Исследование алгоритмов управления электроприводами мобильного робота

Реферат

В настоящее время бурно развивается раздел робототехники, занимающийся созданием мобильных роботов.

Робототехника – прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой интенсификации производства. В настоящее время решается довольно большое количество задач, связанных с организацией автоматического перемещения робота, выполнением им некоторых элементарных действий [ 1 ]. Среди различных классов роботов, важным современным классом являются мобильные роботы, размещенные на подвижном основании, которые применяются в промышленности (робокары), экологии (динамический мониторинг окружающей среды, работа в экологически вредных условиях), военном деле (робот-разведчик, робот, несущий легкое вооружение и т.п.), бытовой робот (автономные пылесосы, газонокосилки и т.п.)[2 ].

Однако создать роботов, уверенно перемещающихся даже по ровной поверхности, на которой имеются непреодолимые для них препятствия, является затруднительным по ряду причин, в том числе и из-за несовершенства алгоритмов управления.

1. Актуальность темы

Надежный алгоритм управления движением электроприводов мобильных роботов является основополагающим для успешной работы.

Задачи управления движением мобильных колесных роботов помимо теоретического значения приобретают в последнее время все больше практическое в различных областях техники и технологий. Спектр решаемых задач при этом оказывается очень широким: от игровых задач до специальных задач обеспечения безопасности. Высокие требования к характеристикам движения роботов обуславливают необходимость использования средств математического и компьютерного моделирования на всех этапах синтеза алгоритмов управления [ 3 ]. Поэтому исследования в данной области являются актуальной задачей.

2. Цель и задачи исследования

Целью магистерской работы является исследование возможных алгоритмов управления электроприводами для мобильных роботов.

Основные задачи исследования:

  1. Исследование алгоритмов управления мобильного робота;
  2. Разработка мобильного робота с использованием алгоритмов управления электроприводами;
  3. Выбор микроконтроллера и аппаратной части робота;
  4. Технология быстрого прототипирования;
  5. Реализация математической модели мобильного робота с использованием программного пакета MATLAB;
  6. Использование разработанного мобильного робота в образовательном процессе студентов;
  7. Анализ полученных результатов.

3. Классификация мобильных роботов

Мобильный робот – это робот, который может самостоятельно передвигаться и перемещаться в пространстве.

5 стр., 2062 слов

Робота зі скаргами незадоволених клієнтів

... 21 4. Система роботи зі скаргами у мережі готелів Promus. 22 5. Система обслуговування клієнтів в Microsoft 23 6. ... в базах даних (якщо існують), а проблеми пов'язані зі скаргами, залишаються поза увагою менеджерів по маркетингові та торгового персоналу ... клієнтів. 16 2.4. Технічний бік роботи відділу з роботи з клієнтами.. 17 2.5. Зробити те щоб замовник міг звернутися після того зі своїми скаргою. ...

Одним из основных критериев деления мобильных роботов на классы является способ передвижения:

  1. Колесный способ – наиболее распространенный способ передвижения, который в зависимости от числа используемых колес можно разделить на подклассы. Преимуществом использования малого (от 1 до 2) количества колес может служить простота конструкции и отличная манёвренность, с другой стороны, увеличение числа колес расширяет площадь контакта с поверхностью, что способствует значительному улучшению проходимости.
  2. Гусеничный способ – чаще всего применяется в боевых роботах, так как использование гусениц значительно повышает проходимость на пересечённой местности.
  3. Шагающий способ – использование для передвижения аналоги ног повышает сложность проектирования, вместе с тем современные технологии не позволяют достичь устойчивости, приближенной к человеческой.
  4. Передвижение по воздуху – к нему относятся так называемые БПЛА (беспилотный летательный аппарат), ракеты, а также самолеты и вертолеты, оснащенные автопилотом.
  5. Плавающий способ – использующий для передвижения гребные винты или силы ветра, способные передвигаться над и под водой, к этому способу относятся БППА (беспилотный плавающий аппарат) а также корабли, оснащенные автопилотом [4 ].

