Автономная навигация роботизированных систем с использованием датчиков измерения расстояния

Размещено на http://www.allbest.ru/

____________________________

*Научный руководитель д.т.н доц. И.О. Жаринов

1

УДК.004.896

ФГУП ОКБ “Электроавтоматика” им. П.А. Ефимова”

Автономная навигация роботизированных систем с использованием датчиков измерения расстояния

М.О. КОСТИШИН

Рассматривается задача автономного управления мобильным роботом на основе единичного и серии ультразвуковых датчиков измерения расстояния. Приводится структурная схема многоканальной системы навигации автономного мобильного робота. Рассматривается принцип построения информационно-измерительной системы навигации робота. Приводится зависимость размера и площади «слепой зоны» информационно-измерительной системы робота от числа измерительных датчиков и геометрических размеров робота.

Исследование возможностей и границ применимости робототехнических систем в настоящее время является одним из наиболее динамично развивающихся направлений научной деятельности человечества. Робототехнические системы применяются в медицинском приборостроении, в промышленности, в космической технике, в бытовой технике [1] и т.д.

Отдельный класс робототехнических систем составляют автономные мобильные устройства. Основное назначение мобильных устройств связано с решением различных задач в условиях, при которых функционирование устройств осуществляется автономно, т.е. без участия человека-оператора. Применение таких устройств осуществляется при чрезвычайных ситуациях для анализа экологической обстановки в зонах химико-биологического или радиационного загрязнения, при разборе завалов после землетрясений, для формирования рельефа местности после селевых сходов и оползней в зонах бедствия и т.д.

Алгоритм навигации мобильного устройства [2] представляет собой последовательность операций, при которых перемещение устройства на местности обусловливается анализом пространственной информации, полученной от информационно-измерительной системы. Информационно-измерительная система представляет собой совокупность ультразвуковых датчиков (одного или нескольких) и программно управляемого устройства обработки, физически расположенных на несущей конструкции мобильного устройства.

Система датчиков осуществляет излучение и прием в ультразвуковом диапазоне частот радиотехнических сигналов, параметрически характеризующих геопространственный рельеф окружающей местности, в которой осуществляется навигация. Устройство обработки реализует функцию пространственного дальномера путем анализа временных промежутков задержки между моментами излучения и приема зондирующих сигналов от системы датчиков.

Основной задачей, возникающей в процессе проектирования информационно-измерительной системы мобильного устройства, является задача выбора числа датчиков и мест их размещения на платформе с целью минимизации критерия Sсл.з.(D, Nд) > min, где Sсл.з - площадь «слепой зоны» (рабочая область вокруг робота, которая не охвачена секторами диаграмм направленности излучения/приема ультразвуковых датчиков), D - диаметр платформы, Nд - количество датчиков.

Роботехническая система с единичным ультразвуковым датчиком

Для организации автономного движения мобильного робота предлагается принцип, основанный на анализе результатов измерений единичного ультразвукового датчика расстояний от робота (датчика) до впередистоящего препятствия как в статическом положении, так и в процессе движения робота. На рисунке 1 представлен мобильный робот “СМАРТБОТ”, управлением роботом осуществляется микроконтроллером Atmega-2560. Управления двигателями колесной базы реализовано на основе 4-х двигателей постоянного тока. Круговое движение ультразвукового датчика осуществляется сервоприводом FS5106B. В качестве датчика измерения расстояния использовался ультразвуковой датчик ParallaxPing.

Управление роботом осуществляется следующим образом. Операторы 1-2 производят анализ состояния включения робота (готовность к работе). Операторы 3-4 выполняют функцию начальной предустановки колесной базы робота и ультразвукового датчика (дальномера), размещенного на платформе робота. Оператор 5 определяет условие возможности движения робота в зависимости от наличия препятствия в направлении движения -- направлении излучения и приема датчиком зондирующих импульсов. Операторы 6-10 управляют положением датчика в горизонтальной плоскости и определяют наличие препятствия слева и cправа от робототехнической системы. Направление зондирования может изменяться вращательными движениями датчика по или против часовой стрелки в диапазоне 360є.

Рис. 1 - Мобильный робот “СМАРТБОТ”

Операторы 12-14 реализуют движение робота и повороты колесной базы для изменения направления движения робота с целью обхода препятствий.

Наличие препятствия в направлении движения робота определяется по времени прихода отраженного радиоимпульса, излученного и принятого датчиком в ультразвуковом диапазоне частот. Расчет дальности осуществляется по формуле x=ct/2, где t - время прихода отраженного радиоимпульса с момента излучения, с - скорость распространения ультразвуковой волны в воздушном пространстве, c=340 м/с. Для получения панорамного снимка может использоваться круговая система датчиков.

Расчет дальности производится в операторах 12-14 алгоритма. Для определенности возможность движения робота в направлении зондирования связана с минимально допустимым расстоянием minSafeDist=30 см от робота до препятствия. В случае, если X>minSafeDist, движение робота осуществляется в направлении проведенного измерения, в противном случае осуществляется вращение ультразвукового датчика в горизонтальной плоскости, измерение дальности и определение направления беспрепятственного движения с разворотом колесной базы. При отсутствии беспрепятственных направлений движения осуществляется остановка робота. В частном случае возможно движение назад.

Алгоритм работы мобильного робота представлен на рисунке 2.

Рис. 2 - Блок-схема алгоритма автономного управления робототехнической системой

Принцип построения информационно-измерительной системы навигации автономного мобильного робота с n-числом датчиков

Информационно-измерительная система навигации автономного мобильного робота строится по принципу многоканальной информационной системы сбора и обработки информации.

Система датчиков располагается по периметру несущей конструкции (платформы) робота как показано на рисунке.3. Для определенности платформа робота выбрана круглой формы, датчики однотипные. Датчики на платформе располагаются по окружности платформы на равноудаленном расстоянии друг от друга. мобильный робот ультразвуковой датчик

Каждый элементарный датчик, установленный на платформе робота, является независимым излучателем и приемником радиосигналов, обладающим некоторой диаграммой направленности. Как правило, диаграмма направленности датчика имеет форму сектора. Моменты излучения датчиками радиосигналов определяются устройством обработки, синхронизирующим работу системы навигации в целом.

Рис. 3 - Схема расположения датчиков на платформе

Принцип работы информационно-измерительной системы автономного мобильного робота целесообразно рассмотреть на основе анализа функциональной схемы, представленной на рисунке 4. Датчики Д1-ДN реализуют функцию излучения и приема радиосигналов ультразвукового диапазона. УВХ обеспечивает функцию памяти измерительной системы -- запоминает уровень аналогового сигнала от датчиков Д1-ДN. Аналоговый мультиплексор по синхронизирующим сигналам от микроконтроллера коммутирует уровни напряжения от УВХ на АЦП. АЦП осуществляет преобразование аналогового напряжения УВХ в цифровой код, передаваемый по шине данных в микроконтроллер. На основе анализа поступающих данных микроконтроллер вырабатывает управляющие сигналы на привод колесной базы робота, что приводит к движению робота.

Рис.4 - Функциональная схема информационно-измерительной системы автономного мобильного робота (Д - датчик, УВХ - устройство выборки и хранения, АЦП - аналого-цифровой преобразователь).

Очевидно, что чем меньше диаметр платформы робота, тем меньшее число датчиков может быть на ней установлено. Таким образом, для решения задачи выбора числа датчиков и мест их размещения на платформе робота с целью минимизации областей «слепых зон» с учетом геометрических размеров робота, скорости движения робота и производительности устройства обработки целесообразно использовать геометрическую модель исследования конструкции робота, представленную на рисунке 3.

Исходными данными для геометрической модели исследования являются:

- диаметр D платформы мобильного робота;

- угол сектора диаграммы направленности на излучение/прием датчика;

- геометрические размеры датчика;

- минимальное расстояние и максимальное расстояние работы каждого датчика.

Решение задачи выбора числа датчиков и мест их размещения на платформе автономного мобильного робота

Решение задачи выбора числа датчиков и мест их размещения на платформе автономного мобильного робота проводилось на экспериментальном макете робототехнической системы “СМАРТБОТ-2” методом полунатурного моделирования рисунок 5.

Рис.5 - Мобильный робот “CМАРТБОТ-2”

Программирование алгоритмов обработки навигационной информации, получаемой от системы ультразвуковых датчиков, выполнено на языке С. Управление роботом осуществлялось микроконтроллером Atmega-2560.

В качестве датчиков окружающей обстановки использовались ультразвуковые датчики Parallax Ping. Датчики Parallax Ping обладают следующими техническими характеристиками:

- угол сектора диаграммы направленности на излучение/прием 40, диаграмма направленности секторной формы;

- минимальное (20 мм) и максимальное (R1-3000 мм) расстояние работы датчиков.

Диаметр платформы робота в геометрической модели поочередно выбирался равным 300 мм, 400 мм, 500 мм, 600 мм.

Моделирование геометрической модели осуществлялось в среде AutoCAD. Геометрические размеры датчика определены в его технической документации. Площадь «слепой зоны» вокруг робота равна см. рисунок 3.

,

где SсегмBAK - площадь одного сегмента «слепой зоны», Nсегм - общее количество сегментов «слепой зоны», R3 - радиус окружности для технической составляющей «слепой зоны», определяемой чувствительностью датчика, R4 - радиус окружности платформы робота (D=2R4).

В результате моделирования геометрической модели получено семейство зависимостей см. рисунок.6, 7 параметров «слепой зоны», образуемой системой датчиков вокруг робота, от количества датчиков, установленных на платформе, для различных значений диаметров платформы D.

Рис. 6 - Семейство зависимостей длины «слепой зоны» вокруг робота от количества датчиков, установленных на платформе

Рис. 7 - Семейство зависимостей площади «слепой зоны» вокруг робота от количества датчиков, установленных на платформе.

Из анализа рисунка 6 и 7 следует, что значения параметров «слепой зоны» вокруг робота резко снижаются, начиная с Nд>14, и незначительно зависят от диаметра платформы. Гиперболический характер зависимостей объясняется покрытием окружающего пространства вокруг робота секторной диаграммой направленности датчиков излучения/приема. При достижении Nд=20 на всех представленных диаметрах платформы параметры «слепой зоны» принимают допустимые для практического использования значения и дальнейшее увеличение числа датчиков не целесообразно (приводит к существенному увеличению времени обработки навигационной информации в информационно-управляющей системе и дополнительно удорожает конструкцию мобильного роботизированного устройства).

Заключение

В данной работе было разработано два автономных мобильных робота, работающих с одним и серией ультразвуковых датчиков. Использование одного датчика показало, что система менее эффективна, так как приходится выполнять большее количество операций по сравнению с роботом оборудованным по периметру n-числом датчиков. Такой робот непрерывно движется производя замеры расстояния, в случаи минимально допустимого расстояния на пути следования, робот объезжает объект без необходимости производить дополнительные действия как в случае с роботом, оборудованным одним датчиком.

В результате проведенного моделирования и экспериментов предложен принцип построения многоканальной системы автономной навигации мобильного робота и обоснован выбор технических решений при определении значений параметров конструкции робота.

Полученные семейства зависимостей показывают, что асимптотическое приближение параметров «слепой зоны» к константам при увеличении Nд имеет место за счет наличия технической составляющей «слепой зоны», обусловленной пороговыми значениями чувствительности датчиков и соответственно минимально допустимыми значениями рабочего расстояния датчиков. Таким образом, техническая составляющая «слепой зоны» определяет потенциально достижимые значения параметров «слепой зоны» вокруг мобильного устройства.

Литература

1. Бобцов А.А., Боргуль А.С., Зименко К.А., Пыркин А.А. Алгоритм управления автономным двухколесным мобильным роботом «Мотобот» // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2011, №5, с 63 - 69.

2. Костишин М.О., Жаринов И.О., Суслов В.Д. Автономная навигация мобильного робота на основе ультразвукового датчика измерения расстояния // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, №2.

Размещено на Allbest.ru