CC BY
237
УДК [004.896-029:681.586] :681.5.01
И. О. Проталинский, Д. В. Елизаров, С. А. Кирилин
УНИВЕРСАЛЬНАЯ МОБИЛЬНАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ РОБОТОВ, ОБСЛУЖИВАЮЩИХ СОЦИАЛЬНУЮ И БЫТОВУЮ СФЕРЫ
В современном мире роботы находят все более широкое применение, заменяя человека на производстве и в быту. Наиболее распространены мобильные роботы. Мобильные роботы становятся базой для построения устройств, выполняющих различные задачи и обладающих широким функционалом. Но при таком разнообразии возможностей актуальной проблемой является выбор мобильной базы. Представленные на рынке и находящиеся в разработке мобильные роботизированные платформы являются монолитными устройствами, у которых отсутствует возможность выбора конечным пользователем комплектации и модернизации. Кроме того, использование мобильных роботов стороннего производителя для реализации новых проектов влечет за собой возникновение проблем, связанных с интеллектуальной собственностью, выплатой отчислений за каждый проданный экземпляр готового продукта. Вследствие этого возникает необходимость построения собственной мобильной роботизированной платформы, отличительной особенностью которой должна стать модульная конструкция.
Целью исследований являлась разработка проекта «СеШиш» (Сельтиум) - мобильной роботизированной платформы модульного типа. Представленная платформа должна удовлетворять следующим основным требованиям: жесткая рамная конструкция размерами 500 х 500 х 300 мм, унифицированная система управления, гусеничное шасси, возможность установки как электродвигателя, так и двигателя внутреннего сгорания (в качестве силовой установки платформы), сопряжение с компьютером посредством проводного и беспроводного подключения, возможность подключения до 15 датчиков и установки различного оборудования. Кроме того, программное обеспечение базовой комплектации должно обеспечивать возможность группового управления платформами и обход группы подвижных препятствий.
На первом этапе реализации проекта «СеШиш» разрабатывается платформа с возможностью установки на нее электродвигателя. Это обусловлено простотой реализации, возможностью использования робота как внутри помещений, так и за его пределами. На втором этапе будет предусмотрена возможность установки двигателя внутреннего сгорания для расширения эксплуатационных возможностей роботизированной платформы.
Рама для роботизированной платформы собрана из алюминиевых направляющих, с креплениями для установки оборудования и корпуса. Выбор алюминиевых направляющих как основы рамной конструкции обусловлен снижением веса при сохранении жесткости конструкции. Рама имеет форму параллелепипеда с установленным на нее корпусом круглой формы. Данное решение позволит объединить преимущества прямоугольной платформы, такие как удобство монтажа и сборки рамы, и возможность оптимально размещать датчики позиционирования роботизированной тележки (ультразвуковые датчики, контактные датчики) на круглом корпусе.
Аппаратная часть платформы «СеШиш» (рис. 1) состоит из двух электродвигателей, подсистемы управления электродвигателями, радиомодуля, устройства хранения информации, сенсорной подсистемы, подсистемы аварийной сигнализации, подсистемы тестирования и общей системы управления роботизированной платформой.
Основа системы управления - вычислительная плата с предустановленной на ней операционной системой (ОС), а также основным программным обеспечением, с помощью которого осуществляется управление платформой, сбор информации с сенсорной подсистемы, связь с другими роботизированными платформами. Одна из основных функций вычислительной платы - прокладка необходимого маршрута и построение карты местности. Для упрощения прокладывания маршрута предусмотрена возможность загрузки готовых карт местности в память. Как дополнительная опция для роботизированной платформы предусмотрена возможность подключения блока спутникового позиционирования «ГЛОНАСС» для работ на открытых пространствах и система позиционирования посредством радиоканалов в закрытых помещениях. К вычислительной плате посредством протокола И8Б подключаются дополнительные модули.
Рис. 1. Структурная схема аппаратной части роботизированной платформы «Celtium»
На мобильной роботизированной платформе установлена ОС реального времени «Linux» в сборке «SLAX» для компьютерного ядра i386. Данный выбор обусловлен распространением представленной ОС и ее быстродействием. При ограниченном функционале работы пользователя с офисными приложениями «Linux SLAX» дает большой выбор доступных библиотек для работы с периферическими устройствами. Так, в данной ОС имеется возможность создания собственных библиотек на высоком языке программирования.
