Научная статья на тему 'АЛГОРИТМЫ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА С ПОСТРОЕНИЕМ КАРТЫ МЕСТНОСТИ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ'

АЛГОРИТМЫ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА С ПОСТРОЕНИЕМ КАРТЫ МЕСТНОСТИ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
184
32
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОБИЛЬНЫЙ РОБОТ / РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС / ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР / ЛИДАР / УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК / СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Егунов В.А., Королева И.Ю., Типаев Д.В.

В данной статье описывается реализация программного комплекса ориентирования для мобильного робота с построением карты местности и последующим её анализом. Проведена разработка программного модуля для мобильного робота с использованием лазерного дальномера (лидара), для получения данных с лидара используется микрокомпьютер Raspberry Pi 3B+ с установленной на него робототехнической операционной системой ROS. Описывается алгоритм движения мобильного робототехнического комплекса в пространстве с построением карты местности в режиме реального времени. Подобные комплексы в настоящее время находят широкое применение, позволяют значительно снизить необходимость участия человека в тяжелой и опасной работе.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Егунов В.А., Королева И.Ю., Типаев Д.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ALGORITHMS FOR THE MOVEMENT OF A MOBILE ROBOT WITH THE CONSTRUCTION OF A REAL-TIME TERRAIN MAP

This article describes the implementation of an orientation software package for a mobile robot with the construction of a terrain map and its subsequent analysis. As part of the work, a software module was developed for a mobile robot using a laser rangefinder (lidar), a Raspberry Pi 3B+ microcomputer with a ROS robotic operating system installed on it is used to obtain data from a laser rangefinder. The algorithm of movement of a mobile robotic complex in space with the construction of a terrain map in real time is described. Such complexes are currently widely used, they can significantly reduce the need for human participation in heavy and dangerous work.

Текст научной работы на тему «АЛГОРИТМЫ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА С ПОСТРОЕНИЕМ КАРТЫ МЕСТНОСТИ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ»

Алгоритмы движения мобильного робота с построением карты местности в реальном времени

В.А. Егунов, И.Ю. Королева, Д.В, Типаев Волгоградский государственный технический университет

Аннотация: В данной статье описывается реализация программного комплекса ориентирования для мобильного робота с построением карты местности и последующим её анализом. Проведена разработка программного модуля для мобильного робота с использованием лазерного дальномера (лидара), для получения данных с лидара используется микрокомпьютер Raspberry Pi 3B+ с установленной на него робототехнической операционной системой ROS. Описывается алгоритм движения мобильного робототехнического комплекса в пространстве с построением карты местности в режиме реального времени. Подобные комплексы в настоящее время находят широкое применение, позволяют значительно снизить необходимость участия человека в тяжелой и опасной работе.

Ключевые слова: мобильный робот, робототехнический комплекс, лазерный дальномер, лидар, ультразвуковой датчик, система технического зрения.

Введение. На сегодняшний день одним из ведущих направлений робототехники является построение мобильных роботов различных типов [13]. Зачастую, мобильные роботы применяются в экстремальных ситуациях, например, при тушении пожаров, локализации радиоактивных отходов, в военных целях. Они, как правило, работают в труднопроходимой местности. Ключевой проблемой при реализации мобильных робототехнических комплексов (МРК) является ориентирование в пространстве, которое может быть затруднено многими неблагоприятными факторами [4-6].

В данной статье описывается реализация программного комплекса ориентирования для мобильного робота с построением карты местности и последующим её анализом. В рамках работы проведена разработка программного модуля для мобильного робота с использованием лазерного дальномера (лидара) RPLidar A3, позволяющего выполнять сканирование пространства на 360 градусов с эффективной дальностью в 30 метров и частотой сканирования в 20Гц. Для получения данных с лазерного дальномера используется микрокомпьютер Raspberry Pi 3B+ с установленной

на него робототехнической операционной системой ROS, которая является основой для написания программного модуля ориентирования и построения карты местности для мобильной робототехнической системы.

Описание алгоритма. В начале движения МРК в пространстве происходит его позиционирование - определение исходных координат и получение координат точки назначения. Ориентирование осуществляется на основании данных, полученных с датчиков:

- ультразвуковые датчики (УД) URM06-RS485 Ultrasonic, расположенный в передней части робота;

- УД HC-SR04, закрепленный на манипуляторе, приводящемся в движение двумя сервоприводами (обзор по горизонтали и вертикали в пределах от -180 до 180 градусов);

- лидар RPLidar A3M1.

УД используются для определения местоположения, контуров и размеров препятствий, лидар обеспечивает высокую скорость сбора данных об объектах на пути робота благодаря выполнению двумерного сканирования в пределах 360 градусов с дальностью до 25 метров (Рис.1).

Движение МРК происходит по максимально короткой траектории (при отсутствии препятствий - по прямой линии) до тех пор, пока координаты робота и координаты точки назначения не будут приблизительно равны. В процессе движения МРК может возникнуть необходимость обхода препятствий, появляющихся на пути движения. В случае обнаружения препятствия МРК производит остановку для дальнейшего анализа ситуации. При этом расстояние до препятствия варьируется в зависимости от габаритов МРК. Данный робототехнический комплекс имеет возможность варьировать свою проходимость, за счет использования шагового типа движения. С учетом конструктивных особенностей разрабатываемого комплекса, система способна изменять клиренс.

Size (m) Alpha

0,03

Decay Time 0 Position Transfer... XYZ

Color Transformer AxisColor Queue Size 1000

Axis Z

Autocompute VaL v Use Fixed Frame V

Axes v

Э ✓ Status: 0k

Reference Frame <Ftxed Frame»

Length

0.5

Radius

Radius of each axis, in meters.

Reset

Рис. 1. -Карта местности, построенная с использованием лидара.

Получая данные о расположении краев препятствия, можно вычислить расстояние до ближайшего края препятствия, вокруг которого и следует строить контур движения. Например, если Lлeв <= Lпpав, то препятствие необходимо обходить справа, иначе слева (Рис.2).

Во время обхода препятствия роботом анализируется расстояние до препятствия относительно обоих бортов, при этом учитываются геометрические размеры прототипа [7, 8]. Маршрут прокладывается таким образом, чтобы минимизировать расстояние от частей робота до препятствия, что в целом минимизирует длину маршрута и снижает энергопотребление. В процессе обхода препятствия анализируется текущее положение, осуществляется корректировка направления движения с учетом контуров препятствия. При достижении конечной точки движение робота завершается.

Система технического зрения. Для детектирования препятствий в МРК могут использоваться различные компоненты системы технического зрения (СТЗ). Компоненты МРК и их взаимодействие [9, 10] в данном случае показаны на Рис.3, Рис.4.

и

Рис.2. - Алгоритм движения робота

Рис.3. - Компоненты мобильного робота

Seri;

f ■ч f

LUHM -контроля ер - Raspberry Pi3 - 3ldllll£L RPLidar A3M1

1 \ 1

Г ^ Сервомоторы

L

1 f

и SB Webcam

Рис.4. - Диаграмма взаимодействия компонентов МРК

СТЗ используется для построения маршрута МРК с учетом преодоления возможных препятствий. Основным устройством, отвечающим за сбор данных о пространстве, является лидар, который позволяет успешно строить карту местности вокруг себя и передавать полученные данные в бортовой компьютер. В качестве альтернативы лидару можно использовать web-камеру, закрепленную на манипуляторе. Позиционирование манипулятора осуществляется сервоприводами, подключенными к ШИМ-контроллеру, который обеспечивает удобное управление. Альтернативный вариант использования камеры с манипулятором - следящая система с осуществлением автономного захвата и наблюдения за движущимся объектом (лицо человека, автомобильный номер и т.д.). При этом углы обзора следящей системы ограничиваются диапазоном в 180 градусов.

