Транспортный робот с наблюдателем статического момента БГУИР КП 1-53 01 07 ПЗ

В данном варианте осуществления средство для передачи движущей силы представляет собой синхронный ремень, закрепленный на ведомом и ведущем шкивах, а сборный корпусной элемент выполнен с кожухами электродвигателей, при этом каждый кожух электродвигателя проходит от сборного корпусного элемента в осевом направлении электродвигателя.

Амортизирующее устройство включает верхний опорный элемент, нижний опорный элемент, соответствующий  верхнему опорному элементу, упругий  элемент, расположенный между верхним  опорным элементом и нижним опорным  элементом, и цельную ось, проходящую через верхний опорный элемент, упругий элемент и нижний опорный  элемент. Оно прикреплено к верхнему закрывающему элементу сборного корпусного элемента и обеспечивает амортизацию удара. Первый нижний закрывающий элемент имеет выступ, образованный на одной его боковой поверхности. Верхний закрывающий элемент имеет выемку, предназначенную для обеспечения возможности поворота выступа в ней вокруг оси ведущих колес. Выемка соответствует выступу и выполнена с дугообразной формой.

Соответственно в том случае, когда препятствие находится  перед роботом-пылесосом, первый нижний закрывающий элемент и второй нижний закрывающий элемент поворачиваются вокруг оси ведущего колеса вместе с ведомыми колесами. Поворот ведомого колеса ограничен глубиной выемки верхнего закрывающего элемента. Ведомые колеса поворачиваются вверх вокруг оси ведущих колес, и благодаря перемещению ведомых колес вверх амортизирующее устройство выполняет функцию амортизации ударов. По мере того, как робот-пылесос перемещается через препятствие, ведомые колеса перемещаются вниз к поверхности, подвергаемой чистке и противолежащей им. Соответственно амортизирующее устройство поглощает шум и амортизирует удар, который имеет место, когда робот-пылесос опускается на поверхность, подвергаемую чистке.

Ведущие и ведомые колеса имеют  наружные окружные периферии с пилообразными  зубьями, так что, когда робот-пылесос  наталкивается на препятствие или  когда робот-пылесос входит в  контакт с поверхностью, подвергаемой чистке, контактное усилие увеличивается, и робот-пылесос перемещается через препятствие или перемещается по поверхности, подвергаемой чистке, стабильно без проскальзывания.

 

Рисунок 1.8 – Вид сбоку, показывающий основные части приводного устройства робота-пылесоса

 

2  АНАЛИЗ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ

2.1 Общие сведения и классификация систем навигации

 

Основной задачей любой системы  навигации является взаимодействие управляемого объекта с окружающей средой. В робототехнике активно  используются сенсорные системы  навигации. На управляемом объекте  имеется ряд сенсоров для восприятия окружающей среды, ряд исполнительных устройств (эффекторов) для воздействия  на среду и систему управления, которая позволяет роботу совершать  целенаправленные и полезные действия (рисунок 2.1).

 

 

Рисунок 2.1 – Базовые элементы всех роботизированных систем

 

Во всех роботизированных системах используются дистанционные датчики, датчики температуры, датчики радиации, химических веществ, и другие датчики  для восприятия окружающей его среды. В качестве эффекторов устройства для  воздействия на среду применяются  двигательные устройства.

Описанные выше базовые элементы составляют замкнутую кольцевую систему  взаимодействия. В такой системе  сенсоры возбуждают систему управления, в зависимости от изменений в  окружающей среде (рисунок 2.2). В другом случае действует так называемая обратная связь. Если система управления определяет действие, которое изменяет среду, сенсоры подтверждают данное изменение, отправляя информацию о  новом состоянии окружающей среды  в систему управления.

 

Рисунок 2.2- Замкнутая кольцевая система во взаимодействии

с окружающей средой

 

Первые системы обеспечения  навигации роботов создавались  на основе сканирующих датчиков, в  том числе телевидения, локационных  и стереодальномеров. Специальная вычислительная схема робота в конечном итоге сводила электрические сигналы к аналогам различных препятствий и делала вывод о целесообразности того или иного движения. Стандартными признаками препятствий, воспринимаемых роботом, стали стена, навес, яма - обрыв, наклон, опасность для дальномера и другие упрощенные или укрупненные детали сцены.

Обычно задачу технического зрения робота при навигации разбивают  на три уровня, соответствующих дальней, средней и ближней навигации (рисунок 2.3).

