Система навигации мобильного робота (стр. 6 из 7)
Блок Б3 задает случайные оценки Р3i=z, в котором случайные числа выбираются с равномерной вероятностью на отрезке [0,1].
Блок Б4 определяет инерцию робота, оценка Р4i=1, для направления i0, по которому был сделан предыдущий шаг; Р4i=1/2 – для направлений, отличающихся от i0 на π/4, и Р4i=0 для остальных направлений.
Блок Б5 имитирует «ближнюю предусмотрительность» и дает сигнал о простейших тупиковых ситуациях за один шаг. Оценка Р5i=1, если после шага в i-м направлении роботу придется поворачиваться на угол, больший чем π/4, и Р5i=0, если после шага в i-м направлении есть возможность продолжить движение, не поворачиваясь более чем на π/4.
Выбраны 5 признаков k для оценки:
а) g1 – задает важность выдерживания направления на цель, при g1<0 робот удаляется от цели;
б) g2 – характеризует отношение робота к препятствиям: при g2<0 робот избегает препятствий, при g2>0 робот стремится идти по клеткам, занятым препятствиями;
в) g3 – определяет степень хаотичности в движении робота и может меняться в процессе поиска пути в сложных ситуациях. В случае «осознания» тупика, когда последние M шагов не привели к сокращению расстояния до цели:
rха = √ (x1ц– x1тек)² + (x2ц– x2тек)², (3.13)
при этом вес g3 постепенно увеличивается в диапазоне [0, 1], пока поиск управления не становится случайным. Тогда вероятность попадания на любую незанятую клетку описывается уравнением типа диффузии, и при любой форме тупика робот в конце концов найдет выход;
г) g4 – робот стремится поворачиваться плавно и выдерживать движение по прямой при g4>0, робот рыскает из стороны в сторону и склонен к резким поворотам при g4<0;
д) g5 – характеризует «осторожность» робота, при g5<0 робот «предостерегается» от перпендикулярного приближения к стене и заходов в угол.
3.2.6 Результат использованного метода
Таким образом, задачей робота является исследование среды с целью составления ее карты и нахождение цели. Как отмечалось выше, сначала робот осуществляет построение карты внешней среды, двигаясь из начальной точки (рисунок 3.5) в соответствии с предложенной методикой.
Рисунок 3.5 – Нахождение оптимального пути
В результате этого формируется карта (рисунок 3.5), где белым цветом отмечены участки свободные для перемещения робота, черным – участки, занятые препятствием, а серым – целевой участок. Затем робот помещается в начальную точку движения. При этом его задачей является нахождение оптимального (в смысле длины траектории) пути движения к цели. Действуя в соответствии с описанным алгоритмом навигации по карте, робот достигает цели по траектории (рисунок 3.6), которая, очевидно, является наиболее оптимальной из всех траекторий, ведущих к цели.
Рисунок 3.6 – Отображение карты среды
Исходя из этого, применение описанного метода позволяет роботу строить карту внешней среды и эффективно планировать траекторию движения к цели [11].
4 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОМ ДЛЯ НАВИГАЦИИ
Система управления мобильным роботом должна решать следующие задачи:
а) обработка сенсорных данных (в т.ч. данных от интерфейса с оператором) с целью сбора информации о роботе и внешней среде вокруг него;
б) планирование мероприятий по уяснению целевого задания и планирование последовательности подзадач, необходимых для выполнения этого задания;
в) формирование таких программных траекторий движения МР, которые бы приводили к выполнению роботом локальной подзадачи (например, прибытие к целевой точке в среде с препятствиями);
г) формирование таких задающих воздействий на исполнительные механизмы робота, которые бы приводили к максимально точному и быстрому выполнению ими программной траектории движения.
Одной из особенностей построения системы управления интеллектуального мобильного робота является то, что она строится по иерархическому многоуровневому принципу, согласно которому с повышением иерархического ранга подсистемы повышается ее степень интеллектуальности (рисунок 4.1). Самым верхним звеном этой иерархии является система управления поведением, далее следует система управления движением, а система управления исполнительными механизмами является самым низшим звеном этой иерархии. Кроме перечисленных подсистем в структуре имеется информационно-измерительная система, которая также должна обладать некоторыми интеллектуальными возможностями, и интерфейс с оператором.
