Система навигации мобильного робота в помещении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Система навигации мобильного робота в помещении

А.С. Бритенков1, А.В. Лачихин2

1,2 Калужский филиал МГТУ им. Баумана, г. Калуга 248000, Россия

Одной из актуальных задач робототехники является задача навигации робота в пространстве, т.е. анализ ситуации и выбор маршрута самим роботом без участия человека.

К настоящему времени успешно решены задачи глобальной навигации, но ее использование становится проблематичным, когда нужно чтобы робот ориентировался внутри помещений. Вообще, работа внутри закрытых помещений характеризуется множеством самых разнообразных помех, начиная от неравномерности освещения и заканчивая проблемами отражения радиосигналов либо, напротив, затруднениями при реализации каналов связи. В таком случае среда считается плохо обусловленной, с ненадежными каналами связи, с принципиальной неточностью и неопределенностью. Тогда очевидной становится необходимость исследования способов ориентирования, способных работать в сильно зашумленной среде.

Алгоритм навигации мобильного робота представляет собой последовательность операций, при которых перемещение устройства на местности обусловливается анализом пространственной информации.

Навигация и позиционирование внутри помещения представляет собой отдельную, достаточно сложную задачу. Методика позиционирования внутри помещений опирается на использование сигналов Wi-Fi, сетей сотовой связи, Bluetooth, RFID и других технологий. Такие системы предназначены для использования людьми. Для автономного мобильного робота перспективным является использование таких систем как: система компьютерного зрения, система ультразвуковых датчиков, системы навигации мобильного робота по трем маякам и система лазерных сканирующих дальномеров [1].

Система ультразвуковых датчиков. Система датчиков осуществляет излучение и прием в ультразвуковом диапазоне частот радиотехнических сигналов, параметрические 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.

Информационно-измерительная система навигации автономного мобильного робота строится по принципу многоканальной информационной системы сбора и обработки информации. Система датчиков располагается по периметру несущей конструкции. Для определенности платформа робота выбрана круглой формы, датчики однотипные. Датчики на платформе располагаются по окружности платформы на равноудаленном расстоянии друг от друга.

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. Принцип работы информационно-измерительной системы автономного мобильного робота целесообразно рассмотреть на основе анализа функциональной схемы. Датчики Д1-ДN реализуют функцию излучения и приема радиосигналов ультразвукового диапазона. УВХ (устройство выборки и хранения) 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 (аналого-цифровой преобразователь). 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[4].

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.

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. навигация мобильный робот

Система навигации мобильного робота по трем маякам. Система навигации состоит собственно из мобильного робота и комплекса маяков. За каждым маяком жестко закреплен его номер. Чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала от маяков к ИК-приемнику, используется система кодирования канала. Для увеличения вероятности безошибочного распознавания сигнала на приемной стороне в условиях зашумленной среды используется метод перехода к широкополосному сигналу, добавляя избыточность в исходный сигнал. Для этого вместо одного передаваемого информационного бита надо передавать определенный код (последовательность так называемых чипов) [2].

Приемник ИК - сигнала располагается на роботе, на оси шагового двигателя, который вращает приемник вокруг своей оси. Вращающийся приемник позволяет роботу определить углы б1, б2, б3 на маяки относительно своей оси. Учитывая, что координаты маяков известны роботу заранее, полученная информация позволяет рассчитать координаты робота и вычислить угол бр - угол между направлением робота и системой координат.

Система лазерных сканирующих дальномеров. Система навигации состоит собственно из мобильного робота и комплекса датчиков. Данные сканеров предварительно обрабатываются и фильтруются. Предварительная обработка проводится драйвером сканера, который создает массив действительных чисел - расстояний (в сантиметрах)от сканера до поверхности препятствий, находящихся в области видимостисканера. Массив получаемых расстояний упорядочен в порядке возрастанияугла сканирования, который меняется от -120о до +120о с шагом 0,35о. Всего в массиве 683 измерения [4]. Максимальная дальность измерений (границавидимости сканера) составляет 560 см. Из-за шумов измерений дальностей получаемые данные фильтруются медианным фильтром. Это эффективная процедура обработки данных, уничтожающая подавляющее большинство импульсных помех. В результате предварительной обработки и фильтрации исходных данных формируется массив точек, который представляет образ поверхностей препятствий, окружающих робота.

Система компьютерного зрения. В системе зрения используются вебкамеры, установленные непосредственно на мобильном роботе. Камера включает проектор, излучающий свет в ИК(инфракрасном)-диапазоне в виде псевдослучайного узора, и специально откалиброванный монохромный CMOS сенсор, снимающий полученную картину, а также цветную RGB камеру и микрофонную решетку. ИК-камера используется для получения данных о расстоянии, а RGB-камера находит применение для телеуправления роботом. Расстояние определяется по искажению известного излучаемого узора на полученной картине. Расчет расстояния происходит на встроенном в камеру контроллере. В то же время трехмерный массив точек представляет собой начальные данные, над которыми должны выполняться преобразования, необходимые, например, при распознавании. Для обеспечения выполнения задачи навигации в приемлемое время данные, полученные с камеры структурированного света, должны быть предварительно отфильтрованы для уменьшения количества точек в них без потери информации о препятствиях. Обработка изображений для идентификации препятствий предлагается следующий порядок базовых операций: удаление лишних точек, подавление шумов, уменьшение плотности облака, выделение главных плоскостей, построение дескрипторов облаков точек, классификация объектов, оценка расстояния до объекта. Для обработки изображений использовались библиотеки с открытым кодом: библиотека для решения типичных робототехнических задач ROS GroovyGalapagos и библиотека для работы с облаками точек PCL[5].

Заключение. 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: планирование траекторий, обход препятствий, выявляемых при движении, проникновение в труднодоступные зоны и т.д.

В данной работе были изучены: основные системы навигации мобильных роботов в помещении, их достоинства и недостатки.

Список литературы

[1] Абрамов, А.Ю. Разработка алгоритма определения расстояния по данным со стереокамер / А.Ю. Абрамов, В.Н.Скакунов, В.О. Лесных // Инновационные информационные технологии : матер. междунар. науч -практ. конф., г. Прага, Чехия, 22-26 апр. 2013 г. В 4 т. Т. 3 / МИЭМ НИУ ВШЭ [и др.]. - М., 2013.

[2] Бобровский, С.Н. Навигация мобильных роботов [Текст] / С.Н. Гончаров// Журн. PC Week. - 2004. - №9.

[3] Нариньяни А.С., Телерман В.В., Ушаков Д.М., Швецов И.Е. Программирование в ограничениях и недоопределенные модели //Информационные технологии №7, 1998. М., Издательство “Машиностроение”.

[4] Невдяев Л. «CDMA: сигналы и их свойства», 2000.

[5] Палагин В.А. Техническое задание на перспективную разработку мобильного робота для использования в чрезвычайных ситуациях [Текст] / Разработка СКБ «Робототехника и мехаторника» ХНУРЕ - Харьков, 2008.

Размещено на Allbest.ru