Con questo articolo vorrei condividere l’esperienza che io e Marco D’Ambrosio abbiamo fatto nello sperimentare il piccolo gioiello di sensore Lidar: Neato XV11.

 

 

 

Molto spesso in ambito di navigazione robotica si sente parlare di sistemi laser/ottici per la rilevazione del perimetro di un ambiente.

Sistemi molto conosciuti per questo scopo sono ad esempio la Kinect o la Asus Xtion, che utilizzano dei veri e propri sensori ottici (telecamera, infrarossi) molto sofisticati per rilevare com’è fatto l’ambiente in cui sono immersi: in pratica consentono di ricostruire un vero e proprio ambiente in 3d, ecco un esempio:

Esiste poi una tecnologia molto interessante e talvolta costosa: il Lidar, spesso trovato sotto l’acronimo di LDS – Laser Distance Sensor.

Questo tipo di sensore è molto costoso (circa 1200 euro , eg: Hokuyo URG-04LX): ma attenzione, dipende dall’uso che se ne fà! Ad esempio i sensori che vengono utilizzati da google per le sue auto a guida autonoma possono costare anche 80.000$ (Velodyne HDL-64E – tenete d’occhio questa azienda: è leader nella produzione di sensori ottici per veicoli a guida autonoma).

Da tempo una società californiana produttrice di aspirapolvere robotici ha realizzato un Lidar very very cheap da installare sui suoi dispositivi. La società è la Neato, ed il modello a cui faremo riferimento è l’ XV11. Il costo dell’intero aspirapolvere si aggirava (e si aggira ancora oggi, in versioni più recenti) intorno all cifra di 400 euro.

Il 15 novembre 2011 è stato lanciato un concorso – tweet con cui Wlliam Cox [@gallamine] ha lanciato il contest – con un premio di $1000 (con la partecipazione di varie persone) per chi avesse hackato il protocollo del Neato: capirete che con “soli” 400 euro, avere un sensore lidar sarebbe stato un affare abbastanza interessante: il lavoro è stato svolto da alcune persone, e contributi molto interessanti li hanno dati gli utenti Xevel e Hash69. Il 25 novembre 2010 Hash69 ha pubblicato un dump della comunicazione, ed in alcuni post successivi ha dato anche una interpretazione valida ai dati rilevati dal Lidar. Vincitore: Hash69, con la pubblicazione di questo post (ma è davvero un peccato che il blog originale su cui Hash69 ha postato i log di tutte le sue analisi sia stato rimosso da blogspot).

Da un pò di tempo a questa parte, è possibile trovare il solo sensore anche su ebay a prezzi molto interessanti (<150 euro con tasse di dazio & co incluse).

Qual’è la differenza tra questo dispositivo ed i più complessi sistemi ottici? la prima grossa differenza riguarda il fatto che il sensore lavora in piano: cioè effettua una scansione in parallelo al suolo, mostrando il perimetro dell’area “in cui è immerso” all’altezza “in cui viene posto” , ecco un risultato di tale scansione:

 

 

 

I tecnici Neato che hanno realizzato questo dispositivo hanno preso spunto da questo white paper presentato ad una conferenza IEEE nel 2008. Il documento è molto interessante da leggere, anche per capire a fondo il funzionamento del dispositivo.

Vengono elencate anche le sue caratteristiche:

 

1. Eye-safe (Class I or II).
2. Works under standard indoor lighting conditions, and some outdoor conditions.
3. Measures a full 360 degree planar scan.
4. Has a range from 0.2m to 6m.
5. High resolution: range error < 3 cm at 6 m, angular resolution of 1 degree.
6. 4000 readings per second (scans up to 10 Hz)
7. Small size, low power (< 2W)
8. Standard, commercially-available components.
9. Low cost: $30 cost to build.

Per configurare il sensore, basta seguire il seguente schema:

 

• cavo arancione: TX
• cavo marrone: RX

se ruotate a mano il sensore dalla seriale verrà fuori una stringa di testo come la seguente:

Per verificare il firmware installato (vengono elencati qui in dettaglio) basta leggere la riga evidenziata in rosso nella prima nota: vi consiglio di verificare che la versione del firmware sia almeno la 2.5.x, per avere la possibilità di poter utilizzare al meglio il sensore.