Сенсорная система в базовой комплектации представляет собой четыре ультразвуковых датчика - обнаружения препятствия, контактного датчика - отрыва от поверхности и датчика скорости. Для сбора данных с датчиков предусмотрена плата распознавания аварийной ситуации. Основная задача представленной платы - сбор данных, анализ данных, кодирование, передача на основную вычислительную плату и распознавание аварийной ситуации. Под аварийной ситуацией понимается ситуация, при которой робот оказывается в непосредственной близости от препятствия. В этом случае принимается решение о немедленной остановке, отправляется сигнал оператору и сигнал о необходимости включения аварийной сигнализации. Для расширения функционала сенсорной системы предусмотрены дополнительные порты для различных датчиков и системы видеонаблюдения.
Для создания опытного образца разработана спецификация необходимого оборудования. В качестве главной управляющей платы выбран одноплатный компьютер Pico-ITX со следующими характеристиками: процессор Intel ATOM Z510/Z530 1,1/1,6 ГГц, чипсет Intel System Controller Hub US15W, память: 1 x DDR2 SO-DIMM до 2 Гб, Ethernet Intel 82574L Gigabit Ethernet, накопители: 2 х SATA II, рабочая температура от 0 до 60 °С, питание: 5 В постоянного тока. Выбор данного одноплатного компьютера обусловлен его широкими функциональными возможностями. Во-первых, одной из его главных характеристик является форм-фактор, что позволяет уменьшить занимаемое пространство в корпусе платформы. На плате есть также встроенный видеоадаптер и звуковая карта, что позволяет использовать мультимедийные возможности. В качестве постоянной памяти используется съемный жесткий диск размером 80 Gb. Шесть USB-портов используются для подключения дополнительных модулей. Основным дополнительным модулем является модуль управления двигателями. К данному модулю подключаются также все датчики комплекса. Основой модуля является микроконтроллер фирмы AVR Atmega 128, обладающий следующими характеристиками: 8-битный высокопроизводительный RISC-микроконтроллер; 128 Кб постоянной памяти; 4 Кб встроенной SRAM; 53 программируемые линии ввода - вывода. Выбор данного микроконтроллера обусловлен высокой производительностью и относительно невысокой ценой. Помимо микроконтроллера на дополнительном модуле установлен Н-мост на полевых транзисторах для управления электродвигателями и источник питания для микроконтроллера и датчиков. В качестве базовых датчиков расстояния на платформе используются ультразвуковые датчики Devantouch SRF04, позволяющие проводить измерения в диапазоне 1...3 000 мм, что является достаточным для разработанного алгоритма управления.
При реализации программной части роботизированной платформы также реализован модульный принцип построения. На платформе установлена свободно распространяемая ОС. Целью реализации программного продукта для роботизированной платформы на первом этапе реализации проекта являются: модуль общего управления платформой, модуль выборки оптимального маршрута для покрытия наибольшей рабочей площади и модуль группового управления роботами. На втором этапе реализации проекта будет разработан алгоритм обхода группы динамически движущихся препятствий.
Модуль общего управления - это комплекс программных продуктов, предназначенных для управления электродвигателями, сенсорной системой и поддержки всех необходимых протоколов для передачи информации как между аппаратными модулями платформы, так и со смежными устройствами.
Модуль группового управления представляет собой протокол связи между роботизированными платформами, с реализацией возможности общения роботов между собой, т. е. основная цель представленного модуля - возможность декомпозиции поставленной задачи оператором перед группой роботов, распределение задач между роботами и их независимое выполнение. Данный модуль основан на алгоритме управления группой роботов в единой рабочей зоне. Результат работы алгоритма - создание коалиций роботов для параллельного решения взаимосвязанных задач.
Модуль выборки оптимального маршрута для покрытия наибольшей рабочей площади (рис. 2) предназначен для полного обхода рабочей зоны с объездом встречающихся в ней статичных препятствий. Алгоритм имеет четыре основных блока. Первые два блока позволят роботу не выходить за пределы рабочей зоны. Третий блок предназначен для обхода препятствий, возникающих на пути. Приоритетной стороной обхода будет выбрана левая, если робот начнёт работу в рабочей зоне, двигаясь по часовой стрелке, либо правая, если робот будет двигаться против часовой стрелки. Задать направление обхода можно, задав переменную rot. Значение cw соответствует направлению движения по часовой стрелки, ccw - против часовой стрелки. В четвертом блоке производится занесение пройденной области в память. В зависимости от специфики поставленной задачи возможны изменения алгоритма с возможностью самообучения робота и адаптации его к окружающей среде. Условие «Задача выполнена» предполагает оценку проделанной работы. Данный алгоритм позволит покрыть максимальную площадь рабочей зоны, что подтвердилось при проверке алгоритма на программной платформе MS Robotic Studio.
