Управление движением мобильного робота в стесненных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Управление движением мобильного робота в стесненных условиях

Специальность 01.02.01 - теоретическая механика

На правах рукописи

Сербенюк Николай Сергеевич

Москва 2006

Работа выполнена в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН

Научные руководители: академик РАН Охоцимский Дмитрий Евгеньевич

доктор физико-математических наук, профессор Платонов Александр Константинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, Лазутин Юрий Михайлович

кандидат физико-математических наук, Андреев Виктор Павлович.

Ведущая организация: Институт проблем механики РАН

Защита диссертации состоится " 14 " марта 2006г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета “Д 002.024.01” при Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН по адресу: 125047, Москва, Миусская пл., 4. ауд. конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН.

Автореферат разослан " 31 " января 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор физико-математических наук Т.А. Полилова.

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена решению задачи разработки алгоритмов, аппаратно-программных систем и инструментальных средств для формирования управления автоматическим движением манёвренного мобильного робота в стесненных условиях внутри бытовых помещений. Для её решения был создан лабораторный макет высокоманёвренного робота (получивший название "Трикол") с многомашинной системой управления и двумя телевизионными камерами, одна из которых обеспечивает круговой обзор. Были разработаны инструментальные средства верификации алгоритмов системы управления.

Актуальность проблемы.

В последнее время все больший интерес разработчиков стали привлекать автономные мобильные роботы, функционирующие в повседневном окружении человека - в индустриальной среде или в сфере обслуживания. Мировой объем таких "бытовых роботов" уже более 1 миллиона шт. Большинство из них являются автономными пылесосами, далее следуют автономные газонокосилки и роботы-игрушки. По прогнозам специалистов японской организации робототехники, объем рынка бытовых роботов составит 14 млрд. долл. к 2010 г. и 37 млрд. долл. -- к 2025-му. Специалисты ООН предсказывают семикратный рост числа бытовых роботов к 2007 году

Вместе с тем, большинство разработок бытовых роботов испытывают дефицит алгоритмов и программ для решения наиболее трудной проблемы - автоматического управления траекторией для достижения цели в помещениях с присутствием большого числа заранее неизвестных помех движению робота. Здесь наиболее важными факторами является маневренность робота, связанная с конструктивными особенностями движителя, сенсорное обеспечение восприятия окружения и алгоритмы принятия двигательных решений. Перечисленные обстоятельства обосновывают актуальность решаемой в диссертации задачи разработки алгоритмов и аппаратно-программных систем для формирования управления автоматическим движением манёвренного мобильного робота в стесненных условиях внутри бытовых помещений.

Цель работы.

· Исследование и разработка необходимых методов управления движением мобильного робота с трехколесным полноприводным движителем, обладающего высокой манёвренностью. Исследование свойств и учёт особенностей его сложных кинематических характеристик.

· Создание методов информационного обеспечения управления движением такого робота.

· Разработка методов и средств верификации сложных алгоритмов автоматического управления движением автономного мобильного робота среди препятствий.

Научная новизна.

1. Разработаны методы построения движений трёхколёсного полноприводного движителя нового типа;

2. Получены новые результаты исследования свойств специального («вальсирующего») типа движения такого движителя;

3. Предложен новый метод вейвлет-описания круговой сцены видимого окружения мобильного робота, получаемой с помощью конического отражателя;

4. Предложен новый метод построения специальной (не конической) формы всенаправленного отражателя для преобразования фотометрической картины окружения робота в сцену с заданными (более удобными для её распознавания) свойствами;

5. Разработан новый метод формирования звуковых объяснений обстоятельств работы алгоритмов системы управления в процессе автономного движения робота.

Практическая ценность.

1. Разработанные методы управления движением в стесненных условиях могут быть использованы при создании движителей высокой маневренности для комнатных роботов.

2. Предложенный в диссертации метод расчета формы отражающей поверхности для получения проекции видимой картины с заданными свойствами может быть использован при разработке всенаправленных сенсоров мобильных роботов.

3. Высокую практическую значимость имеют разработанные средства речевого объяснения причин принятия решений непосредственно в ходе работы алгоритмов системы управления автономного робота.

4. Разработанные в диссертации методы навигации и управления движением трехколесного робота, алгоритмы анализа сенсорных данных в системе управления роботом и методы верификации алгоритмов системы управления роботом используются в учебном процессе на базовой кафедре МФТИ в ИПМ им. М.В.Келдыша РАН.

Апробация работы.

Заседаниях школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», в рамках Всероссийских научно-технических фестивалей молодежи «Мобильные роботы» с международным участием. (Москва, Институт механики МГУ декабрь 2000, декабрь 2001, декабрь 2002, ноябрь 2003, апрель 2004, март 2005).

Заседаниях научного семинара отдела 5 сектора 3 ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. (2000-2005)

Заседании научного семинара Института проблем механики РАН под руководством академика РАН Ф.Л. Черноусько (15.12.2005).

Публикации.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Список литературы содержит 157 наименований. Общий объем диссертации 134 страницы.

Содержание диссертации.

Введение содержит краткое описание современного состояния развития и использования автономных мобильных роботов. Обосновывается актуальность решения проблемы организации их движения в стеснённых условиях внутри помещений.

В первой главе вводится понятие класса "комнатных" мобильных роботов, исследуемых в диссертации. Их особенностью является использование трехколёсного движителя, предназначенного для движения по плоскости пола внутри помещений. Другой важной их особенностью являются высокие требования к характеристикам манёвренности движителя в условиях движения в тесном пространстве. Глава содержит обзор литературы, посвящённой решению проблем управления движением таких роботов и анализ манёвренности трёхколёсных мобильных роботов. Показана необходимость использования более манёвренной, но и более сложной для управления полноприводной кинематической схемы движителя, проанализированы особенности его управляемого движения и описаны связанные с этим задачи диссертации. Сложность и новизна этих задач потребовали экспериментального подтверждения правильности их решения. С этой целью был разработан и создан лабораторный макет трёхколёсного робота "Трикол" с полноприводным движителем, с богатой сенсорной системой и с мощными вычислительными ресурсами системы управления его движением (Рис. 1). Его описание приводится во втором разделе этой главы.

манёвренный мобильный робот стесненный

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Во второй главе исследованы кинематические свойства полноприводного движителя и построена теория его правильного движения. Основной задачей построения движения мобильного робота с полноприводным движителем является согласование взаимного движения колёс с требуемым движением корпуса робота. Любое нарушение условий такого согласования, как показали эксперименты, приводит к непредсказуемым динамическим эффектам, связанным с неизвестными силами реакций от проскальзывания колёс. Это недопустимо, т.к. тогда резко ухудшается точность счисления пути, что усложняет задачи планирования и исполнения нужного движения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В разделе 2.1. главы исследованы условия согласования движения колес робота при движении по различным траекториям. Конструкция движителя мобильного робота такова (Рис. 2), что точки пересечения рулевых осей с плоскостью корпуса робота Wi совпадают с проекцией центров самих колес. Этот факт значительно упрощает уравнения для векторов скоростей колес робота vi, обеспечивающие движение робота без проскальзывания в случае поступательного и/или вращательного движения.

В разделе 2.2. рассмотрены различные модели движения робота. Среди них выделены простые модели (поступательное движение и вращение вокруг неподвижной точки) и сложные - с движением центра робота по заданной траектории с заданной угловой скоростью вращения его корпуса.

Раздел 2.3 посвящен анализу специального вида «вальсирующего» движения, при котором центр робота движется по прямой с постоянной скоростью, а корпус робота вращается с постоянной угловой скоростью ?. Удобной моделью для изучения такого движения робота является подвижная центроида в виде катящегося колеса (Рис. 2). Для заданных постоянных векторов скорости V центра корпуса робота А и скорости его вращения ?, радиус подвижной центроиды должен быть равен . Сама центроида должна катиться по прямой параллельной V со скоростью вращения равной ?, а её центр - совпадать с центром корпуса робота A.

Основным отличием сложного вальсирующего движения от простых движений заключается в том, что в каждый момент времени вектор скорости v у каждого колеса изменяет не только свою величину, но и направление относительно корпуса робота. Если угол ? описывает ориентацию вектора v относительно корпуса робота, величина ? - угловую скорость вращения вектора v вокруг рулевой оси, а угол ? обозначает угол поворота корпуса робота относительно исходной позиции, то поведение вектора скорости колеса v при вальсирующем движении описывается следующими формулами:

.