Ho testato il tutto inserendo il tutto in uno scatolo di scarpe capiente: in questo modo è possibile testare in maniera precisa e determinata le caratteristiche del lidar. Adesso collegate l’alimentazione del motore: comincerà a girare: fate partire il lidar!

1. ogni puntino rappresenta una lettura della distanza visualizzata;
2. il puntino rosso centrale rappresenta idealmente il centro del nostro dispositivo;
3. il cerchio descritto subito dopo il centro del nostro sensore ha un raggio di 100mm: è regolabile, e rappresenta la soglia minima oltre il quale la lettura dei dati non è determinata con precisione assoluta (si veda ad esempio il caso in cui si monti il sensore su una base robot del diametro di 200mm);
4. i puntini verdi rappresentano le letture che hanno dato un riscontro positivo: ed infatti nel nostro esperimento rappresentano il bordo della scatola in cui abbiamo “immerso” il sensore;
5. i puntini gialli rappresentano l’errore calcolato sul tempo di risposta del dispositivo;
6. in questo esempio non se ne vedono, ma se per caso ci fossero stati errori di lettura (angoli morti o punti non raggiungibili direttamente) allora questi sarebbero stati rappresentati con dei puntini rossi.

Il blog su cui chenglung ha pubblicato questa soluzione con i riferimenti al suo repository ed ulteriori dettagli sullo schema comprensivo del codice da utilizzare per programmare arduino è quì.

La cosa importante, è far girare a 300 giri al minuto (RPM) il motore del lidar: per fare ciò, dovete scegliere l’alimentazione giusta del lidar (e quì ci agganciamo alla nota in cui veniva chiesto di partire ad alimentare il lidar con 3V: per tenerlo intorno ai 300RPM bisogna regolare l’alimentazione del circuito perchè raggiunga il valore giusto).

Ecco quindi la soluzione (lasciatemi passare la grandissima approssimazione nella realizzazione vi prego!) implementata su una demoboard attaccata ad un arduino 2560:

Analizzato il circuito e la tecnologia, si è scoperto un modo nuovo di valutare l’ambiente circostante in ambito di una potenziale navigazione autonoma di un robot.

Utilizzare questo sensore per applicazioni a basso livello potrebbe essere complesso, ma se venisse utilizzato un qualcosa in più alto livello, allora tutto potrebbe essere non così complesso: ROS può sicuramente aiutare ad utilizzare al meglio questo stupendo strumento.

il LIDAR analizzato in questa pagina sicuramente è ottimo per gli ambienti indoor, ma in ambienti irradiati da luce solare può causare delle imprecisioni, ed in tal caso è consigliato dirottare gli sforzi su sensori di tipo ottico.

In cantiere avrei la composizione di una scheda che a bordo abbia un arduino vero e proprio (che consenta una facile programmazioni e prototipazione) che includa la circuiteria necessaria ad essere installato sotto al Neato, un pò come ha fatto RoboPeak), ma open source.

Per concludere elenco di seguito i pro e contro del NEATO XV11:

 

PRO:

• sensore poco costoso;
• non richiede approfondite conoscenze di elettronica;
• con pochissimi componenti ed un semplice arduino è possibile costruire il controllo ad anello chiuso del sensore;
• supportato da ROS;
• molto seguito nelle varie comunità di robotica;
• anche se non leggerissimo, con alcuni accorgimenti può essere usato anche sui droni;

CONTRO:

• troppo sensibile alla luce solare;
• range in ambienti indoor che potrebbe non soddisfare le richieste dei più esigenti;
• sensore legato a componenti meccaniche soggette ad usura (slip ring): anche se a onor del vero, sono parametri che per un uso amatoriale/semi professionale non dovrebbero essere un problema, e che dovrebbero essere presi in considerazioni per applicazioni professionali in cui è richiesto moltissimo tempo di esercizio;

 

 

 

Si ringraziano le persone che hanno permesso di ottenere così grandi risultati: