CC BY
227
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
