قرائتگر

قرائتگرRFID یک بخش از سخت افزار جهت خواندن و نوشتن داده ها از/به تگ ها در محیط می باشد. این بخش خاص از سخت افزار بگونه ای انتخاب می شود که با تگ های passive کار کند. بعلاوه، ارتباط و انتقال نیروی قرائتگر بدین روش قابل تامین است. همچنین در آزمایش ها مشخص می شود که این قرائتگر که با تگ های passive کار میکند قابلیت ارتباط با 3 تگ را بطور همزمان داراست.البته اغلب یک یا دو تگ در دامنه یک قرائتگر قرار دارند.

یکی از قسمتهای اساسی پروژه ربات انتخابی است. برای این منظور از Centibot استفاده می شود که محصول ActivMedia یا همان MobileRobots می باشد. پلتفرم  Centibot شامل ربات سیار Amigobot و یک PC on-board می باشد. [5]

شکل 2 : پلتفورم Centibot شامل ربات سیار و یک PC کوچک on-board. (منبع عکس [6]:)

3.3 : نرم افزار ربات

برنامه نویسی ربات یک کار تخصصی است بخصوص در حالتی که با تنظیم چندین ربات و در یک سیستم توزیع شده کار کنیم. در این زمینه چندین نرم افزار open-source وجود دارد.  Player یکی از آن نرم افزارها می باشد که رابطهای معمول مورد نیاز را جهت کنترل و مدیریت طیف گسترده ای از عملیات رباتیک و سیستمهای سنسور را فراهم می کند.[7]

از شروع پروژه Player در 1999 در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، این پروژه بعنوان یک استاندارد در ارتباطات رباتیک در آمده است.

در بسیاری از تنظمیات معمول، توابع Player بعنوان یک سرور مبتنی بر TCP عمل میکند که چندین client قابلیت ارتباط با آن را دارند.همچنین برای یک client این امکان وجود دارد که بطور همزمان به چندین سرور Player مرتبط شود. از نظر معماری، Player تحت تاثیر سیستم عامل می باشد بدین معنی که رابطها از درایورها جدا می باشند.

برای مثال یکی از رابطهای معمول در Player ، position2d می باشد که برای کنترل رباتهای دووجهی مورد استفاده قرار می گیرند. البته رابط به تنهایی قادر به انجام کاری نیست و این یک توصیف ساده است. یکی از پیاده سازی های position2d عبارت است از درایور p2os که مفهوم رابط را جهت کنترل کردن رباتهای خاص MobileRobots تامین می کند. این در حالی است که فقط رابطها برای کاربران سرور یک Player معرفی شده می باشد. یک کلاینت Player  که برای یک device طراحی شده است در صورتی روی یک device متفاوت دیگر کار میکند که درایورهای هر دو device وجود داشته باشد.

Stage یک