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В следующем разделе 2.4. проведено исследование свойств исполнения движений робота. Введены обозначения: ? - максимальная скорость вращения колеса вокруг маршевой оси; ? - максимальная скорость вращения колеса вокруг рулевой оси; rK - радиус колеса робота, VK= ?*rK - максимальная линейная скорость центра колеса. Тогда максимальная скорость робота равняется VK, а максимальная угловая скорость вращения ?max вокруг неподвижного центра K выражается формулой:

При вальсирующем движении робота имеются ограничения возможных движений, обусловленные максимальными скоростями вращения колес вокруг своих осей, которые имеют следующий вид:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

где ?=

При этом оказывается, что для случая R=? последнее неравенство не выполняется, так как максимум угловой скорости руля колеса обращается в бесконечность. Поэтому вальсирующее движение робота в таком режиме невозможно, а одним из главных его свойств является отношение ?/R. Важной характеристикой вальсирующего движения является поведение функции ?(?) для различных соотношений R и ?. Для случая R<? ?(?) является периодической функцией и ее амплитуда не превышает ?/2 (Рис. 3). В случае R>? функция ?(?) монотонна (Рис. 4), что является критическим фактором, если подвижность рулей колес ограничена.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В этом разделе получена область допустимых движений робота в координатах ? и ? (Рис. 5). Изолинии постоянной скорости движения центра робота в этих координатах - это прямые, выходящие из начала координат, а изолинии максимальной угловой скорости рулевого движения колеса - прямые функции модуля H. Таким образом, в правой области допустимых значений вальсирующее движение реализуемо всегда. В левой же области вальсирующее движение робота ограничено конструктивной особенностью рулей колес.

В третьей главе диссертации описывается решение проблемы сенсорного обеспечения комнатного мобильного робота. На роботе размещены обзорная видеокамера и "конический сенсор". Описываемый в первом разделе этой главы конический сенсор обеспечивает круговой обзор источников света в окружении робота, и состоит из корпуса, конического зеркала и видеокамеры (Рис. 6).

Для работы с данными конического сенсора была принята полярная система координат. Исходя из модели конического сенсора, основанной на законах геометрической оптики, по расстоянию х образа отражаемого объекта от центра изображения при известном параметре h можно определить расстояние до объекта (Рис. 7). Направление на объект совпадает с направлением его образа в осях сцены на ПЗС-матрице видеокамеры сенсора. Функция зависимости расстояния до объекта R(x) от положения х его образа на плоскости ПЗС-матрицы видеокамеры для произвольного угла при вершине конического отражателя ? в этой модели имеет следующей вид:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

.

Анализ этой функции позволяет выделить три области значений угла ? при вершине конического отражателя с различными свойствами преобразования сцены (Рис. 8). Первая область соответствует ???/2. В этом случае поле зрения сенсора расположено выше плоскости основания конического зеркала, а расстояние R(x) уменьшается с ростом расстояния x до его образа.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Второй области соответствует . В этом случае поле зрения сенсора расположено ниже плоскости основания конического отражателя, и расстояние до объекта R увеличивается по мере увеличения расстояния x до его образа.

Последней области соответствует .

В этом случае поле зрение разделяется на две области, одна из которых направлена «вверх», а другая «вниз» от плоскости основания конического отражателя. Причем на плоскости ПЗС-матрицы возникает граница раздела между их проекциями, которая соответствует строго

горизонтальному лучу. Полю зрения «вниз» соответствует область, содержащая центр изображения, а полю зрения «вверх» - расположенная на периферии.

Из полученной формулы следует, что для обеспечения максимального диапазона видимости в горизонтальной плоскости конического сенсора необходимо использовать конические отражатели с углом при вершине ?=?/2 (поле зрения «вверх») или (поле зрения «вниз»). Однако кроме диапазона видимости следует учесть и точность измерения направления на объект, которая зависит от расстояния до его образа - чем больше расстояние х, тем выше точность. Следовательно, для поля зрения вверх по мере приближения к объекту точность определения направления на него будет возрастать, а для поля зрения вниз - уменьшаться. Таким образом, ?=?/2 обеспечивает не только максимальный диапазон видимости, но и максимальную точность направления на объект на малых расстояниях.

В разделах два и три главы описываются алгоритмы обработки сенсорных данных конического сенсора в задачах определения текущего положения робота и требуемого направления его движения. Рассмотрено два метода анализа - с использованием последовательного анализа фотометрических характеристик точек изображения и - с использованием вейвлет-анализа изображения на основе предложенного "ромбического" базиса Хаара.

Цель последовательного алгоритма анализа данных конического сенсора заключается в выделении ярких и контрастных объектов в поле зрения конического сенсора и определении их расположения относительно робота. На первом шаге изображение, полученное от конического сенсора, разделяется на слои в один пиксел, которые образуют множество вложенных окружностей дискретных радиусов. На втором шаге алгоритма, на окружностях выделяются яркие и контрастные дуги, которые объединяются во множество дуг, упорядоченное по углу. На третьем шаге выполняется выделение образов объектов из полученного множества дуг. Каждый объект состоит из некоторого количества дуг, связанных по углу и по радиусу. На четвертом шаге выполняется вычисление положения каждого объекта относительно конического сенсора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В диссертации был разработан специальный метод вейвлет-преобразования для анализа данных конического сенсора.

