Научная статья на тему 'Алгоритмы управления четырехколесным роботом при движении по пересеченной местности'

Алгоритмы управления четырехколесным роботом при движении по пересеченной местности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
1207
216
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОБИЛЬНЫЙ РОБОТ / MOBILE ROBOT / ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРЕПЯТСТВИЙ / OBSTACLE IDENTIFICATION / ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗРЕНИЕ / TECHNICAL VISION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Евстигнеев М. И., Литвинов Ю. В., Мазулина В. В., Мищенко Г. М.

Рассматривается алгоритм управления мобильным роботом в условиях возникновения неизвестных препятствий на пути следования. Идентификация препятствия осуществляется с помощью системы технического зрения. В качестве мобильного робота рассматривается модель на основе четырехколесного шасси автомобильного типа с электроприводом.

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

Algorithms of control over four-wheel robot moving over rough terrain

An algorithm of control over mobile robot is considered for the case of unknown obstacles on the route. Identification of an obstacle is carried out with the use of a technical vision system. A model based on four-wheel motorcar-type chassis is used as an example of mobile robot.

Текст научной работы на тему «Алгоритмы управления четырехколесным роботом при движении по пересеченной местности»

УДК 62-62-519

DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-9-738-741

АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХКОЛЕСНЫМ РОБОТОМ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ПЕРЕСЕЧЕННОЙ МЕСТНОСТИ

М. И. Евстигнеев, Ю. В. Литвинов, В. В. Мазулина, Г. М. Мищенко

Рассматривается алгоритм управления мобильным роботом в условиях возникновения неизвестных препятствий на пути следования. Идентификация препятствия осуществляется с помощью системы технического зрения. В качестве мобильного робота рассматривается модель на основе четырехколесного шасси автомобильного типа с электроприводом.

Ключевые слова: мобильный робот, идентификация препятствий, техническое зрение.

Для выполнения своих функциональных задач роботы должны уметь автономно перемещаться по траекториям, заданным оператором. Как правило, в современных мобильных роботах (МР) для этой цели используется навигационная система, которая определяет координаты робота, планирует траекторию в текущий момент времени и управляет его движением. Для решения данных задач используются такие технические средства, как дальномеры, видеокамеры с механической обратной связью, стереовидеокамеры, гироскопы [1].

Системный анализ и программное обеспечение, необходимое для обработки данных, поступающих с указанных технических устройств, подразумевает выбор алгоритмов решения задач навигации, реализацию этих алгоритмов в виде программ и сравнение их работы по эффективности и надежности функционирования.

Мобильный робот представляет собой четырехколесную тележку с двумя ведущими задними колесами и двумя передними рулевыми, его схема представлена на рис. 1.

В качестве переменных состояния колесного робота рассматриваются следующие величины: X', Y ' — координаты базовой точки робота; у — угол поворота передних колес; ф — угол поворота центральной линии платформы; v — модуль вектора скорости робота. Кинематическая модель робота описывается следующей системой уравнений:

Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия E-mail: yurl13@yandex.ru

Y

0

Рис. 1

X = v cos ф; Y = v sin ф;

v tg у

ф = ш=-

L

где Ь — расстояние от базовой точки до переднего колеса, ю — скорость вращения платформы вокруг вертикальной оси [2].

Перемещение робота описывается системой линейных дифференциальных уравнений [3]:

х = Ах + Ви, (1)

где А и В — матрицы состояния и управления соответственно, х — вектор состояний, и — вектор управления.

Представим непрерывную гладкую траекторию в дискретном виде, причем время дискретизации М стремится к нулю, а траектория на каждом дискретном участке линейна. Тогда система линейных уравнений (1), в соответствии с [3], может быть представлена в виде

хк+1 = АА хк + ВВ и, (2)

где А = А/А + в, ВВ = AtB, здесь в — ошибка (отклонение от заданной траектории); к — шаг дискретизации.

Согласно [4] уравнение (2) можно представить в следующем виде:

vk+11 yx "1

vk+1 y = 0

„k+1 Ш 0

Г /1 x Аш1

k + BMQ • АШ2

v y А®3

„k

Ш АШ4

где матрица управления

В = 2ж

а матрица поворота

0,25 -0,25 1

0,25 0,25 1

0,25 0,25 1

0,25 -0,25 1

2(с +1) 2(с +1) 2(с +l) 2(c +1)

Г k cos ф k - Sin ф 0

Q = k Sin ф k cos ф 0

0 0 1

здесь г — радиус колес, с — ширина платформы, I — длина платформы. Функциональная схема мобильного робота представлена на рис. 2.

Гироскоп

Компас

Видеокамера

ПК

Wi-Fi

Роутер

УЗ-датчик

Микроконтроллер МР

Источник питания 1

Источник питания 2

Драйвер двигателей

' Л

Двигатель 1 Двигатель 2

Рис. 2

Оператор формирует на персональном компьютере начальную траекторию (программу) движения МР с учетом известных на данный момент препятствий. Программа с компьютера (посредством Wi-Fi роутера) отсылается на микроконтроллер МР. Дальнейшее движение робота полностью автономно. С помощью датчиков (УЗ-датчика, видеокамеры, цифрового компаса, гироскопа) робот получает информацию о состоянии его рабочей зоны. На основе обработки этих данных начинается выполнение соответствующего заложенного в микроконтроллер алгоритма — движение по заданной траектории.

В работе [5] рассматривается алгоритм обнаружения роботом препятствия при движении по плоскости, способы его объезда и возвращения на первоначально заданную траекторию. Применительно к движению по пересеченной местности этот алгоритм следует доработать, так как робот может принять наклонную поверхность за препятствие и начать его объезжать, что потребует дополнительных энергетических и временных затрат (рис. 3).

При движении МР 1 по пересеченной местности возможен вариант, когда УЗ-датчик 3 примет противоположный склон 4 как препятствие (см. рис. 3, а). В этом случае включается видеокамера 2, которая начинает сканирование местности в вертикальной плоскости (рис. 3, б). Далее с помощью алгоритма распознавания образов анализируется последовательность видеокадров и определяются границы возможного препятствия и его наклон. Если препятствие не имеет четких границ, то система технического зрения определяет это не как препятствие, а как подъем местности. Мощности двигателей рассматриваемой модели МР недостаточно для преодоления подъема с углом наклона более 30°. Если данные с гироскопа и видеокамеры превышают это значение, то МР будет идентифицировать впереди лежащую поверхность как препятствие и приступит к выполнению маневра объезда. Иначе, он продолжит движение по заданной траектории.

Таким образом, разработаны алгоритмы анализа окружающей обстановки с использованием системы технического зрения и выработки на их основе команд управления мобильным роботом при движении по пересеченной местности. Проведенное моделирование показало работоспособность предложенного подхода к указанной проблеме.

1. Литвинов Ю. В., Мазулина В. В., Фролов С. Н., Салмыгин И. П., Бушуев А. Б. Использование веб-камеры для обнаружения препятствий на пути движения мобильного робота // Системы обработки информации. Информационные проблемы теории акустических, радиоэлектронных и телекоммуникационных систем. 2013. № 7 (114). С. 24—26.

а)

б)

— - — сигнал ультразвукового датчика ВНННИ — сигнал видеокамеры Рис. 3

список литературы

2. Канатников А. Н., Касаткина Т. С. Особенности перехода к путевым координатам в задаче путевой стабилизации // Наука и образование: МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. 2012. № 7.

3. Караваев Ю. Л., Трефилов С. А. Дискретный алгоритм управления по отклонению мобильным роботом с омниколесами // Нелинейная динамика. 2013. Т. 9, № 1. С. 91—100.

4. Красовский А. А. Справочник по теории автоматического управления. М.: Наука, 1987. 712 с.

5. Мазулина В. В., Литвинов Ю. В., Щаев Е. Г., Мищенко Г. М. Управление мобильным роботом на трассе с препятствиями // Научные достижения XXI века. Достижения и перспективы нового столетия. 2014. Т. 5, № 2. С. 34—38.

Максим Игоревич Евстигнеев Юрий Володарович Литвинов Вероника Васильевна Мазулина Галина Михайловна Мищенко

Рекомендована кафедрой систем управления и информатики

Сведения об авторах

магистрант; Университет ИТМО; кафедра систем управления и информатики; E-mail: makcim269@mail.ru

канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО; кафедра систем управления и информатики E-mail: yurl13@yandex.ru

магистрант; Университет ИТМО; кафедра систем управления и информатики; E-mail: nikasummit@rambler.ru

магистрант; Университет ИТМО; кафедра систем управления и информатики; E-mail: nipleg@mail.ru

Поступила в редакцию 22.04.15 г.

Ссылка для цитирования: Евстигнеев М. И., Литвинов Ю. В., Мазулина В. В., Мищенко Г. М. Алгоритмы управления четырехколесным роботом при движении по пересеченной местности // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, № 9. С. 738—741.

ALGORITHMS OF CONTROL OVER FOUR-WHEEL ROBOT MOVING OVER ROUGH TERRAIN

M. I. Evstigneev, Yu. V. Litvinov, V. V. Mazulina, G. M. Mishchenko

ITMO University, 197101, Saint Petersburg, Russia E-mail: yurl13@yandex.ru

An algorithm of control over mobile robot is considered for the case of unknown obstacles on the route. Identification of an obstacle is carried out with the use of a technical vision system. A model based on four-wheel motorcar-type chassis is used as an example of mobile robot.

Keywords: mobile robot, obstacle identification, technical vision.

Data on authors

Graduate Student; ITMO University; Department of Computer Science and Control Systems; E-mail: makcim269@mail.ru PhD, Associate Professor; ITMO University; Department of Computer Science and Control Systems; E-mail: yurl13@yandex.ru Graduate Student; ITMo University; Department of Computer Science and Control Systems; E-mail: nikasummit@rambler.ru Graduate Student; ITMO University; Department of Computer Science and Control Systems; E-mail: nipleg@mail.ru

Maksim I. Evstigneev —

Yury V. Litvinov —

Veronika V. Mazulina —

Galina M. Mishchenko —

For citation: Evstigneev M. I., Litvinov Yu. V., Mazulina V. V., Mishchenko G. M. Algorithms of control over four-wheel robot moving over rough terrain // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Priborostroe-nie. 2015. Vol. 58, N 9. P. 738—741 (in Russian).

DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-9-738-741

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.