Одной из сфер применения роботизированной мобильной платформы «Celtium» является создание автономной мобильной системы видеонаблюдения и охраны для торговых центров и промышленных объектов. В настоящее время видеонаблюдение осуществляется посредством стационарных видеокамер с углом зрения до 270 °С. Информация со всех камер поступает на единый пункт охраны. Однако при увеличении площади наблюдения эффективность таких систем снижается вследствие уменьшения времени наблюдения за одной камерой служащим охраны.
При использовании мобильной системы охраны можно уменьшить число пунктов видеонаблюдения и осуществлять автоматическую обработку видеопотока для выявления проникновения на охраняемую территорию. Система состоит из группы мобильных роботизированных платформ с установленными на них видеокамерами с системой позиционирования, предназначенной для увеличения угла обзора, маршрутизатором беспроводной сети и системы позиционирования робота в закрытых помещений. Для увеличения эффективности системы планируется использовать алгоритмы группового управления роботами. Эти алгоритмы необходимы для разделения охраняемой площади на рабочие зоны между роботами, при этом пересечение рабочих зон каждых из двух роботов должно быть минимальным:
j(Dl) = 2l2arctg (V2lDl -Dl2/2/ - Dl
ф(А/) ® 0,
где j(Dl) - функция площади пересечения рабочих зон промышленных роботов; l - радиус рабочей зоны робота; Al - длина зоны пересечения роботов [1].
)-(1/2)(2l -Al )л/ 2lAl -Al2,
(1)
Рис. 2. Алгоритм выбора оптимального маршрута для покрытия наибольшей рабочей площади
В предложенной системе используется одноранговая рабочая группа, что обусловливает необходимость использования специального языка коммуникации для роботов и системы принятия решения для разделения рабочих зон между роботами.
С целью реализации группового управления используется мультиагентная технология, где каждый из роботов представляется как автономный агент системы. При этом охраняемая площадь разбивается на специальную сетку координат, в которой узлы сетки являются базовыми точками. Вся рабочая зона представляется как граф, где базовые точки - узлы графа, а возможные траектории перемещение робота между базовыми точками - ребра графа. При этом в начале работы группы мобильных роботов выявляется задача распределения базовых точек между собой. Задача каждого из роботов - прохождение всех базовых точек за минимальное время. При этом проверка всех базовых точек за один проход является неэффективной вследствие продолжительности временного интервала выполнения задачи. Для этого предлагается декомпозиция предложенного процесса и проведение его в несколько итераций. Это означает, что робот должен пройти свои базовые точки за п итераций, минимизируя при этом количество прохождений каждой из базовых точек за проход. Количество итераций п зависит от размеров помещения, от количества роботов, проводящих видеонаблюдение, и размерности координатной сетки.
Для повышения эффективности видеонаблюдения предлагается пересекать рабочие зоны мобильных роботов с целью прохождения всех ребер графа базовых координат. При этом роботы с пересекающимися рабочими зонами не должны встречаться в одной базовой точке. С целью предотвращения этого используется нечеткая когнитивная карта анализа взаимодействия роботов-агентов.
Для проведения анализа строится множество стратегий обхода базовых точек в рабочей зоне каждого из роботов. Выработка стратегии для обхода базовых точек осуществляется с применением генетического алгоритма для решения задачи коммивояжера. При этом выделяется ход, при котором робот будет находиться в базовой точке. При сравнении двух роботов выявляются пары стратегий, наиболее удовлетворяющие условию: при нахождении одного робота в общей базовой точке второй робот должен находиться на максимальном расстоянии от него.
В качестве языка коммуникаций применяется язык, состоящий из 13 слов, которые возможно группировать в комбинации до 3 слов. При коммуникации возможно также использовать числовые переменные и арифметические знаки. Сообщение построено на трех основных частях: адрес получателя сообщения, адрес отправителя сообщения, текст сообщения.