Рисунок 4.1 - Структура системы управления мобильного робота
Система управления поведением (стратегический уровень) предназначена для формирования целесообразного поведения робота для выполнения задачи, поставленной перед ним. На выходе эта система формирует целеуказание для системы управления движением: целевая точка пути, требуемое состояние приводов робота, команды управления режимами работы информационно-измерительной системы.
Система управления движением (тактический уровень) предназначена для планирования таких программных траекторий движения робота, которые бы приводили робота в указанное целевое состояние в среде с препятствиями, учитывая динамические характеристики робота. Целевое состояние для этой системы формирует система управления поведением. На выходе данная система формирует требуемое командное значение скоростей линейного движения и поворота робота.
Система управления исполнительными механизмами (приводной уровень системы управления) решает задачи управления исполнительными механизмами робота. Эта система реализует интерфейс с аппаратной частью робота (электрические и механические устройства, необходимые для работы робота).
Информационно-измерительная система предназначена для сбора, обработки и преобразования сенсорной информации в сигналы, удобные для использования в системе управления робота. Видеоизображение, полученное с телекамеры, преобразуется в набор параметров, на основе которых другие подсистемы принимают те или иные решения.
Данный робот может быть оснащен четырьмя цветными камерами, объединенными в одно целое в корпусах с двойными галогенными рефлекторами, что делает возможным работу при недостаточном освещении или в полной темноте.
Две камеры подвижные: одна помещена спереди передвижной платформы на сервомоторе, регулирующем угол наклона движущейся передней гусеницы. Благодаря этому поле зрения изменяется вместе с поднятием или опусканием передней гусеницы. Вторая направлена назад, помещена на вращающейся основе манипулятора. Поле зрения оператора изменяется вместе с вращением основы манипулятора. Манипуляционная камера помещена на захвате. Угол зрения камер 90°.
Основная камера помещена на верхнем плече манипулятора. Она установлена на вращающейся головке, позволяющей вращение камеры в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Камера оснащена объективом с переменным фокусом с возможностью автоматического регулирования диафрагмы, а также с возможностью ручного, дистанционного регулирования резкости и фокуса [12].
Интерфейс между оператором и передвижным роботом представляет собой экранное меню для демонстрирования изображения из камер и интерпретации данных, получаемых от датчиков, и переносной пульт управления, который разделен на следующие секции:
а) джойстик (с переключателем быстро/медленно, для управления скоростью передвижной платформы);
б) секция управления манипулятором: (по три переключателя для каждой степени свободы манипулятора: два-для управления направлением движения с постоянной скоростью движения, один - для включения поста с помощью джойстика);
в) джойстик для управления манипулятором с переключателем выбора камер;
г) управления вооружением (четыре переключателя для четырех независимых видов оружия или оснащения, защищены дополнительным переключателем, а также зажиганием) [4].
ВЫВОДЫ
Разработка интеллектуальных мобильных роботов (ИМР) для различных производственных и исследовательских целей является весьма важной и актуальной задачей.
В настоящее время выполнено огромное число исследований, связанных с разработкой алгоритмов управления, обеспечивающих решение с помощью мобильных роботов таких нетривиальных операций, как: составление карты местности, её уточнение, планирование траекторий, обход препятствий, выявляемых при движении, проникновение в труднодоступные зоны и т.д.
Дальнейшие исследования новых типов мобильных роботов стимулируется многочисленными приложениями в самых различных областях человеческой деятельности (автоматизация управления движением транспортных средств, борьба с терроризмом и разминирование подозрительных предметов, работа в условиях сильной задымленности во время пожаротушение, инспекция территорий, зараженных химическими веществами, самостоятельное патрулирование назначенных территорий и др.).
Для эффективного функционирования интеллектуальные роботы снабжены системой восприятия внешней среды, средствами анализа ситуаций и принятия решений и осуществляют планирование движения (в том числе и построение трассы).
В данной работе техническое задание было изучено и полностью решено.
На будущее планируется решение следующих вопросов:
а) экспериментальные исследования выбора маршрута;
б) поиск более эффективных алгоритмов достижения цели;
в) рассмотрение карты в трехмерном пространстве;
г) рассмотрение методов навигации МР, участвующих в гонках «Крепкий орешек».
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК