CC BY
76
УДК 681.3
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО КОЛЕСНОГО РОБОТА С УЧЕТОМ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ
Т.А. Акименко, А.А. Тароватов, Е.В. Филиппова
Разработано программное обеспечение, позволяющее избежать расходов на проведение натурного эксперимента, ориентированное на российского пользователя без определенных навыков программирования.
Ключевые слова: робот, рельеф местности, тип дороги, кинематическая схема, движение мобильного робота.
Любое конструктивное решение связано со вполне определенными материальными затратами, которые, как правило, возрастают при увеличении сложности изделия и расширении его потребительских свойств. Поэтому на этапе проектирования целесообразно определиться с предельными условиями эксплуатации мобильных колесных роботов (МКР), в частности, с характеристиками рельефа и микронеровностей, по которым будет перемещаться транспортное средство; с характеристиками существующей транспортной базы робота, в частности, с его кинематической схемой и возможностями механики по амортизации и демпфированию случайных воздействий дороги.
Любая дорога, по которой перемещается МКР, характеризуется двумя аспектами: профиль дороги, задаваемый функцией высот hz(x,y), и микронеровности, задаваемые местными превышениями рельефа h(x,y) относительно функции высот. Для определений условий эксплуатации МКР необходимо определять как первый, так и второй аспекты.
Одновременно с выполнением движения мобильный колесный робот делает снимки или записывает видео с помощью разнообразных камер наблюдения. В зависимости от скорости и типа дороги происходят колебания платформы а, следовательно, происходит и ухудшение качества передаваемой информации.
Проведены опыты по получению изображения с камеры, закрепленной на движущемся мобильном колесном роботе по местности с учетом неровностей.
Получение изображения было проверено экспериментально с помощью видеокамеры Panasonic HDC-SD80 с объективом, имеющим фокусное расстояние 2,38 - 81мм. Физический размер матрицы 1/5.8" (рис 1.)
Результаты съемки с учетом рельефа местности со скоростью 15 км/ч представлены на рисунках 2 - 4.
м
Panasonic FULL 1“#£Э igE’Dx/OBO
HDC-SD80
3.0 MEGA^PiXfiLS
AVCHD "
Рис.1 Видеокамера, используемая при эксперименте
Рис. 2. Результаты съемки. Дорога первого класса: а - спокойное состояние; б - скорость 15 км/ч
а б
Рис. 3. Результаты съемки. Дорога второго класса. а - спокойное состояние; б - скорость 15 км/ч
Рис.4. Результаты съемки. Дорога третьего класса. а - спокойное состояние; б - скорость 15 км/ч
124
Как видно из результатов съемки данная скорость оптимальна лишь на дорогах первого класса. На дорогах второго и третьего класса качество изображения сильно ухудшается, и становится непригодным для анализа. Для улучшения качества изображения уменьшим скорость до 10 км/ч (рис.
5).
а
б
Рис. 5. Результаты съемки. Скорость 10 км/ч а - дорога второго класса; б - дорога третьего класса
Как видно из результатов съемки, изображение, полученное на дороге второго класса, становится пригодным для анализа. Изображение местности третьего класса по-прежнему имеет непригодное качество. Для улучшения качества снизим скорость до 5 км/ч (рис. 6.).
Рис. 6. Результаты съемки. Дорога третьего класса. Скорость 5 км/ч
Как видно из рис. 6. изображение стабилизировалось и стало пригодным для анализа. Таким образом, при выборе типа местности следует принимать следующие рекомендации:
- скорость для дорог первого класса - не более 15 км/ч;
- скорость для дорог второго класса - не более 10 км/ч;
- скорость для дорог третьего класса - не более 5 км/ч.
При компьютерном моделировании учитывалось влияние неровностей рельефа пересеченной местности на движение мобильного колесного робота, разработан программно-вычислительный комплекс.
125
Программа написана на языке Бе1рЫ 7 и состоит из 6 окон, в которых задаются различные параметры, 1 окна, в котором происходит движение робота, и от 1 до 5 окон, выбираемые пользователем для выведения тех или иных графиков.
Первое окно - описание модели робота. В данном окне происходит выбор компоновки ходовой части, габаритов робота и параметров двигателя.
Рис. 7. Окно - Описание модели робота
Второе окно - программа робота. В данном окне происходит задание области обследования, а также настройка анализаторов.
І Г Описание модели робота Программа робот а | Оснащение робота | Генератор ландшафта | Настройка имитации | Выкс * М
и и.'гаи і о ииі-лсдиоапии М аксимальное удаление от базы 12000 Максимальный путь по одному вектору |50 Величина азимутального поворота 120 Автоматическая остановка после 115000
и,
п аи і рииіча апси їй за і ирис, і Интервал сканирования |5 * Программное определение расстояния Г Определение расстояния дальномером
ТулГУ Акименко Т.А.. Тароватов А.А.
Рис. 8. Окно - Программа робота
Третье окно - оснащение робота. В данном окне, в зависимости от цели моделирования, пользователь может выбрать один из следующих анализаторов: камера, тепловизор, дальномер, фотокамера, ИК-подсветка.
Рис. 9. Окно - Оснащение робота
Четвертое окно - генератор ландшафта. В данном окне пользователь может задать тип местности, параметры генерации вершин и впадин.
Описание модели робота | Программа робота . Оснащение робота Генератор ландшафта Настройка
Т ип местности С Дороги первого класса (• Дороги второго класса С Дороги третьего класса
Параметры генерации впадин М инимальный радиус |5
Максимальный радиус 150
1 Минимальная глубина
Максимальная глубина ;5
Параметры генерации вершин Минимальный радиус [б
Максимальный радиус Минимальная высота ! 3
Максимальная высота [14
ТулГУ Акименко ТА., Тароватов А.А.
Рис. 10. Окно - Генератор ландшафта
Пятое окно - настройка имитации. В данном окне задается начальное положение и ориентация робота, а также длительность работы.
Программа робота | Оснащение робота | Генератор ландшафта Настройка имитации Выходные параметры * ►
Стартовые данные
Первоначальное положение X [2000
Первоначальное положение У 12000
Ориентация робота [74
Параметры имитации
Длительность работы 6
ТулГУ Акименко Т.А., Тароьатов А.А.
Рис. 11. Окно - Настройка имитации
Шестое окно - выходные параметры. В данном окне настраиваются параметры изображения движения робота, файл, в который будут записываться исследуемые данные, а также выводимые графики.
Программа робота | Оснащение робота | Генератор ландшафта | Настройка имитации Выходные параметры Маршрут
Интервал записи маршрута [l Г* Добавлять в отчет моментальную скорость Карта маршрута
(• формат JPEG Размер картинки по X j 2048
С формат ВМР Размер картинки по Y ; 2048
С Формат TIFF Масштаб (точек в метре| [То
Имя файла ;robograf Iv добавлять дату и время имитации к имени файла
Графики
Г” Координата X Г" Координата У Г” Скорость Г” Угол поворота колес Г” Управляющий сигнал
ТулГУ Акименко ТА.. Т ароватов А А.
Рис. 12. Окно - Выходные параметры
128
Такое структурирование алгоритма дает возможность оценить динамику движения мобильного колесного робота и при необходимости прервать работу программы с целью корректирования дальнейшего вычислительного процесса, начиная с первого шага. Кроме того, возможно оперативно проводить качественный анализ движения мобильного колесного робота.
Список литературы
1. Бурдаков С.Ф., Миротттник И.В., Стельмаков Р.Э. Системы управления движением колесных роботов/ Серия «Анализ и синтез нелинейных систем». СПб: Наука, 2001. 227 с.
2. Краснощеков П.С., Петров А.А. Принципы построения моделей. М.: Изд-во МГУ, 1983. 264 с.
3. Фаронов, В.В. Система программирования Delphi/ В.В. Фаронов. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 912 с.
Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры робототехники и автоматизации производства, [email protected], Россия, Тула, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»,
Тароватов Андрей Андреевич, магистр техники и технологии, Россия, Тула, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»,
Филиппова Екатерина Вячеславовна, аспирант, [email protected]. Россия, Тула, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»
COMPUTER SIMULATION OF A MOBILE WHEELED ROBOT WITH ACCOUNT
OF THE RELIEF
T.A. Akimenko, A.A. Tarovatov, E. V. Filippova
Developed software that allows you to avoid the cost of a natural experiment, focused on the Russian user without specific programming skills.
Key words: robot, terrain, road type, kinematics, movement of the mobile robot.
Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical science, docent, docent of Robotics and Automation department, tantan 72@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tarovatov Andrei Andreevich, master of Engineering and Technology, Russia, Tula, Tula State University,
Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, post-graduatestudent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
