Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Конструкции мобильных роботов МЭИ 19
1.1. Робот с рулевым колесом 19
1.1.1. Описание конструкции робота Р1 19
1.1.2. Бортовая программа управления роботом Р1 28
1.2. Роботе двумя приводными колесами 32
1.2.1. Описание конструкции робота Р2 35
1.2.3. Бортовая программа управления Р2 46
1.3. Уравнения движения мобильных колесных роботов 54
1.3.1. Уравнения движения робота Р1 55
1.3.2. Уравнения движения робота Р2 63
1.4. Технические характеристики роботов 66
1.5. Выводы 67
Глава 2. Инерционный разгон двускатной тележки 68
2.1. Постановка задачи 68
2.2. Точное интегрирование уравнений свободного движения робота 68
2.3. Инерционный разгон 72
2.4. Оценка реализуемости неголономных связей 81
2.5. Моделирование движения робота 84
2.6. Выводы 90
Глава 3. Навигация мобильного робота по маякам 91
3.1. Постановка задачи и обзор возможных решений 91
3.2. Построение карты местности 92
3.3. Компьютерное моделирование построения карты местности 101
3.4. Планирование траектории движения 104
3.5. Движение вдоль спланированной траектории 114
3.6. Выводы 122
Глава 4. Прикладные задачи создания мобильных роботов 124
4.1. Компьютерное моделирование поведения мобильного робота в заданных словиях 124
4.1.1. Предпосылки к использованию методов компьютерного моделирования 124
4.1.2. Описание программы компьютерного моделирования 128
4.2. Использование волоконнооптического гироскопа для решения задачи авигации 134
4.2.1. Обзор предлагаемых решений 136
4.2.2. Использование ВОТ в системе навигации мобильного робота 139
4.2.3. Калибровка ВОГи алгоритмы навигации 141
4.2.4. Экспериментальные данные и выводы 144
4.3. Выводы 145
Заключение 147
Литература 149
- Описание конструкции робота Р2
- Точное интегрирование уравнений свободного движения робота
- Компьютерное моделирование построения карты местности
- Использование волоконнооптического гироскопа для решения задачи авигации
Описание конструкции робота Р2
Робот Р2 представляет собой автономную мобильную конструкцию с бортовым вычислителем для выполнения заранее определенного набора задач. Кинематической схемой, как уже было сказано выше, является схема с двумя независимо управляемыми ведущими колесами и третьим колесом, свободно вращающемся в рояльной вилке. Это дает возможность задавать произвольное движение робота только с помощью двух моментов, приложенных к ведущим колесам. Для решения задач, связанных с движением по ИК-маякам робот использует ИК-локатор кругового обзора; для движения по полосе система технического зрения, использующая ч/б видеокамеру (см. рисунок 1.3) и стандартную плату «видеозахвата» для PC-совместимых компьютеров. Точно так же, как и при рассмотрении конструкции робота ОКБ, выделим электронную, электромеханическую и механическую группы составляющих. Структурная схема робота, содержащая электронную и электромеханическую группы, приведена на рисунке 1.14.
В электронную группу, отвечающую за обработку информации от датчиков робота, принятие решения и управление электромеханической группой, входят:
1. Бортовой компьютер - отвечает за выполнение бортовой программы робота на основании информации от датчиков и управление электромеханической группой. За основу взята обычная РС-совместимая материнская плата (motherboard) для 486-х процессоров формата babyAT (210x200мм). Установлен процессор AMD К5 133 МГц и 8 Мбайт оперативной памяти. Особенностью обычных материнских плат является требование обязательного наличия видеоконтроллера (устройства, подключаемого к монитору), даже если к нему не подключен монитор. Так как описываемая материнская плата не содержит встроенного видеоконтроллера, была установлена PCI-видеокарта (video card). Оставшиеся свободными PCI- и ISA-слоты расширения используются для включения плат расширения. Все эти компоненты смонтированы в компактном самодельном корпусе (250x200x160мм), где также разместились: промышленный блок питания, дисковод 3.5" и обычный «винчестер» на 520 Мбайт.
