Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ -3-
ГЛАВА I. МАНЁВРЕННОСТЬ ТРЁХКОЛЁСНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ...- 12 -
1.1. Комнатные мобильные роботы 12-
1.2. Конструкция робота Трикол -18-
ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОЛНОПРИВОДНОГО ДВИЖИТЕЛЯ -24-
2.1. Условия согласования скоростей колес при движении - 24 -
2.2. Анализ возможных движений робота -27-
2.3. «Вальсирующее» движение - 29 -
2.4. Исследование исполнения движений - 32 -
2.5. Результаты - 37 -
ГЛАВА III. СЕНСОРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ -38 -
3.1. Конический сенсор -38-
3.2. Обзорная камера - 64 -
3.3. Результаты -70-
ГЛАВА IV. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ - 71 -
4.1. Система управления движением -71 -
4.2. Организация вычислительных процессов бортовой ЭВМ - 83 -
4.3 Результаты - 95 -
ГЛАВА V. СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ И ОТЛАДКИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОМ -95-
5.1. Испытательный полигон -96-
5.2. Система звукового объяснения - 98 -
5.3. Система радиосвязи -106-
5.4. Интерфейс оператора -110-
Результаты -116-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ -116 -
ЛИТЕРАТУРА -117-
Введение к работе
За последние десятилетия мировая робототехника и технологии, связанные с ними, развиваются стремительными темпами, приобретая все большую возможность использования роботов в различных областях человеческой деятельности. В первую очередь, это связано с постоянным совершенствованием характеристик двигателей для роботов, источников энергии, вычислительных средств бортовых систем и развития средств сенсорного оснащения.
Создание электродвигателей нового поколения и их микропроцессорных систем управления - вентильных, бесколлекторных, или приводов прямого управления "Direct Drive" - даёт возможность управлять не только скоростью вращения, но и крутящим моментом на валу двигателя (без использования сило-моментных датчиков)[69]. Это позволяет не только улучшить управление движением робота (например, повысить точность), но и создавать системы повышенного уровня адаптивного управления, что открывает новые возможности для использования роботов.
Современные интегральные схемы дают возможность быстро создавать компактные надежные системы управления, на разработку и отладку которых раньше уходило много времени и сил. Программное обеспечение, поставляемое вместе с ними, позволяет создавать алгоритмы управления на языках высокого уровня, а готовые программные наработки позволяют значительно сократить общие трудозатраты. Всё это сокращает время разработки алгоритмов навигации и поведения роботов в сложной окружающей среде.
Большое значение для создания "интеллектуальных" роботов имеет прогресс элементной базы систем технического зрения, крайне необходимых для использования в составе средств сенсорного обеспечения движения.
Кроме этого, современная доступность персональных компьютеров, обладающих большими вычислительными мощностями, расширяет возможности моделирования электронных и механических систем роботов, что ускоряет их развитие. А широкая доступность средств Интернет позволяет коллективам разработчиков роботов активно обмениваться информацией.
Эти обстоятельства всё более превращают робототехнику в быстроразвивающуюся отрасль мехатронного машиностроения.
Среди роботов различных типов нужно выделить отдельную группу автономных мобильных роботов. Их создание во многом ещё требует поиска нестандартных решений в разработке их конструкций, алгоритмического, сенсорного и программного обеспечения. Для всех роботов этой группы свойственны общие признаки, а именно, все они используют:
движитель, способный обеспечить передвижение робота в заданной среде (средах);
набор необходимых исполнительных механизмов (манипуляторов и др.), зависящих от области применения робота;
приводные механизмы движителя и исполнительных механизмов, управляемые, как правило, отдельной системой управления нижнего уровня и имеющие отдельную систему повышенной мощности для энергообеспечения их работы;
автономные источники энергоснабжения всех систем робота;
набор внутренних датчиков информации, обеспечивающих в системе управления робота возможность регулирования состояния его систем и формирование требуемого движения его приводных механизмов;
локальные и дистанционные средства определения характеристик опорных и/или профильных характеристик окружения робота для автономного исполнения процессов принятия решений о требуемом или возможном движении, бортовой вычислитель (вычислители) с программами управления верхнего уровня, формирующими двигательное поведение робота в рамках специфицированных задач;
средства телеметрии и/или запоминания "шлейфа" текущего состояния систем робота;
интерфейс для взаимодействия с оператором (пульт управления, пульт отображения информации о состоянии систем и т.п.), который может быть удаленным при использовании беспроводных средств связи. Таким образом, автономный мобильный робот это - устройство, способное перемещаться в некоторой области пространства, не связанное кабелем с какой-либо его точкой, и самостоятельно решать двигательные задачи. Условия его движения могут быть априорно не определены и/или стесненны препятствиями.
Несмотря на конструктивные различия автономных мобильных роботов, перед их разработчиками возникает общий набор связанных между собой задач навигации и управления движением в пространстве. Алгоритмическое обеспечение их систем управления должно:
1. строить внутреннее описание ("карту") текущего состояния той части пространства, в которой осуществляется перемещение робота, с указанием местоположения целей движения и препятствий, мешающих нужным движениям;
2. корректировать траекторию движения на основании априорных и апостериорных сведений, хранящихся в памяти системы и текущих сенсорных данных;
3. осуществлять движение по спланированной траектории.
В зависимости от конструкции робота и его сенсоров формулировка этих задач настоятельно требует разработки алгоритмов навигации и управления движением робота, удовлетворяющих условиям вычислительной сложности и реализуемости на данной аппаратной платформе. Кроме того, и сама конструкция робота, как правило, зависит от алгоритмов решения этих задач.
Исследованием научных проблем управления автономными мобильными роботами и поиском новых конструкторских и алгоритмических решений занимается множество лабораторий по всему миру. Кроме того, проводятся различные соревнования мобильных роботов, имеющие также целью не только поиск новых решений, но и подготовку специалистов -робототехников. Пожалуй, самым выдающимся соревнованием 2005 года следует считать гонки автономных роботов-автомобилей по пересеченной местности под названием DARPA Grand Challenge [142]. 08.10.2005 года двадцать три робота пытались преодолеть 240 километров по пустыне штата Невада. Победителем стал робот Stanly Стэндфордского университета, который автоматически преодолел эту дистанцию за 6ч. 53мин. Ещё четыре робота также смогли успешно финишировать. Эти соревнования продемонстрировали современный уровень возможностей автомобильной автоматики.
Вместе с тем, проведение соревнований на открытых площадках является скорее исключением, чем правилом. Большинство соревнований мобильных роботов проводится на специальных полигонах. Обычно полигон представляет собой помещение с ровным полом, оборудованное специальными ориентирами-маяками. В зависимости от условий соревнований роботы должны решать разные навигационные и двигательные задачи.
Широко известным состязанием роботов являются состязания "RoboCup", созданные в 1993 году [147]. Изначально они были организованы для создания команды роботов, которые смогут играть в футбол с человеком. Но к настоящему моменту организаторы выделили уже три приоритетных направления:
1. роботы для игры в футбол;
2. спасательные роботы;
3. развивающие роботы.
В каждой группе имеются свои подразделения. Например, роботы-футболисты разделены на следующие категории:
Симулятор. Все действия происходят в виртуальном пространстве и служат способом отладки логики игроков;
Малые роботы. Здесь используются мобильные роботы малых размеров, которые не оснащены сенсорами. Команды движения передаются по радиоканалу, а контроль перемещений осуществляется при помощи внешней видеокамеры;
Роботы среднего размера. Роботы в этой группе полностью автономны и независимы;
У Роботы на четырех ногах. Типичным представителем этого класса является робот-собака AIBO;
Человекоподобные роботы;
Эти соревнования проходят ежегодно и пользуются большой популярностью.
Другим широко известным состязанием роботов являются соревнования студенческих роботов, проводимых ежегодно в Институте механики МГУ [148] в рамках фестиваля "Мобильные роботы". В этих соревнованиях движение роботов осуществляется на специальном полигоне, оборудованном инфракрасными маяками и контрастной полосой, нанесенной на пол. В 2005 г: соревнующиеся роботы должны были выполнить за кратчайшее время следующие упражнения:
1. движение к поочерёдно зажигающимся маякам (некоторые из них -подвижные) или движение через ворота из двух маяков;
2. движение в форме восьмёрки около двух маяков с неизвестным заранее количеством оборотов;
3. поочерёдное посещение группы одновременно горящих маяков, некоторые из которых подвижные;
4. движение по нарисованной на полу полосе с препятствиями на ней. В таких соревнованиях используются сложные робототехнические системы, предназначенные для перемещения по плоской поверхности стола или пола. Образцы лабораторных роботов создаются для исследовательских целей, но они могут успешно служить и прототипами больших мобильных роботов, предназначенных для перемещения в естественной среде. В качестве примеров готового коммерческого решения в этом направлении можно привести газонокосилки фирмы Friendly Robotics [144].
Среди мобильных роботов в конце прошлого века наибольшее развитие получили автономные мобильные роботы, функционирующие в индустриальной среде, что было вызвано стремлением заменить машиной человека в тяжелой, опасной и ответственной работе. Однако в последнее время возник новый рынок более сложных роботов - роботов для использования в быту. Мировой объем таких "бытовых роботов" составляет уже 1 миллион шт., большинство из которых являются автономными пылесосами, а второе место занимают автономные газонокосилки. По прогнозам специалистов японской организации робототехники, объем рынка бытовых роботов составит 14 млрд. долл. к 2010 г. и 37 млрд. долл. ;— к 2025-му. Специалисты ООН предсказывают семикратный рост числа бытовых роботов к 2007 году [150].
В качестве примера, демонстрирующего всеобщую заинтересованность в развитии бытовой робототехники, можно привести экспозицию Robot Project на всемирной выставке ЕХРО-2005 [143]. В ее рамках было представлено около 100 роботов, сгруппированных по шести основным направлениям деятельности в бытовой сфере:
• уборка полов помещений;
• сбор мусора;
• охрана помещений;
• помощь людям в ориентировании на выставке;
• игры с детьми;
• транспортные роботы-коляски для инвалидов.
Большое число аппаратов на выставке представляли собой игрушки. Среди них следует обратить внимание на робота-танцора Partner Ballroom Dance Robot [145], который по внешнему виду и одежде похож на балерину.
Способен танцевать с людьми, умеет предсказывать движение партнера и реагировать на давление его тела, вращая плечами, коленями, талией и шеей в нужном направлении. Робот установлен на трёхколёсном шасси, его масса составляет 100кг, а высота 1,65м.
Среди показанных на выставке ЕХРО-2005 роботов, предназначенных для домашнего использования, следует отметить роботы Partner (Toyota) [149] и робот-домохозяйка Wakamaru (Mitsubishi) [146]. Эти роботы уже обладают свойствами многофункциональности. Серия роботов Partner предназначена для широкого круга задач по уходу за домом и людьми, имеются ходячие и колесные модификации этих роботов, оснащенные многофункциональными манипуляторами. Робот Wakamaru оснащен колесным шасси, имеет рост 1м и вес 30кг. Он поступил в свободную продажу на рынок Японии в конце августа 2005 года. Основная функция робота Wakamaru - уход за домом в качестве няни. Он способен узнавать лица 10 человек и вести с ними беседу, обладая словарным запасом в 10 тысяч слов. Другим представителем роботов, предназначенных для использования в быту и уже имеющихся в свободной продаже, является робот-пылесос Trilobite.