4. Анализ алгоритмов управления мобильным роботом

4.1 Мобильный робот определяющий препятствие

Наиболее общими движениями робота являются движения, связанные с обходом объектов, для которых единственное ограничение состоит в том, чтобы робот не столкнулся с объектами в рабочем пространстве. Поэтому при разработке различных задач важно планировать движения мобильного робота с учетом обхода препятствий. В разных областях были предложены различные алгоритмы обхода препятствий. Существуют некоторые алгоритмы, предназначенные для обхода роботом препятствий в трехмерном пространстве.

Алгоритмы можно разделить на несколько классов:

  • Гипотеза – тест;
  • Штрафная функция;
  • Метод скелетирования;
  • Нечеткая логика.

Главное преимущество метода гипотеза – тест заключается в его простоте. Основными вычислительными операциями метода являются определение возможных столкновений и модификация путей для предотвращения столкновений.

Второй класс алгоритмов обхода препятствий основывается на определении штрафной функции для конфигурации мобильного робота, с помощью которой кодируется наличие объектов.

Алгоритмы скелетирования сводят свободное пространство робота к одномерному представлению, для которого задача планирования пути становится проще. Такое представление с меньшим количеством измерений называется скелетом пространства конфигураций.

Нечеткая логическая система производит однозначное преобразование вектора входных сигналов в вектор выходных сигналов. Для этого преобразования используется механизм нечеткого вывода, основанный на знаниях, заложенных экспертом [ 5 ].

Алгоритм определения препятствия реализуется установкой на корпус мобильного робота ультразвукового датчика расстояния HC-SR04 (рисунок 1) при обнаружении препятствия на своем пути робот может объезжать его, и продолжать дальнейшее передвижение или же изменять траекторию своего пути.

7 стр., 3284 слов

Робота з таблицями у Word

... на границях таблиці, то за допомогою клавіш можна вийти з таблиці Якщо натиснenb клавішу < Таb >, коли ... комірках або утримуючи натиснуту клавішу <Shift >, натиснути одну з клавіш управління курсором. Крім того, можна використовувати швидкі клавіші, ... видалення комірок Для того щоб видалити рядки, стовпці чи комірки з таблиці, спочатку варто виділити комірки, а потім виконати команду ...

Датчик определяет расстояние до объектов точно так же, как это делают дельфины и летучие мыши. Ультразвуковой датчик HC-SR04 генерирует звуковые импульсы на частоте 40 кГц и слушает эхо. По времени распространения звуковой волны туда и обратно можно однозначно определить расстояние до объекта. Его можно также использовать в качестве датчика для сигнализации, срабатывающего при приближении объектов.

Характеристики ультразвукового датчика расстояния HC-SR04:

  • Напряжение питания: 5 В;
  • Потребление в режиме тишины: 2 мА;
  • Потребление при работе: 15 мА;
  • Диапазон расстояний: 2–400 см;
  • Эффективный угол наблюдения: 15° ;
  • Рабочий угол наблюдения: 30&deg.

Назначение контактов:

VCC – положительный контакт питания;

GND – отрицательный контакт питания;

TRIG – цифровой вход;

ECHO – цифровой выход.

Принцип работы ультразвукового датчика HC-SR04 (рисунок 2).

На вход Trig датчика подается импульс высокого уровня длительностью 10–15 микросекунд. Датчик отправляет ультразвуковой сигнал chirp из восьми коротких импульсов частотой выше предела диапазона слуха человека. Электроника датчика знает скорость звука в воздухе. Измеряя время между отправленным и принятым ультразвуком, ультразвуковой датчик HC-SR04 формирует выходной сигнал. Спустя примерно микросекунду ультразвуковой датчик HC-SR04 выдает на выходе Echo импульс высокого уровня длительностью до 38 миллисекунд. Если препятствий не обнаружено, то на выходе будет сигнал с длительностью 38 мс. Таким образом, для работы с датчиком от электроники прибора требуется один цифровой управляющий выход и один вход для сигнала датчика. Длина импульса на выходе Echo пропорциональна расстоянию до препятствия.

Стоит отметить, что скорость звука в воздухе зависит от температуры. Этот фактор влияет на точность датчика [ 6 ].

4.2 Мобильный робот, движущийся по линии

Алгоритм контролирует перемещение мобильного робота вдоль черной полосы на светлом фоне (рисунок 3).

Для решения данной задачи можно использовать цифровой датчик линии TCRT5000 (рисунок 4).

Цифровой датчик, позволяет отслеживать движение робота по линии. Датчик различает два цвета: черный и белый (светлый).

Сигнал выдается в виде логического 0 или 1, в зависимости от цвета: 1 – черный, 0 – не черный.

Основной фотоэлемент работает в инфракрасном спектре. Дополнительно на сенсоре установлен светодиод, который загорается когда поверхность под датчиком светлая. Это удобно для диагностики и настройки. Переменный резистор, установленный на сенсоре, позволит регулировать чувствительность сенсора в широких пределах. Это позволяет откалибровать датчик под конструкцию робота, материал покрытия и различные условия внешнего освещения.

Сенсор может быть закреплен на днище мобильной платформы, чтобы заставить робота не выезжать за пределы территории обозначенной контуром, или чтобы он следовал по черной линии.

Этот датчик испускает инфракрасный сигнал и затем ловит отражение этого инфракрасного сигнала от поверхности. Также данный датчик может использоваться как альтернатива датчику Холла, для определения скорости вращения [ 7 ].

11 стр., 5435 слов

Разработка системы управления роботом

... данной выпускной бакалаврской работе является разработка системы управления промышленным роботом. Требуется обеспечить управление двигателем постоянного тока, приводящим робот в движение, с персонального компьютера. Для ... скорость вращения двигателя постоянного тока. – к двигателю будет подключен фотоимпульсный датчик, соединенный с ОВЕН ПЛК 150УL. Программное обеспечение ПЛК будет организовано ...

Характеристики датчика линии TCRT5000:

  • Расстояние до измеряемого объекта: 12 мм;
  • Потребляемый ток: 10 мА;
  • Рабочая длинна волны: 950 мм;
  • Метод зондирования: отражение;
  • Питание: 5 В.

Для оптимальной отработки движения по линии необходимо наличие двух датчиков линии, тогда алгоритм будет следующим:

  • Если оба датчика видят белый цвет – робот передвигается вперед;
  • Если один из датчиков видит белый, а другой черный – робот поворачивается в сторону черного;
  • Если оба датчика видят черный цвет – робот останавливается, либо продолжает свой путь до поиска черной линии [8 ].

4.3 Дистанционное управление мобильным роботом

Помимо возможности доступа в различные локации, роботы должны иметь возможность управляться на расстоянии, т.к. на сегодняшний день не все процессы при функционировании робота возможно автоматизировать. Возросшее число возможностей и функций, выполняемых роботами, превратило устройства управления в сложные и громоздкие наборы рычагов и кнопок, управление которыми требует дополнительных тренировок и навыков.

На смену пультам управления могут прийти более универсальные устройства – смартфоны. В связи с развитием микроэлектроники смартфоны стали одними из самых востребованных устройств в современном мире. Такая популярность приводит к тому, что ежегодно они продаются миллиардными партиями во всём мире, что позволяет говорить о том, что они давно стали заменой мобильным телефонам и имеются почти у каждого человека. Растущий следом рынок мобильных технологий превращает смартфон в универсального помощника для пользователя при взаимодействии с различными физическими устройствами и сервисами в сети Интернет. На основе этого можно сделать вывод, что современные смартфоны, как ничто иное, подходят на роль универсального и многофункционального устройства удаленного управления.

Для дистанционного управления мобильным роботом можно использовать Bluetooth Module HC-05 (рисунок 5) т.к. он является удобным средством для организации управления микроконтроллерными устройствами с помощью телефона или планшета.

Bluetooth – это пожалуй самый распространенный тип связи для коротких дистанций, которым пользуются большинство современных электронных устройств.

Модуль HC-05 – модуль широкого применения для соединения устройств через Bluetooth-подключение. Bluetooth модуль управляется посредством UART, то есть по сути является UART-to-Bluetooth преобразователем.

4.4 Управление мобильными роботами с помощью речевых команд

Разработка системы речевого управления роботом является сложным и трудоемким процессом. Сначала необходимо распознать речевое сообщение, а затем его текст перевести в последовательность команд языка управления роботом и обеспечить их исполнение. Единственным претендующим на полноту критерием правильности понимания команды роботом является выполнение им требуемых действий. Проводить весь процесс отладки системы над живым роботом было бы дорого и неразумно. Поэтому при создании системы речевого управления роботом для упрощения процесса разработки и его ускорения, а также повышения качества всех компонентов системы имеет смысл использовать не робота, овеществленного в металле , а его программную модель или симулятор. Основным требованием к такому симулятору является точное выполнение команд, подаваемых роботу. Оно может состоять, например, в изменении положения объектов на экране монитора или выдаче речевых сообщений, как бы исходящих от самого робота. Использование симулятора позволяет лучше и точнее подобрать и отладить систему команд управления роботом. Заказчик уже на начальных этапах работы может судить по модели робота о его возможностях и вносить желаемые коррективы. Кроме того, использование симулятора робота позволяет более тонко настроить систему речевого управления, облегчает и ускоряет разработку и отладку лингвистического процессора [9 ].

5 стр., 2406 слов

Разработка программы управления роботом-сапером

... не способны выполнять операции в автономном режиме. Только немногие роботы имеют способность выполнять поставленные перед ним ... - легкий робот, которого может переносить человек на себя, для разведки в различных условиях. Сейчас, в основном все боевые роботизированные средства нуждаются в управлении человека, они ...

В целом, за последние пять лет удалось достичь значительного прогресса в решении задачи компьютерного распознавания речи, а лидерами в данной области являются разработки Google Speech от Google и Siri от Apple. Эти технологии основываются на статистических моделях: комбинациях Скрытых марковских моделей (СММ) и нейронных сетей. На этапе предобработки речевого сигнала используются, в основном, кепстральные коэффициенты на шкале мел (MFCC), позволяющие компактно описать спектр сигнала. Однако недостатком указанных программных решений является то, что они требуют связи с интернетом и доступа к большим коллекциям речевых данных для обучения. Кроме того, мобильным роботам необходимо учитывать специфический шум от собственного движения [ 10 ].

5. Выбор микроконтроллера

Пожалуй, именно выбор микроконтроллера является одним из самых важных решений, от которых зависит успех или провал задуманного проекта. При выборе микроконтроллера необходимо учесть и оценить большое количество факторов.

32-разрядные микроконтроллеры выпускаются многими производителями, но наиболее широкое распространение, на текущий момент, получил продукт совместной франко-итальяно-японской фирмы STMicroelectronics (STM).

Достаточно низкая стоимость, удобство программирования и наличие бесплатного программного обеспечения (ПО) способствовали его продвижению. Наиболее производительными в семействе STM32 являются микроконтроллеры линейки STM32F4Discovery (рисунок 6).

Основанные на ARM Cortex-M4 микроконтроллеры серии STM32F4 являются продолжением ведущей линейки STM32, обладая еще более высокой производительностью.

Обязательным атрибутом отладочных плат сегодня является большое число контактов, которые позволяют получить доступ практически ко всем портам микроконтроллера, а также интерфейсы в виде светодиодов и кнопок. Также во многие отладочные платы встраивается программатор, который позволяет программировать внешние микросхемы.

Основные характеристики STM32F4Discovery:

  • 32-битный микроконтроллер STM32F407VGT6 с ядром ARM Cortex-M4F с 1 Мб памяти программ и 193 Кб ОЗУ в 100-выводном корпусе LQFP100 с тактовой частотой 168 МГц. Встроенные операции с плавающей точкой (FPU);
  • Встроенный программатор/отладчик ST-LINK/V2 с возможностью выбора режима работы (позволяет программировать внешние микросхемы, используя SWD-коннектор для программирования и отладки);
  • Питание платы: через шину USB или от внешнего 5В источника питания;
  • 3-х осевой МЭМС акселерометр на базе микросхемы LIS302DL или LIS3DSH от компании ST;
  • Аудио ЦАП CS43L22 со встроенным усилителем класса D;
  • Две кнопки (Reset и User);
  • USB OTG с разъемом micro-AB;
  • Восемь светодиодов: LD1 (красный/зеленый) для индикации активности шины USB, LD2 (красный) для питания 3.3В, 4 пользовательских диода: LD3 (оранжевый), LD4 (зеленый), LD5 (красный) и LD6 (синий), 2 диода USB OTG: LD7 (зеленый) для VBus и LD8 (красный) при перегрузке.

Большим плюсом является наличие в микроконтроллере модуля для работы с числами с плавающей точкой, что увеличивает скорость обработки в приложениях, связанных, например со спектральным анализом или же в БПЛА для алгоритмов ориентации [ 11 ].

3 стр., 1482 слов

Изготовление деталей способом быстрого прототипирования

... деталей способом быстрого прототипирования Стереолитография является самым первым и наиболее распространенным методом прототипирования, во многом благодаря достаточно низкой стоимости прототипа. Принцип метода состоит ... фазового состояния вещества в заданной области пространства. Сущность процесса быстрого прототипирования и применяемое оборудование Некоторые из установок БП называют трёхмерными ...

Данный микроконтроллер обладает всеми необходимыми компонентами и характеристиками для решения поставленных задач, также данная плата поддерживает совместимость с программным пакетом Matlab.

6. Технологии быстрого прототипирования

На стадии проектирования изделий массового потребления (от автомашин до упаковки) разработчики сталкиваются с необходимостью визуальной оценки их внешнего вида, правильности конфигураций, собираемости с комплектующими деталями, оценкой возможности сбыта и прочими вопросами. Ответы на них требуют наличия реальной модели (прототипа) изделия, максимально приближенной к своей компьютерной разработке.

Традиционные способы изготовления моделей трудоемки, обладают низкой точностью и плохой повторяемостью при воспроизведении. Однако современное производство владеет технологиями быстрого прототипирования – RP (Rapid Prototyping) – а значит, эффективными методами и оборудованием для изготовления не только прототипов (единичных изделий), но и опытных партий, особенно если это касается изделий из пластмассы.

Как правило, технология быстрого создания прототипов состоит из двух основных этапов:

  • получение математической 3-мерной (3D) модели изделия;
  • изготовление прототипа изделия одним из методов.

Модели изделия в 3D формате могут быть построены с использованием системы автоматизированного проектирования (CAD) или введены в персональный компьютер (ПК) с оригинала при помощи объемного сканера. После сканирования модель должна быть обработана с помощью какой-либо программы, чтобы получить законченный вид. Далее она посылается по двум направлениям: в систему подготовки управляющих программ (УП) (например, в систему Power MILL) и на прототипирование (при необходимости).

Работы первого направления завершаются подготовкой УП для оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), а для прототипирования 3D модель должна быть обработана.

Технологии быстрого прототипирования относят к методам, основывающимся на добавлении материала (в отличие от классической механообработки).