2. Блок питания компьютера - расположен в корпусе бортового компьютера (см. выше). Представляет собой промышленный импульсный блок питания, преобразующий +24В с аккумуляторных батарей в +5В (10А - max).
3. Плата видеозахвата - плата расширения с интерфейсом PCI для преобразования аналогового видеосигнала (в т.ч. и цветного) в цифровую форму и его передачи в бортовой компьютер. Производится фирмой Aver Media (Корея) на базе специализированного микроконтроллера Fusion878 фирмы Conexant. Микроконтроллер является продолжением линейки контроллеров Bt8x8, широко используемых в подобного рода устройствах. Перечислим кратко основные возможности указанного микроконтроллера:
захват видеосигнала с максимальным разрешением 720x576 пикселей 25 кадров/сек (видеосигнал в системе PAL) и разрешением 24 бит на пиксель (по 8 бит на каждую цветовую компоненту);
возможность программного управления процессом захвата с помощью создания микропрограммы, самостоятельно выполняемой контроллером - фактически каждую строку изображения можно обрабатывать индивидуально;
размещение всех полученных данных в оперативной памяти компьютера без использования центрального процессора (механизм DMA); встроенные механизмы масштабирования изображения и выделения заданной области изображения (т.е. захватывать можно только заданную часть из целого кадра);
встроенные механизмы управления параметрами изображения (яркость, контрастность и т.д.);
встроенные механизмы цветокодировки (RGB, YUV, в оттенках серого и т.д.);
четыре программно выбираемых канала ввода видеосигнала (в рассматриваемой плате используется только 2).
4. Плата ввода/вывода аналоговых сигналов — промышленная плата ввода/вывода ACL-8112 с интерфейсом ISA для подключения к PC. Может применяться для построения лабораторного измерительного комплекса на базе персонального компьютера. На роботе используется для оцифровки аналоговых сигналов с волоконнооптического гироскопа ВОГ-951 (см. главу 4) и манипулятора «джойстик» для ручного управления роботом. С ее помощью производится мониторинг текущего напряжения аккумуляторных батарей, что позволяет программно следить за уровнем их заряда и своевременно производить их замену. Для этих целей плата содержит 12-ти разрядный АЦП параллельного действия с максимальной частотой измерения - 100 кГц. На входе АЦП установлен коммутатор аналоговых сигналов, который позволяет подключать к входу АЦП любой из 16 входных сигналов. Выбор осуществляется программным способом, что дает возможность организовать опрос необходимых каналов (от ВОГ, от «джойстика» и т.д.). С помощью встроенного контроллера шины ISA считанные данные могут быть переданы в бортовой компьютер и использованы в программе управления роботом.
Точное интегрирование уравнений свободного движения робота
Технические характеристики робота Р1: S масса - 7 кг вместе с аккумуляторами, S размеры - 450x300x190 мм (без штанги с локатором), энергообеспечение - 2 свинцово-кислотных аккумулятора: 12В х 2 А-ч каждый, S максимальная скорость движения - 2 м/с, S максимальное время автономной работы -1ч (при средней скорости 1 м/с), S бортовой вычислитель на базе 8-битного микроконтроллера КМ1816ВЕ31, S система очувствления - ИК-локатор с дальностью обнаружения ИК-маяка до 20 м и датчик угла поворота передней вилки, привод ведущих колес - 2 микроэлектродвигателя постоянного тока ДПР 111с редукторами, S привод рулевой вилки - микроэлектродвигатель постоянного тока ДПМ с редуктором. Технические характеристики робота Р2: S масса - 25 кг вместе с аккумуляторами, S размеры - 700x500x300 мм (без штанги с локатором), S энергообеспечение -4 свинцово-кислотных аккумулятора; 12 В х 7 А-ч каждый, S максимальная скорость движения - 2 м/с, S максимальное время автономной работы - 0.5 ч (при средней скорости 0.5 м/с), S бортовой вычислитель на базе PC с процессором AMD 486 К5 133МГц, работающий под управлением DOS и спроектированной автором многозадачной системы управления движением робота, S система очувствления - ИК-локатор с дальностью обнаружения ИК маяков до 7 м, квадратурные датчики углов поворота ведущих колес, видеокамера, волоконнооптический датчик угловой скорости (ВОГ), / привод ведущих колес - 2 мотор-редуктора, являющиеся форсированными вариантами стандартного привода стеклоочистителей от автомобилей ВАЗ 2106. Описаны конструкции мобильных роботов, предназначенных для участия в соревнованиях. Мобильные роботы представлены как современные мехатронные системы, максимально приспособленные для проведения научных и учебных экспериментов в области теоретической механики, теории автоматического управления, электроники, электротехники и программирования.