Коммуникация осуществляется посредством беспроводной сети Wi-Fi, поддерживающей технологию 802.11n. При этом при построении сети для коммуникации учитывалась необходимость передачи видеопотока с камеры каждого из роботов на пульт охранной системы. При реализации предложенных функций реализована беспроводная сеть с единым центром коммуникации, в качестве которой выступает маршрутизатор для передачи сообщений от робота к роботу.
Для определения местоположения робота в закрытом помещении применяется система инфракрасных маяков. Для определения местоположения используется не расстояние до маяка, а угол между направлением движения робота и направлением до маяка. При этом робот должен быть в «поле зрения» хотя бы трех инфракрасных маяков для точного определения координаты. Для снижения влияния светового излучения на вероятность приема роботом сигнала с инфракрасного маяка используется специальная последовательность из 21 импульса.
Еще одной возможностью применения мобильной роботизированной платформы «Celtium» является мусороуборочный комплекс для пляжей. В настоящее время остра экологическая ситуация в Волго-Ахтубинской пойме из-за вредных выбросов промышленной зоны Среднего Поволжья. Проблема вредных выбросов усугубляется проблемой загрязнения береговой зоны бытовым мусором, которая является не только экологической, но и социальноэкономической. Астраханская область позиционирует себя как один из центров туризма в Южном федеральном округе, но загрязненность местных пляжей не способствует развитию региона в этом направлении. Для решения поставленной проблемы предлагается автономный мусороуборочный комплекс (АМК).
При реализации АМК на платформу «Celtium» установлен двигатель внутреннего сгорания мощностью 12 л. с., что позволит перемещаться со скоростью до 4 км/ч по сложнопроходимой местности. На платформу будет установлена также система сбора мусора, состоящая из лопастей захватов и конвейера, который будет обеспечивать поступление собираемого мусора в специальный контейнер.
Позиционирование АМК будет осуществляться за счет установленных на платформе двух антенн ГЛОНАСС, что при корреляции данных, получаемых с антенн, позволяет более точно определить положение АМК. Это позволит с помощью пользовательского интерфейса задавать площадь уборки. Кроме того, предлагаемая система позиционирования не позволит АМК попасть в воду.
На втором этапе реализации проекта АМК планируется включить в его состав систему сортировки мусора. Система способна определить два основных типа мусора: пластик, стекло, а остальной мусор определяется как «Разное». Такая сортировка будет осуществляться за счет специального оптического датчика, который по углу отклонения лазерного луча при прохождении через прозрачный объект сможет определить материал.
Реализация проекта «Celtium» предполагает высокий экономический эффект, т. к. мобильная роботизированная платформа будет использоваться как подвижная основа для ряда уже существующих проектов. Такими проектами являются: система уборки мусора на открытой местности; роботизированная система видеоохраны и видеонаблюдения; роботизированный экс-
курсовод; робототизированная система топографической съемки; интерактивноинформационная система в крупных торговых центрах; робот для проверки качества проведения дорожных работ; роботизированная система транспортировки на промышленных объектах и робот-уборщик в крупных помещениях общественного пользования. Предлагаемая модель модульного построения роботизированной платформы позволит и в дальнейшем расширять функционал и находить новые применения проекта «СеШиш».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каляев И. А., Гайдук А. Р., Капустян С. Г. Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов. - М.: Физматлит, 2009. - 280 с.
Статья поступила в редакцию 16.06.2011
UNIVERSAL MOBILE PLATFORM FOR ROBOTS OPERATING IN SOCIAL AND CONSUMER SPHERES
I. O. Protalinskiy, D. V. Yelizarov, S. A. Kirilin
There is a great variety of a lineup of mobile robots, but it is rather difficult to choose a mobile base for them. The mobile robot platforms that are presented in market and are being developed are monolithic devices without any possibility of a choice of packaging and modernization by a user. The distinctive feature of the offered universal mobile robot platform is a modular structure. The platform will be used as a mobile basis for a number of projects: system of rubbish removal on the open territory; robot system of video-protection and video observation; robot guide; robot system of topographical shooting; online information system in large shopping centers; robot to check the quality of roadwork; robot system of transportation on industrial objects and robot-cleaner in large premises of public usage.
Key words: robot, group control of robots, theory of automation control.
