CC BY
87
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА НАВИГАЦИИ МОБИЛЬНОГО РОБОТА В.И. Бойков, И.С. Волков, А.Н. Коровьяков, А.А. Орешков, К.В. Саросеко,
К.А. Сергеев
В работе рассматриваются вопросы навигации мобильного робота, осуществляющего движение на полигоне. Предложена структура навигационной системы, представлена схема обработки данных навигационной системы. Особенность данной системы навигации заключается в применении для всех датчиков одной схемы обработки сигналов.
Введение
Современные мобильные роботы наделяются способностью активного взаимодействия с внешней средой, обладают повышенной автономностью и возможностями приспособления к неопределенному и динамично изменяющемуся окружению.
Активное поведение мобильных роботов во внешнем окружении достигается применением сложных кинематических схем роботов, интеллектуальных систем измерения и управления. Создание промышленных мобильных роботов приводит к увеличению спектра решаемых задач при движении робота в значительно неструктурированном пространстве. Поэтому требуются новые типы измерительного оборудования, предназначенного для определения местоположения мобильного робота, отработки его заданного маршрута, обнаружения, локализации и обхода препятствия [1-3].
Большинство работ, посвященных навигации мобильных роботов, основаны на разработках систем компьютерного зрения [4-8]. Основной элемент таких систем - это телевизионные камеры. Такие камеры имеют в своем составе широкоугольный объектив. Это приводит к тому, что бортовой системе управления приходится обрабатывать большой объем данных. Хотя современные сигнальные процессоры достигли большого прогресса в скорости обработки сигналов, но они пока еще не находят широкое распространение, так как обладают большой стоимостью. Поэтому их цена является непреодолимый барьером в развитии данного подхода.
Альтернативным подходом создания навигационных систем является оптико-электронные приборы наведения. Попытки создания оптико-электронных навигационных систем нашли широкое применение в космонавтике [9, 10]. Такие системы доказали свою надежность и работоспособность. Достоинством такого подхода является большая скорость обработки сигналов, простота реализации, компактность и дешевизна.
Первые попытки создания алгоритмов управления движением мобильного робота и его навигационной системы, входящей в состав учебно-исследовательского комплекса «Мобильные роботы», были предприняты в 2000 г. [11, 12]. В период с 2000 г. по 2003 г. были разработаны алгоритмы управления траекторным движением и созданы датчики внутренней информации мобильного робота.
Следующим этапом развития этого комплекса стало создания нового робота и его навигационной системы. Результат этой работы представлен в этой статье.
Постановка задачи
Мобильный робот является автономным. Он оснащен навигационной системой и бортовой системой управления. Навигационная система этого робота состоит из датчиков внутренней и внешней информации. Бортовая система управления представляет собой набор локальных регуляторов, объединенных в единую распределенную вычислительную систему.
Мобильный робот должен осуществлять движение на полигоне размером 6x9 м2, представленном на рис. 1. Полигон разделен на квадраты, размер которых равен 1,5x1,5 м . Эти квадраты имеют светлый и темный цвет. Расположение этих квадратов имеет шахматный порядок.
Рис. 1. Полигон без маяков
#
Ф
Маяк
ф
# 0
ф г е
Рис. 2. Полигон с маяками
Этот полигон оснащен оптическими маяками, которые осуществляют излучение с частотой 16 кГц в инфракрасном диапазоне (см. рис. 2) и висят над полигоном на высоте от 1,02 м до 1,2 м.
В начальный момент мобильный робот устанавливается перпендикулярно к ближайшей границе полигона. После установки робота в начальное положение бортовая система управления должна решить задачу позиционирования, задачу траекторного управления, задачу детектирования препятствия.
Задача позиционирования состоит в «гашении» маяков. С этой целью робот оснащен оптическим светоотражающим диском с диаметром не более 0,3 м. Процесс гашения заключается в подъезде мобильного робота под маяк и отражении светового сигнала, поступающего от маяка. Бортовая система управления робота должна решить задачу позиционирования с точностью не более 30 см по осям координат евклидова пространства.
Задача траекторного управления состоит в отработке полосы, нанесенной на полигон (см. рис. 3). Эта полоса имеет ширину 0,05 м. Цвет полосы является противоположным цвету квадрата. Траектория состоит из прямолинейных участков и участков дуг окружности радиуса 0,75 м, которые соединяются на границах квадратов. Траектория может иметь самопересечения. Эти пересечения осуществляются под прямым углом в середине квадратов только на прямолинейных участках полосы.
финиш
■ 'Я
в ■
|™| а+я |Т
\Г1 ■ -а у
— — - маяк -и 1
т
старт
Рис. 3. Полигон с траекторией и маяком
Вывод мобильного робота на полосу осуществляется при помощи маяка. Следовательно, задача траекторного управления декомпозируется на две подзадачи:
• задача позиционирования мобильного робота под маяк с целью его гашения;
• задача непосредственной отработки заданной траектории.
Задача непосредственной отработки траектории решается как задача стабилизации относительно заданной траектории.
Задача детектирования препятствия состоит в обнаружении бруска, размер которого 0,5x0,1x0,1 м. Этот брусок находится на полигоне и отстоит от края квадрата, на которые разделен полигон, не более 0,25 м. Цвет брусков такой же, как у того отрезка полосы, на котором он расположен. Задача, решаемая бортовой системой управления, заключается в предотвращении столкновения мобильного робота с лежащим бруском.
Таким образом, описан геометрический размер полигона, его состав, расположение маяков, полосы и препятствий, а также представлены задачи, решаемые бортовой системой управления.
Организация системы управления мобильным роботом
Для управления движением мобильного робота в неструктурированном пространстве бортовой системе управления необходимо решать такие задачи, как формирование и оценка навигационных параметров робота, обнаружение и оценка координат маяков, наведение робота на маяк и его «гашение», наведение на полосу, ее захват и отработка, обнаружение и оценка параметров препятствий, планирование движений мобильного робота, выбор режима функционирования или последовательности чередования режимов.
Выбор стратегии функционирования робота или определение последовательности решения задач производится в зависимости от задания, поставленного перед ним и текущего состояния робота, т.е. от решаемой в данный текущий момент задачи и ее стадии решения. Смена режимов решаемых задач производится посредством анализа выполнения условий, установленных для каждого режима.
Следовательно, в системе управления мобильного робота можно выделит три уровня управления: нижний, средний, верхний.
Структура системы управления мобильным роботом представлена на рис. 5.
Нижний уровень управления обеспечивает работу приводов перемещения мобильного робота, приводов перемещения оптических приемников локации маяков, и поступление первичной информации в систему.
Входной информацией для локальной системы управления приводами перемещения мобильного робота являются его заданная линейная и угловая скорости движения. Выходной информацией для этой системы управления представляют собой его текущая линейная скорость продольного движения и угловая скорость поворотного перемещения, которые поступают в планировщик движения.
Рис. 5. Система управления мобильным роботом
Рабочей системой координат является система координат, жестко связанная с мобильным роботом (см. рис. 4). На этом уровне реализован локальный регулятор угла разворота мобильного робота. Для него входной информацией является угловое отклонение (рассогласование) продольной оси мобильного робота от заданного направления.
Входной информацией для локальной системы управления приводами перемещения оптических приемников локации маяков являются: режим работы (поиск, слежение, перемещение в заданную область пространства), угловые координаты задания области пространства, диапазоны областей поиска целей. Рабочей системой координат является система координат, жестко связанная с локатором.
Выходная информация, поступающая на планировщик глаз, представляет собой массив координат обнаруженных маяков, текущие координаты маяка (в зависимости от режима работы). Датчик положения линии обеспечивает анализатор полосы (средний уровень системы управления) следующей выходной информацией: признаком обнаружения линии (бинарный), угловым отклонением продольной оси работа от полосы, цветом фона.
Датчик препятствия осуществляет поступление в обработчик препятствия следующей информации: признак обнаружения препятствия (бинарного типа), направление на препятствие, дистанция до препятствия.
Средний уровень система управления обеспечивает планирование и выдачу заданий подсистемам нижнего уровня. В состав этого уровня входят анализатор положения маяков, анализатор положения робота, анализатор положения робота на квадрате, анализатор препятствия, планировщик глаз, планировщик движения, анализатор полосы, обработчик препятствия. Средний уровень системы управления можно разделить на подсистемы: управления локальным движением мобильного робота (анализатор положения робота, анализатор положения робота на квадрате, анализатор препятствия, планировщик движения, анализатор полосы, обработчик препятствия), управления локальным движением оптических локаторов (анализатор положения маяков, планировщик глаз).