 

Рисунок 2.3- Зоны навигации

 

Система дальней навигации предназначена  для планирования основного маршрута движения робота. Главной функцией машинного зрения при этом является распознавание ориентиров. Оптико-электронная  схема, обеспечивающая решение данной задачи, состоит из объектива с  переменным фокусным расстоянием (трансфокатора), электронного блока, управляющего камерой, механизма, реализующего наклон или  поворот камеры, а также системы распознавания ориентира. Входные сигналы определяются грубой картой видимости, визуальными моделями ориентиров, картой местности и описанием задачи. Представления о внешней среде базируются на карте областей видимости (проходимости робота), местоположении робота, последовательности расположения областей, через которые проходит маршрут движения.

Система промежуточной (средней) навигации  содержит карту, которая является подмножеством  карты системы дальней навигации  с более подробным содержанием. Задача навигации состоит в обеспечении  движения в пределах однородной видимости, т. е. робот проходит коридоры свободного пространства (прямой полосы местности, где не требуется маневрирования). Система промежуточной навигации  предполагает чередование таких  коридоров и их последовательную корректировку путем увеличения ширины и разбиения маршрута на более  мелкие участки. Входные сигналы  этой системы основаны на карте дальней  навигации, моделях известных препятствий  и явных ориентиров местности, маршруте, спланированном на базе системы дальней  навигации. Система промежуточной  навигации обеспечивает общий анализ изображений для последующей  сегментации и распознавания, качественное определение расстояний, накопление ориентиров и планирование маршрута. Представление о внешнем мире даст карта коридоров свободного пространства, на которой отмечены основные характерные признаки препятствий  и местности.

Система ближней навигации предназначена  для непосредственного измерения  расстояний в сочетании с многоаспектным определением подпространства промежуточной  безопасной зоны, в пределах которой  перемещается робот, а также анализа  структуры местности. Входными данными  служат информация, поступающая от модулей счисления пройденного  пути и курса, сведения о свободном  пространстве. Система должна измерять расстояния, оценивать структуру  местности, определять безопасный обход  препятствий и планировать прохождение  по определенным трассам.

Отдельной задачей системы ближней  навигации является следование по дорогам. В ее состав входят планирование последовательности ощущаемых изменений дороги, преодоление  пересеченных и искривленных участков, крутых спусков и подъемов дороги, а также, обеспечение навигации  при наличии другого робота. Таким  образом, эта задача, являясь частной  для всей навигации робота, была связана с первыми этапами  разработки навигационных систем роботов.

Основной процесс управления при  навигации робота состоит в передаче задач от уровней с большей степенью абстракции к уровням с меньшей ее степенью, а информация о состоянии робота проходит в обратном направлении. При этом каждый уровень навигации хранит карту своей рабочей зоны робота и имеет специальные видеодатчики с соответствующими визуальными возможностями.

В робототехнике выделяют три навигационные  системы:

а) глобальная - определение абсолютных координат устройства при движении по длинным маршрутам;

б) локальная - определение координат устройства по отношению к некоторой (обычно стартовой) точке. Эта схема востребована разработчиками тактических беспилотных самолетов и наземных роботов, выполняющих миссии в пределах заранее известной  области;

в) персональная - позиционирование роботом частей своего тела и взаимодействие с близлежащими предметами, что актуально для устройств, снабженных манипуляторами.

Считается, что чем крупнее аппарат, тем выше для него важность глобальной навигации и ниже - персональной. У роботов-малышей все наоборот.

Системы навигации могут быть пассивными и активными. Пассивная система  навигации подразумевает прием  информации о собственных координатах  и других характеристиках своего движения от внешних источников, а  активная рассчитана на определение  местоположения только своими силами. Как правило, все глобальные схемы  навигации пассивные, локальные  бывают и теми и другими, а персональные схемы - всегда активные.

Первые модели промышленных роботов  с более или менее автономной навигацией, созданные в 60-е годы, передвигались по маршруту, жестко заданному с помощью электрических  кабелей, проложенных под полом  заводских сооружений. На роботах  устанавливались несложные устройства приема электромагнитного излучения  кабеля, позволявшие определять направление  перемещения. Аппараты могли двигаться  по различным маршрутам благодаря  тому, что по нескольким кабелям  передавался сигнал с разной частотой. Но такая схема была дорогой и  негибкой.

С появлением первых систем машинного  зрения удалось отказаться от кабелей  и перейти к навигации по ярко нарисованным (или флуоресцентным) линиям на полу. Робот с помощью  камеры следил за такой линией и  самостоятельно двигался вдоль нее. Правда, линии часто стирались, нередко  загораживались другими аппаратами и людьми, а на перекрестках, где  сходилось несколько маршрутных линий, роботы обычно терялись и останавливались, не в силах понять, куда же двигаться дальше.

Испытывались и другие похожие  концепции. По маршруту движения на определенной высоте размещались предметы-маркеры  заданной формы, которые робот с  помощью простых датчиков "ощупывал", узнавая тем самым свое местонахождение. Но такая схема навигации основана на нежелательном физически активном контакте машины с окружающим миром, что может привести к разрушительным последствиям. Кроме того, роботы не всегда могли правильно идентифицировать маркеры, а расположение последних приходилось выбирать очень точно.

Постепенно модели маркерной навигации  были оснащены более совершенными аналоговыми  датчиками, научившимися измерять силу реакции контакта и определять форму  маркера, а сейчас в этих целях  применяются цифровые матричные  датчики, способные получать от маркеров подробные данные об окружающей среде.

Следующий способ навигации – это  использование лазерных дальномеров  и ультразвуковых генераторов (сонаров). Однако лазерный луч поможет получить образ среды только в зоне прямой видимости. Кроме того, на пути луча часто возникают мелкие помехи, вносящие погрешность в такой образ. А  ультразвуковые датчики характеризуются  большим временем отклика (если робот  находится на большом и открытом пространстве), порядка десятых долей  секунды, что не позволяет роботу перемещаться быстро. Скорость звука  в разных условиях также может "плавать", влияя на точность оценки расстояния, в результате в "голове" робота искажается общая картина окружающей среды. Создание трехмерных карт с помощью  лазеров в масштабе реального  времени еще более затруднительно и, как минимум, требует существенных вычислительных мощностей, которые  пока не удается воплотить в виде компактных бортовых плат. По этим причинам ценность информации, поступающей от бортовых датчиков, невелика. Роботу необходимо перевести ее в формальное и структурированное "словесное" описание мира (задача распознавания).

 

2.2 Система навигации с использованием одометрических алгоритмов

 

Одометрические системы используются для оценки перемещения, используя  данные о движении приводов. Эти  данные поступают от датчиков угла поворота (энкодер или ДУП). Такие датчики могут быть накапливающими и абсолютными.

Мы будем использовать абсолютные ДУПы. Они выдают на выходе сигналы, которые можно однозначно интерпретировать как угол поворота вала датчика угла. Датчики угла этого типа не требуют привязки системы отсчёта к какому-либо нулевому положению.

Рассмотрим робота с энкодерами считающими углы поворота колес. Он некоторое время движется вперед (возможно объезжает препятствия), и хочет узнать пройденное расстояние. Так как суммарный угол поворота каждого колеса известен, так же как и его радиус, пройденное расстояние можно легко вычислить.

Зная радиус колеса r можно вычислить длину окружности:

(2.1)

 

Таким образом, за один оборот вала, робот  пройдет расстояние равное длине окружности колеса. Пусть наш энкодер выдает n импульсов на один оборот. Следовательно, за один импульс робот пройдет расстояние, которое высчитывается по следующей формуле:

(2.2)

 

У нашего робота два ведущих колеса, которые оборудованы энкодерами, которые накапливают информацию о перемещении робота. Здесь может быть две ситуации. Первая, когда робот двигался прямолинейно и показания энкодеров равны. Вторая, когда робот произвел объезд препятствия (или произошло проскальзывание одного из колес), при этом показания энкодеров в некоторый момент времени разные, потом робот восстановил направление движения. Во втором случае робот проделал большой путь, так как двигался по кривой траектории. Данные примеры изображены на рисунке 2.4.

Полный  путь, пройдённый роботом за время  отсчета определяется по формуле 2.3.

 

(2.3)

 

Здесь N – количество импульсов энкодера на участок, L – расстояние, которое проходит робот за один импульс.

 

Рисунок 2.4 – Ошибка одометрии

 

Данные с энкодеров поступают в буферы хранения. Микроконтроллер, через заданные промежутки времени, производит считывание данных, и очищает буферы, тем самым предотвращая их переполнения. Чем выше скорость робота, тем чаще должны производится опросы буферов. Алгоритм функционирования одометрической системы предложен на рисунке 2.5.