При создании робота с управляемым передним колесом автор отвечал за разработку бортовой программы управления; при создании робота с двумя ведущими колесами - за электронные схемы управления и очувствления робота, а также бортовой программы управления движением робота.
Выведены уравнения движения мобильных роботов, которые можно использовать для разработки алгоритмов управления и навигации, а также при создании программ компьютерного моделирования. Следует отметить, что структура полученных уравнений движения не зависит от масс-геометрических параметров робота и определяется только местом расположения колес и наличием выноса в колесных вилках. Глава 2. Инерционный разгон двускатной тележки.
В настоящее время достаточно большое внимание уделяется принципам нетрадиционного подхода к обеспечению движения мобильных объектов. Одним из таких подходов является использование следствий неголономности механических связей и инерционности элементов конструкции, возникающих при движении какого-либо механического объекта, оснащенного колесами (роликами) или коньками, по плоскости [25, 51]. Областью применения этих подходов может являться микроробототехника, где технологически сложно выполнить классический привод, вращающий ведущие колеса.
В этой главе будет показано, что рассмотренная выше кинематическая схема двускатной тележки обеспечивает возможность разгона конструкции только благодаря наличию внутреннего периодического момента, прикладываемого между передним скатом и корпусом робота. При этом привод на колеса не осуществляется. Формальная постановка задачи с кинематической схемой полностью соответствует приведенной в разделе 1.3.1 за исключением того, что будет рассмотрен полноценный передний скат с двумя колесами, а не вырожденный случай робота Р1.
Рассмотрение начнем с исследования свободного (баллистического) движения тележки при отсутствии управляющих моментов, что позволяет изучить свойства механического движения системы.
Компьютерное моделирование построения карты местности
Исходя из вышесказанного, приведем формализованную постановку задачи. Имеем:
1. Координаты робота [х, у,(р\ в неподвижной системе координат в момент времени Г (момент завершения работы алгоритмов 3.1-3.2).
2. Массив полярных координат маяков Р = Г[д.,ц.]1, і = l..N в момент ремени Т, где N - кол-во маяков. Здесь координаты заданы в связанной с роботом с.к., поэтому требуется их перевод в декартовы координаты и.с.к. Это может быть проделано с помощью уравнений (3.2). В итоге имеем массив Р = хм.,ум.
3. Правило А, качественно определяющее способ построения траектории на основании массива Р . Ниже будет приведен способ задания правила А в виде массива пар маяков, позволяющий распространить работу алгоритма помимо «Змейки» также на ряд других заданий. позиция 1 не является существенной, так как в момент времени Т можно аново «обнулить» внутренние часы робота и положить [х,у,ф\ = [0,0,0].
Учитывать данную позицию имеет смысл только в том случае, если в качестве траекторнозадающих элементов используются позиции, привязанные к неподвижной системе координат, жестко связанной с полигоном. Например, при построении траектории требуется учитывать препятствия, координаты которых относительно полигона заранее известны.
Требуется получить формализованное описание траектории движения удовлетворяющее правилу А. В разделе 3.1 отмечалось, что принципиально описание траектории движения можно разделить на два способа: алгоритмический и навигационный. Рассмотрим навигационный способ, для чего потребуем описания траектории движения по правилу А в виде , где /є [0,1]. Значение параметрической плоской кривой L = L(/) = х(1) параметра / = 0 соответствует точке старта, / = 1 - точке финиша в рамках траектории L(7). Оптимальность выбранной траектории должна обеспечиваться двумя требованиями: 1) Полученная траектория должна являться С2-гладкой кривой относительно выбранной параметризации на отрезке [0,1], т.е. в каждой точке отрезка должна достигаться непрерывность производных всех координатных функций кривой х(1),у(1) до 2-ого порядка включительно. L(/)GC2[0,1] (3.21) Это ограничение позволяет избежать скачков напряжения, подаваемых на двигатели робота, так как не будет участков траектории, на которых ускорение робота должно меняться скачками. 2) Необходимо доставлять минимум функционалу 107 і J(x)=l(x"(l)fdl (3.22) о аналогично для у (J), на классе функций из С2[0,1], удовлетворяющих в итоге правилу А. Таким образом, построение траектории можно разделить на два этапа: формализация правила А, путем задания семейства кривых, проходящих через заданные точки плоскости; выбор из этого семейства необходимой кривой путем удовлетворения требованиям (3.21) и (3.22).
Рассмотрение начнем со второго этапа. Из аналитической геометрии известно, что требованиям (3.21) и (3.22) удовлетворяет интерполяционная кубическая сплайн-функция [20], которая интерполирует заданную табличную функцию. Следует отметить, что согласно теореме Дж.Холидея (1957г.) такая функция является единственной из класса С2, удовлетворяющей требованиям (3.21) и (3.22), если вторые производные на концах функции равны нулю. [18] для построения траектории использовались геометрические сплайны на основе элементарной кубической кривой Эрмита. Траектория движения представлялась в виде набора таких элементарных кривых, каждая из которых задавала траекторию между парой опорных точек (вся траектория задавалась в виде набора опорных точек). Однако необходимость определения для ее построения не только точек начала и конца элементарной кривой, но и касательных векторов в этих точках требовала введения дополнительных искусственных правил задания касательных векторов в опорных точках. В итоге, получаемый результат для произвольного расположения маяков был слабо предсказуем. Попытки автоматизировать выбор касательных векторов путем введения требований на гладкость получаемой кривой в опорных точках и минимизации функционала (3.22) естественным путем привели к определению кубической сплайн-кривой.
Использование волоконнооптического гироскопа для решения задачи авигации
Как уже отмечалось в замечании 3.7 (глава 3) в работе алгоритма, решающего задачу движения по спланированной траектории, важную роль играет навигационный блок, определяющий текущее положение робота на полигоне. В свою очередь, точность навигационного алгоритма напрямую зависит от точности датчиков робота. Первоначально в конструкциях роботов для указанных целей использовались дискретные датчики углов вращения ведущих колес, однако их использование имеет ряд принципиальных ограничений, которые не могут быть решены путем увеличения точности самих датчиков. Например, погрешности в ходе определения геометрических параметров робота. Например, конечность пятна контакта колеса с подстилающей поверхностью, что затрудняет точное определение расстояние между колесами и как следствие - накопление ошибки при интегрировании навигационных уравнений.
Одним из возможных способов повышения точности определения положения робота является применение волоконно-оптических датчиков угловой скорости [32], которые в настоящее время рассматриваются как один из наиболее перспективных чувствительных элементов систем управления подвижных объектов [42]. Начало работ над волоконно-оптическим гироскопом (ВОГ), представляющим собой волоконно-оптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны, связано со значительными успехами в области разработки и промышленного выпуска световодов с минимальным значением погонного затухания и интегральных оптических компонентов. Наиболее распространенный вариант ВОГ - многовитковая катушка оптического волокна. Достигнутые в лабораторных образцах точности ВОГ приближаются к точности кольцевых лазерных гироскопов. ВОГ из-за простоты своей конструкции является одним из наиболее дешевых среднеточных гироскопов.
Волоконно-оптический датчик вращения «открытого типа» преобразует угловую скорость в выходное напряжение. Основные параметры этого преобразования, такие как масштабный коэффициент и сдвиг нуля, чувствительны к изменению температуры. Более того, из-за специфики алгоритма детектирования входная характеристика датчика нелинейна. Однако указанные зависимости выходного сигнала датчика могут быть скорректированы, и остаточная погрешность существенно уменьшена.
Основные этапы проекта исследования возможности использования волоконно-оптического гироскопа VG-951, производства фирмы «Физоптика», в системе навигации мобильного робота заключались в следующем:
1. Разработка архитектуры АЦП на основе существующих микросхем, которая позволяет оцифровывать аналоговый выходной сигнал ВОГ без потери точности и передавать данные в бортовой компьютер мобильного робота.
2. Разработка эффективного алгоритма калибровки ВОГ на борту робота для линеаризации выходной характеристики и улучшения стабильности масштабного коэффициента и сдвига нуля в диапазоне рабочих температур.
3. Обработка экспериментальных данных, получаемых в ходе движения мобильного робота.
В последнее время использование датчиков угловой скорости, построенных на базе волоконно-оптических гироскопов, приобретает все более широкие масштабы. Особенно это заметно по количеству ссылок на сайты зарубежных производителей подобного оборудования (www.kvh.coni, www.imar-navigation.de). Предлагаемые решения существенно отличаются по цене, параметрам, предполагаемой сфере применения и т.д. ВОГ могут использоваться в подвижных объектах различного назначения, требующих мобильности, автономности и высокой надежности (см. рис. 4.5 и 4.6): 1) для автомобильной промышленности, 2) для летательных аппаратов, 3) для подводных аппаратов.
В России также существуют фирмы, занимающиеся изготовлением ВОГ. Отечественная продукция отличается от зарубежной выгодным соотношением цена/качество, что позволяет закладывать в новые конструкции мобильных роботов надежные и точные приборы для решения задач навигации. Одной из таких фирм является «Физоптика» (www.fizoptika.ru). На рисунках 4.7, 4.8 и 4.9 приведен ряд ее основных продуктов. Они предназначены для использования в составе комплексных навигационных систем и обладают: ) высокой точностью и надежностью, 2) интегрированными системами обработки сигнала (измерение, коррекция, цифровой интерфейс), 3) относительной дешевизной по сравнению с зарубежными аналогами. Типовые технические характеристики ВОГ: a) диапазон измерения - от 80 до 500 %ек, b) дрейф нуля - от 0.03 7сек до 1 /час, c) стабильность масштабного коэф фициента -0.1-0.3%, d) частота выдачи данных - 1.. 150 Гц, e) интерфейсы - аналоговый сигнал, RS485, f) масса - от 90 г до 0.5 кг.
Положительной особенностью указанных приборов (VG-951 D, VG-941 3D) является возможность получать данные измерений сразу в цифровом формате, что существенно облегчает процесс интеграции в бортовую систему и обеспечивает более точные данные, т.к. вся обработка аналогового сигнала производится непосредственно в приборе. Встроенный контроллер обеспечивает выдачу данных с одновременной коррекцией результатов в зависимости от напряжения питания и рабочей температуры. В силу своего устройства ВОГ являются безынерционными приборами, с временем готовности 1 сек.
Очевидно, что выбор той или иной модели ВОГ для использования на мобильных автономных роботах должен производиться на основании требований к точности получаемых данных и сильно зависит от того, существует ли возможность использования дополнительных датчиков (например, внешних маяков, GPS-приемников и т.д.) для периодической коррекции навигационных данных [55].
Похожие диссертации на Математическое и программное обеспечение задач навигации и управления движением автономных колесных роботов