Несмотря на сказанное, выставка ЕХРО-2005 (которая была весьма популярна) показала, что разрыв между экспериментальными достижениями робототехники и роботами, доступными на рынке, еще очень велик, и исследования в этой области находятся только на начальном этапе развития. Большинство разработок, проводимых в этом направлении, до сих пор находятся на стадии моделирования или создания прототипов. В частности, довольно трудной задачей является построение и реализация сложных траекторий движения автономных мобильных роботов в помещениях с большим числом предметов, создающих помехи для непосредственного достижения цели. Это требует использования движителей с высокими характеристиками манёвренности движения, что приводит к необходимости увеличивать число их управляемых степеней подвижности. В бытовой обстановке реализация требуемого управления осложняется наличием нестационарных ("динамических") препятствий, значительно ограничивающих априорное знание области, доступной для перемещений робота.
Поэтому решение проблемы организации движения внутри бытовых помещений представляется весьма актуальной задачей. Ее главным содержанием является поиск механических и сенсорных средств и соответствующих и алгоритмических методов управления маневренным движением мобильного робота в стесненных условиях.
Это делает актуальным, прежде всего, развитие конструкции движителя мобильного робота. Таким движителем, обеспечивающим более свободное передвижение в стесненных условиях, является "полноприводной" трёхколёсный движитель с двумя степенями подвижности ("руль" и "качение") на каждом из колес. Однако такой движитель с его шестью управляемыми степенями подвижности предъявляет достаточно высокие и малоизученные требования к средствам формирования его качественного движения.
Целью предлагаемой диссертационной работы являлось исследование свойств и разработка необходимых методов управления движением в стесненных условиях автономного мобильного робота с трехколесным полноприводным движителем с одновременным созданием необходимых методов информационного обеспечения его безопасного движения. Для достижения этой цели был разработан и исследован лабораторный макет робота (получивший название "Трикол") с многомашинной системой управления, всенаправленным двухкамерным телевизионным зрением и инструментальными средствами и методами создания и отработки алгоритмов системы управления.
Текст диссертации разделён на пять глав следующим образом:
Первая глава диссертации содержит анализ манёвренности трёхколёсных мобильных роботов и обзор литературы, посвященной решению проблем управления их движением. Далее приводится описание конструкции автономного мобильного робота Трикол.
Во второй главе описаны результаты исследования кинематических свойств полноприводного движителя. Рассмотрены возможные алгоритмические режимы организации его программного движения без проскальзывания колёс, что обеспечивает возможность счисления пройденного пути в интересах навигации. Рассмотрены различные модели движения робота, позволяющие не только осуществлять поступательные движения без изменения ориентации корпуса, но и поворачиваться на месте, а также вальсировать. Проведен анализ динамики вальсирующего движения.
В третьей главе диссертации описывается решение проблем полноты сенсорного обеспечения такого мобильного робота. Основное внимание уделяется алгоритмам обработки сенсорных данных в задачах определения текущего положения робота и требуемого направления его движения. Рассмотрено два различных метода анализа данных сенсора кругового обзора и описывается алгоритм анализа данных телевизионной камеры, позволяющий с высокой вероятностью определить в ее поле зрения отсутствие или наличие препятствия движению робота.
В четвертой главе описывается состав оборудования системы управления, использованный для исследования способов управления движением робота. Подробно описываются алгоритмы навигации и построения маршрута движения, счисления пути и использования сенсорных сигналов. Исследуется влияние особенностей стандартных операционных систем MS DOS и MS Windows как на структуру системы управления, так и на требования, предъявляемые к алгоритмам системы управления.
В последней пятой главе рассматриваются инструментальные методы и средства, необходимые для проверки работоспособности алгоритмических и программных решений. Описываются конструкция специального полигона с навигационными маяками, система речевого объяснения состояния робота в каждый момент его движения, система радиосвязи с роботом и многофункциональный графический интерфейс оператора робота на инструментальной ЭВМ, на которой в ходе работы отображается текущее состояние систем робота. Эти средства позволяют быстро определять недостатки и изменять ключевые параметры используемых алгоритмов, что значительно ускоряет процесс настройки автономной системы управления. В Заключение вынесены основные результаты и выводы диссертационной работы.