Заключение. При решении проблем планирования движения мобильного робототехнического комплекса были разработаны алгоритмы обхода препятствий с учетом его технических особенностей. Была решена задача анализа преодоления простейших препятствий МРК. Результаты показывают, что алгоритмы, рассмотренные в статье, являются эффективными и применимыми в реальных условиях.

М Инженерный вестник Дона, №4 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n4y2022/7570

Литература

1. Иванько А.Ф., Иванько М.А., Ибрагимов А.А. Интеллектуальные мобильные роботы и анализ их деятельности // Научное обозрение. Технические науки. 2020. № 1. С. 32-38.

2. Побегайлов О.А., Кравченко И.В., Кожуховский С.О. Мобильные роботы вертикального перемещения // Инженерный вестник Дона. 2010. № 4 (14). URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/253/.

3. Михайлов Б.Б., Назарова А.В., Ющенко А.С. Автономные мобильные роботы - навигация и управление // Известия ЮФУ. Технические науки. 2016. № 2 (175). С. 48-67.

4. Егунов В.А., Петросян М.К. Разработка инерциальной системы навигации шагающего робота с возможностью визуализации положения робота в пространстве // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2018. - № 5 (215). - C. 106-109.

5. Егунов В. А., Жуков А. П., Потапов М. И. Об управлении манипуляционным механизмом мобильного робота // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2011. - № 11(84). - С. 49-51.

6. Буданов А.С., Егунов В.А. Использование углов Эйлера в инерциальных навигационных системах // Инженерный вестник Дона. - 2021. - № 7. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n7y2021/7072.

7. Деменева С. Б., Ачкасов О. Р. Решение прямой задачи кинематики для структуры типа "гексапод" // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. - 2018. - Т. 1. - № 14. - С. 24-26.

8. Sukkarieh, S. Low Cost, High Integrity Aided Inertial Navigation Systems For Autonomous Land Vehicles: Ph.D. Thesis, Univ. of Sydney, 2000. - 136 p.

9. Franklin, G.F., Powell, J.D., Emami-Naeini, A. Feedback Control of Dynamic Systems (6th Edition). - Prentice Hall, 2009. - P. 840.

10. Гук М. Ю. Аппаратные интерфейсы ПК Санкт-Петербург: Питер, 2002. - 528 с.

References

1. Ivan'ko A.F., Ivan'ko M.A., Ibragimov A.A. Nauchnoe obozrenie. Tekhnicheskie nauki. 2020. № 1. pp. 32-38.

2. Pobegajlov O.A., Kravchenko I.V., Kozhuhovskij S.O. Inzhenernyj vestnik Dona. 2010. № 4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/253/.

3. Mihajlov B.B., Nazarova A.V., YUshchenko A.S. Izvestiya YUFU. Tekhnicheskie nauki. 2016. № 2 (175). pp. 48-67.

4. Egunov V.A., Petrosyan M.K. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2018. № 5 (215). pp. 106-109.

5. Egunov V. A., ZHukov A. P., Potapov M. I. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2011. № 11(84). pp. 49-51.

6. Budanov A.S., Egunov V.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2021. № 7. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n7y2021/7072.

7. Demeneva S. B., Achkasov O. R. Aktual'nye problemy aviacii i kosmonavtiki. 2018. V. 1. № 14. pp. 24-26.

8. Sukkarieh, S. Low Cost, High Integrity Aided Inertial Navigation Systems For Autonomous Land Vehicles: Ph.D. Thesis, Univ. of Sydney, 2000. 136 p.

9. Franklin, G.F., Powell, J.D., Emami-Naeini, A. Feedback Control of Dynamic Systems (6th Edition). Prentice Hall, 2009. P. 840.

10. Guk M. YU. Apparatnye interfejsy PK [PC hardware interfaces]. Sankt-Peterburg: Piter, 2002. 528 pp.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.