Разделим круг данных сенсора на N равных секторов (сегмента) и достроим каждый сектор до ромба (Рис. 9). Разделим каждую сторону ромба на 2M равных отрезков. Попарно соединим концы отрезков противоположных сторон друг с другом. Полученное множество ромбов образует покрытие сцены порядка M. Покрытия разного порядка внутри каждого сегмента являются вложенными, а число ромбов в них конечно, что позволяет ввести параметрическое описание каждого сегмента по порядку покрытия M и по порядковому номеру ромба в нем.

Эта параметризация представляет собой новый базис, в котором скалярное произведение было определено через функции, аналогичные функциям Хаара, но построенные на двумерных ромбах.

Разложение картины пиксельных яркостей по этому базису выполняется быстро, и позволяет выделять положение образов объектов требуемой величины.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Далее была исследована проблема определения формы отражателя для всенаправленного сенсора.

Существенным свойством всенаправленных отражателей является неоднородное сжатие окружающей сцены на изображении.

Это приводит к ухудшению точности измерений в некоторых областях поля зрения.

Предложен метод расчета формы образующей отражающей поверхности всенаправленного отражателя с равномерной разрешающей способностью измерения расстояния до объекта в горизонтальной плоскости. Получены явные функции формы образующих отражателей (Рис. 10):

Поле зрения «вниз»:

Поле зрения «вверх»:

Во втором разделе третьей главы описывается алгоритм анализа данных обзорной телевизионной камеры, позволяющий определить в ее поле зрения отсутствие или наличие препятствия движению робота. Работа алгоритма основана на анализе формы гистограммы изображения. При отсутствии препятствий в поле зрения обзорной видеокамеры робота гистограмма ее данных имеет вид близкий к нормальному распределению. Признаком наличия препятствия является возникновение двух выраженных максимумов в гистограмме изображения.

В четвертой главе описывается состав оборудования системы управления, использованный для исследования способов управления движением робота Трикол. Подробно описываются алгоритмы навигации по маякам, построения маршрута движения, счисления пути и использования сенсорных сигналов. Исследуется влияние особенностей стандартных операционных систем MS DOS и MS Windows, как на структуру системы управления, так и на требования, предъявляемые к ее алгоритмам.

В первом разделе главы описана система управления движением колёс робота. Она состоит из четырех контроллеров, каждый из которых оснащен сигнальным процессором Atmega103. Три контроллера осуществляют управление движением колес робота, а четвертый реализует коммуникационные функции между ними и с бортовой ЭВМ.

Раздел 4.1.1. содержит описание построенных режимов управления движением корпуса робота, реализуемых системой управления движением его колёс. Предложенный набор состоит из шести режимов программных движений (поступательное движение в заданном направлении, движение по дуге к цели, вращение вокруг заданной точки и др.), которые позволяет роботу эффективно двигаться в стесненных условиях.

В разделе 4.1.2. описан алгоритм счисления пути. Каждое колесо робота оснащено двумя датчиками - потенциометром на курсовой оси и импульсным датчиком на маршевой. Обработка датчиков колес выполняется контроллерами системы управления движением колёс робота, результаты которой передаются бортовой ЭВМ. Восстановление текущего положения робота производится по осреднённым измерениям скоростей движения колёс на каждом такте опроса датчиков. Было исследовано два алгоритма счисления пути, использующие различные методы аппроксимации траектории. Первый алгоритм аппроксимировал траекторию движения робота линейными отрезками, второй - линейными отрезками и дугами. Наиболее эффективным оказался последний метод, точность которого превысила 0,2% от пройденного пути.

Раздел 4.2 содержит описание организации вычислительных процессов бортовой ЭВМ. Рассмотрены проблемы организации захвата видеоданных в ОС MS-DOS и Windows. Исследована проблема синхронизации процессов в многопроцессорной системе управления робота.

В пятой главе рассматриваются методы и средства верификации алгоритмов управления движением мобильного робота. Необходимость этого вытекает из новизны и высокой сложности разрабатываемых методов управления движением в присутствии сенсорных помех. Опыт разработки системы управления робота Трикол показал, что главной проблемой её верификации является отладка не программ, а алгоритмов преобразования сенсорных данных и принятия поведенческих решений. Такую отладку невозможно осуществить без понимания причин неверной работы алгоритмов управления движением. Для этого понадобилась разработка описываемых в главе специализированных средств.

В первом разделе главы описывается разработанная конструкция специального полигона с навигационными маяками и цифровой системой управления для включения-выключения маяков в ручном и автоматическом режиме. Во втором разделе описана система речевого объяснения состояния робота в каждый момент его движения, что позволяет быстро оценивать ход работы алгоритмов. В третьем разделе описана система радиосвязи с роботом и разработанный в связи с этим специальный протокол обмена данными.

Такая система нужна для передачи в реальном времени на стационарную инструментальную ЭВМ всего богатства телеметрических данных о состоянии систем движущегося робота, а также для осуществления дистанционного управления движением робота.

Наконец, в четвертом разделе приведено описание устройства многофункционального графического интерфейса разработчика системы управления роботом на инструментальной ЭВМ. Разработанные средства позволяют непосредственно в процессе автоматического движения робота отображать текущее состояние систем робота, быстро определять недостатки их функционирования и изменять ключевые параметры используемых алгоритмов, что значительно ускоряет процесс настройки автономной системы управления.

Результаты диссертационной работы

1. Построена теория и изучены кинематические свойства движения трёхколёсного полноприводного мобильного робота без проскальзывания колес. Исследованы характеристики так называемого “вальсирующего” движения робота.

2. Реализована зрительная система мобильного робота с использованием всенаправленного сенсора и обзорной камеры. Разработаны и реализованы алгоритмы анализа видеоданных всенаправленного сенсора для управления движением мобильного робота. Разработан и опробован алгоритм детектирования препятствий движению робота на основании данных обзорной камеры.

3. Исследовано влияние формы конического отражателя на проекцию окружающего пространства на ПЗС-матрицу видеокамеры. Предложен метод расчета формы образующей отражающей поверхности всенаправленного отражателя с равномерной разрешающей способностью измерения расстояния до объекта в горизонтальной плоскости.

4. Разработана многопроцессорная система управления автономного мобильного робота с шестью степенями подвижности. Для этой системы разработаны и реализованы алгоритмы навигационного счисления пути и движения в стесненных условиях.

5. Развиты методы верификации алгоритмов системы управления мобильными роботами во время исполнения программы - система звукового объяснения действий робота, система обмена данными по радиоканалу и интерфейс оператора.

Список публикаций по теме диссертации

1. Богуславский А.А., Сербенюк Н.С., Соколов С.М. СТЗ для навигации подвижного робота по маякам на основе анализа конической проекции окружающего пространства на ТВ-камеру. Препринт ИПМ им М.В.Келдыша РАН №78 за 2001г

2. Богуславский А.А., Сербенюк Н.С., Соколов С.М. Конический сенсор для навигации подвижного робота по маякам. // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 5-6 декабря 2000г.). - М.: Изд-во Института механики МГУ, 2000. 42-56с.

3. Платонов А.К.,. Сербенюк Н.С Зрительная система объезда препятствий // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 21-25 марта 2005г.).Часть 1.: Изд-во Института механики МГУ, 2005г 82-96с.

4. Платонов А.К.,. Сербенюк Н.С, Выявление с помощью ТВ-камеры препятствий движению робота. // Препринт ИПМ им М.В.Келдыша РАН №71 за 2004г

5. Сербенюк Н.С. Вейвлет-преобразование для конического сенсора // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 2-3 декабря 2002г.).-М.: Изд-во Института механики МГУ, 2002г 38-49с.

6. Сербенюк Н. С. Система звукового объяснения мобильного робота Трикол Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 2-3 декабря 2002г.).-М.: Изд-во Института механики МГУ, 2002г 50-55с.

7. Сербенюк Н.С. Система дистанционного управления робота Трикол с использованием радиоканала связи IEEE-802.11b. // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 17-18 ноября 2003г.).-М.: Изд-во Института механики МГУ, 2003г 77-82с.

8. Охоцимский Д.Е., Платонов А.К., Сербенюк Н.С., Ярошевский B.C. Согласование колес робота «Трикол» при «вальсирующем» движении // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 21-25 марта 2005г.) Часть 2. Изд-во Института механики МГУ, 2005г 14-21с.

9. Сербенюк Н.С., Соколов С.М.. Алгоритмы повышения чувствительности конического зрительного сенсора в условиях внешних помех. // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 3-4 декабря 2001г.). - М.: Изд-во Института механики МГУ, 2001г 54-59с.

10. Сербенюк Н.С., Экспериментальное исследование свойств конического сенсора. Мобильные роботы и мехатронные системы: Материалы научной школы-конференции (Москва, 5-6 декабря 2000г.). - М.: Изд-во Института механики МГУ, 2000г 56-65с.

Размещено на Allbest.ru