Подсистема управления локальным движением мобильного робота обеспечивает выдачу задания для обеспечения его перемещения: на маяк по прямой, по дуге окружности, вдоль линии с прогнозом поворотов и управлением скоростью продольного перемещения. Входной информацией этой подсистемы являются координаты маяка, расстояние до маяка, отклонение от линии, режим работы (движение по прямой, поворот, линия и т.д.). Выходная информация представляет собой сигналы, определяющие требуемую продольную скорость, величину рассогласования по углу и пройденный путь.
Подсистема управления локальным движением оптических локаторов осуществляет выдачу задания его приводам для локации маяков. Входной информацией являются режим работы локаторов (поиск маяка, слежение за маяком, определение расстояния), режим движения мобильного робота (на один маяк, по линии), координаты маяков или целей. Выходная информация представляет собой задание подсистемам управления приводами оптических локаторов и вычисление расстояния до обнаруженных маяков.
Верхний уровень управления осуществляет стратегическое планирование движения мобильного робота. На рис. 5 этот уровень изображен блоком «База данных и режимов». Входной информацией являются координаты обнаруженных и пройденных маяков, текущее местоположение робота на полигоне, решаемая роботом задача. Выходной информацией являются режимы работы подсистем среднего уровня, задание целей для подсистем среднего уровня, вычисление пройденного пути и траектории движения, передача информации на пост контроля. Система координат привязана к первому маяку.
Распределение вычислительного времени обеспечивается жестким тактированием задачи. Такт работы подсистем нижнего уровня составляет 0,01 с, среднего уровня -
0.05.с и верхнего - 0,2 с.
Таким образом, рассмотрена структура системы управления, которая состоит из трех уровней. Каждый уровень содержит свои подсистемы, отвечающее за решение различных задач.
Заключение
Разработана навигационная система, решающая задачи позиционирования, траек-торного управления и детектирования препятствий. Предложены общая организация навигационной системы, общая схема обработки информации, поступающая с системы локации маяков мобильного робота, датчиков полосы и препятствия.
Авторы видят дальнейшее развитие навигационной системы в создании датчика, позволяющего обходить подвижное препятствия. Этот датчик позволить усовершенствовать бортовую систему управления мобильного робота.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты 05-08-33388-а и 06-01-08038-
офи).
Литература
1. Бурдаков С.Ф., Мирошник И.В., Стельмаков Р.Э. Системы управления движением колесных роботов. СПб: Наука, 2001.
2. Накано Э. Введение в робототехнику / Пер. с япон. М.: Мир, 1988.
3. P. Putz Space robotics in Europe: A survey // Robotics and Autonomous Systems. 1998. V. 23. P. 3-16.
4. Хорн Б.К.П. Зрение роботов / Пер. с англ. М.: Мир, 1989.
5. Фор А. Восприятие и распознавание объектов. М.: Машиностроение, 1989.
6. Каляев И., Капустян С., Клименко В. и др. Многопроцессорные распределенные системы управления интеллектуальных мобильных роботов. // СТА. 1997. №4. С. 94—97.
7. Laurence Boissier IARES-L: A ground demonstrator of planetary rover technologies // Robotics and Autonomous Systems. 1998. V. 23. P 89-97.
8. ZHAO-QING MA and ZENG-REN YUAN Real-time Navigation and Obstacle Avoidance Based on GridsMethod for Fast Mobile Robots. // Engng Applic. Artif. lntell. 1995. V. 8. № 1. P. 91-95.
9. Huosheng Hu, Dongbing Gu, Michael Brady A modular computing architecture for autonomous robots. // Microprocessors and Microsystems. 1998. V. 21. P 349-361.
10. Изнар А.Н., Павлов А.В., Федоров Б.Ф. Оптико-электронные приборы космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1972.
11. Сергеев К.А., Котов А.В., Кокшаров Д.Н. Измерительная система для учебно-исследовательского комплекса «Мобильные роботы» // Научно-технический вестник СПбГИТМО(ТУ). Выпуск 10. Информация и управление в технических системах. /Гл. ред. В Н. Васильев. СПб: СПбГИТМО(ТУ). 2003. С. 19-24.
12. Sergeev K.A. Vehicle Planar Motion Control In Mobile Environment. // Preprints of 8th International of Student Olympiad on Automatic Control (Baltic Olympiad). St-Petersburg, 2000. P.90-93.
