Образовательный портал лРЕШУ ЕГЭ (http;pdf

XХ Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 7: Информатика и управление в технических системах
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И НАВИГАЦИИ МОБИЛЬНОГО
РОБОТА ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ В АПРИОРЕ НЕИЗВЕСТНОЙ СРЕДЕ
Курганов С.М.
Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30
[email protected]
Цель работы
Одной из важных проблем современной робототехники, является полная автоматизация и автономность роботов и робототехнических систем.
В настоящее время актуальной задачей является создание автопилота для автомобилей. Изначально автопилоты разрабатывались исключительно для использования в авиации, но в дальРис. 1. Уровни (подзадачи) навигации и управления
нейшем системы автоматического управления
Решение задачи стратегического планирования
перешли и на наземные транспортные средства
сводится к нахождению пути из текущей позиции,
(ТС).
в необходимую точку. Существует множество
Целью данной работы является разработка сиалгоритмов определения оптимального маршрута,
стемы управления и навигации для движения в
но большинство из них сводятся к многократному
неизвестной среде. Существует три основных типа
повторению алгоритма и сравнения всех возможархитектур навигации и управления мобильного
ных комбинаций пути в каждый момент времени.
робота (МР) в неизвестной среде:
Задача локального позиционирования заклю-Архитектура, основанная на разделении
чается в разделении всего маршрута на опредефункций обработки полученной информации в
ленные участки, именно в этой задаче определяпроцессе
«распознавание-моделированиеются основные правила поведения мобильного
планирование-действие»
робота, его реакции на препятствия и прокладка
-Реактивная архитектура основана на стратепути от одного участка маршрута до другого.
гии целенаправленного поведения мобильного
Последней подзадачей является управление
робота. Методы оптимизации включают обучение
движениями МР. Данную подзадачу также можно
под наблюдением, основанные на нечеткой логике
разделить на две еще более мелкие задачи:
и нейронных сетях, а также локальное планирова-определение необходимых угловых характение поведения на основе информации с датчиков.
ристик колес мобильного робота
-Архитектура гибридной системы на основе
-обеспечение определенных угловых характеинтеграции двух предыдущих типов архитектур,
ристик при помощи двигателей
которая способна преодолевать трудности при
Для решения первой подзадачи, необходимо
моделировании незнакомой и неопределенной
построить кинематическую схему мобильного
среды и обеспечение адаптивности поведения в
робота, а для второй динамическую.
реальном масштабе времени.
Интеллектуализация управления
Для реализации проекта наиболее лучшим обПервоочередной задачей при построении авторазом подойдет гибридная система управления,
пилота, является интеллектуализация самого протак как именно данный тип архитектуры наиболее
цесса управления ТС.
полно поможет, решить все необходимые задачи.
Для реализации данной задачи, мобильная
Постановка задачи
платформа должна быть оснащена дистанционОсновной задачей данного проекта является
ным управлением. Таким образом, оператор смосоздание мобильного робота (МР), способного
жет управлять ТС на расстоянии. При этом, ТС
самостоятельно формировать и передвигаться по
будет оснащено несколькими ультразвуковыми
определенному, заранее не известному, пути. В
датчиками, которые будут использованы как раз
свою очередь, данную задачу необходимо раздедля интеллектуализации процесса. Датчики будут
лить на ряд подзадач, представленных на рисунке
считывать показания из окружающей среды, и
1:
фиксировать расстояние до объектов. Далее, если
-стратегическое планирование
ТС может стать причиной аварии, то система ав-локальное позиционирование
томатически блокирует управление с пульта и
-исполнительная часть
останавливает ТС, до устранения возможной приРешение
чины аварии. После устранение всех возможных
Решение поставленных выше подзадач будет
причин, которые могли вызвать аварию, дистаносновываться на данных, полученных с датчиков,
ционное управление переходит в режим полного
от системы технического зрения, от памяти мофункционала.
бильного робота и других источников. На основе
Движение робота в неизвестной среде
полученных данных будет формироваться опредеНа рисунке 2 представлен упрощенный алголенный управляющий сигнал, передаваемый от
ритм движения полностью автономного мобильодной подзадачи к другой.
ного робота. Роботу задается конкретная цель,
199
XХ Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 7: Информатика и управление в технических системах
которую необходимо обнаружить, то есть выполнить задачу управления и навигации в неизвестной среде, для этого ему необходимо проложить
все варианты маршрута и оперативно корректировать маршрут, относительно изменения внешней
среды.
Все это позволяет осуществлять полное трехмерное сканирование пространства, а также позволяет
распознавать необходимые объекты и препятствия. Минусом данного сенсора является невозможность его использования в реальной среде.
Таким образом, вся разработка будет проходить в
лабораторных условиях. При окончании работ в
лаборатории, сенсор будет заменен на стереокамеры, способные работать на открытом пространстве, то есть вне помещений.
Рис.4. Сенсор Kinect
Рис. 2. Алгоритм движения робота в неизвестной среде
Мобильная платформа
Для решения поставленной задачи в качестве
мобильного робота было выбрано полноприводное шестиколесное шасси Wild Thumper 6WD
(рис. 3) с активной подвеской, что позволяет МР
перемещаться в условиях пересеченной местности
на довольно высоких скоростях. Параллельность
соединения двигателей с каждого борта позволяет
использовать систему управления на МР с большим или меньшим количеством колес. Также преимуществом данной платформы является высокая
скорость и большая грузоподъемность. При собственном весе около килограмма, платформа может развивать скорость до 6 км/ч с полезной
нагрузкой до 3кг, что будет использована нами
для перевозки необходимо оборудования.
Рис.5. Ультразвуковой сенсор
Для обработки информации получаемой с
установленных на МР датчиков будет использоваться персональная вычислительная станция. Для
начала будет установлен одноплатный компьютер
миниатюрных размеров – Raspberry Pi. Далее, когда потребуются большие вычислительные мощности для обработки больших объемов видео данных, одноплатный компьютер будет заменен на
более продвинутую машину с дискретной видеокартой NVIDIA, что позволит использовать
технологию CUDA для параллельных вычислений.
Вывод
Исследование проблем и разработка методов
навигации мобильных роботов в незнакомой среде
может внести большой вклад в развитие теории
искусственного восприятия (техническое зрение и
т.п.), распознавание образов, навигации и адаптивного управления движением мобильных роботов при наличии динамических ограничений и
неизвестных препятствий.
Существует огромное множество применений:
автомобильная техника, которая используется на
угольных и рудных карьерах, сельскохозяйственная техника, машины-роботы, которые перевозят
грузы на складе или где-либо на производстве и
многое другое.
Литература:
1. Сайт поддержки разработчиков по ROS
[Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.ros.org/wiki/ , свободный.
2. Kinect — продвинутый датчик для роботов
[Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://habrahabr.ru/post/108927/ , свободный.
Рис. 3. Wild Thumper 6WD
Система управления нижнего уровня представлена контроллером коллекторного двигателя
фирмы DAGU, специально разработанным для
данной платформы.
В качестве датчиков для идентификации и распознавания объектов внешней среды используются: сенсор Kinect фирмы Microsoft (рис 4) и несколько ультразвуковых датчиков (рис 5). Выбор
сенсора Kinect обусловлен его низкой стоимостью
и огромным потенциалом. Сенсор Kinect состоит
из двух сенсоров глубины и цветной видеокамеры.
200