Их принято подразделять по типу расходных материалов на жидкие, порошкообразные и листовые твердотельные.

Процессы с жидкими расходными материалами подразделяются в свою очередь на процессы отвердения посредством контакта с лазером, отвердения электро-заряженных жидкостей или отвердения предварительно расплавленного материала.

6 стр., 2820 слов

Охотничье-промысловые ресурсы России

... виды животных. Интенсивное хозяйственное освоение ресурсов тайги приобрело массовый браконьерский характер[12]. Глава 3. Проблема сокращения охотничье - промысловых ресурсов ... является лимитируемым ресурсом, так как характеризуется предельным режимом эксплуатации. В настоящее время специалисты охотничьего хозяйства Республики отмечает усиление пресса охоты на охотничьи ...

Процессы с порошкообразными материалами осуществляют скрепление частиц под воздействием лазера или выборочного нанесения связующих компонентов.

Процессы с твердотельными листовыми материалами могут быть классифицированы по способу их соединения: лазером либо слоем адгезива.

Наиболее используемые технологии быстрого прототипирования:

  • стереолитография – StereoLithography (SLA);
  • отверждение на твердом основании – Solid Ground Curing (SGC);
  • нанесение термопластов – Fused Deposition Modelig (FDM);
  • распыление термопластов – Ballistic Particle Manufacturing (BPM);
  • лазерное спекание порошков – Selective Laser Sintering (SLS);
  • моделирование при помощи склейки – Laminated Object Modeling (LOM).

Каждая из RP технологий основана на определенном методе создания прототипа, имеет свои особенности и обладает определенными преимуществами и недостатками при решении конкретных задач [ 12 ].

Тематика разработки мобильных роботов была начата еще в бакалавриате. Видео-обзор на бакалаврскую работу представлен ниже:

На момент написания данного реферата магистерская работа еще не завершена. Ориентировочная дата завершения магистерской работы: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/mobilnyie-robotyi/

  1. Робототехника // Википедия, статья [Электронный ресурс] – Режим доступа: ru.wikipedia.org , свободный.
  2. Звонарев Д.А. Управление мобильным роботом с электрическим двигателем / Д.А. Звонарев // Известия Тульского государственного университета. – 2011. – c. 368 – 372.
  3. Бурдаков С.Ф. Алгоритмы управления движением мобильного робота в задаче преследования / С.Ф. Бурдаков, П.А. Сизов // Журнал Научно-технические ведомости СПбГПУ . – 2014. – c. 49 – 58.
  4. Колпаков С. Г., Мячиков А. Д. Классификация роботов по использованию, передвижению и компонентам // Молодой ученый. – 2017. – №3. – c. 241 – 244.
  5. Васюк А.О. Планирование пути автономного робота в изменяющейся окружающей среде / А.О. Васюк, Р.М Бабаков // VI міжнародна науково-практична конференція молодих учених Сучасна інформаційна Україна: інформатика, економіка, філософія . – Донецьк, ДонНТУ – 2012. – с. 267 – 271.
  6. Ультразвуковые датчики [Электронный ресурс] – Режим доступа: HC-SR04 , свободный.
  7. Инфракрасный датчик TCRT5000 работающий на принципе отражения света [Электронный ресурс] – Режим доступа: tcrt5000 , свободный.
  8. Движение по линии с двумя датчиками [Электронный ресурс] – Режим доступа: studrobots.ru , свободный.
  9. Загорулько Ю.А. Моделирование робота, управляемого речевыми сигналами / Ю.А. Загорулько // Журнал Известия Томского политехнического университета . – 2011. – c. 98 – 102.
  10. Шарий Т.В. Голосовое управление мобильным роботом на основе когнитивной модели FCAS / Т.В. Шарий // Штучний інтелект – 2014. – c. 75 – 84.
  11. Отладочная плата STM32F4 Discovery [Электронный ресурс] – Режим доступа: robotosha.ru , свободный.
  12. Технологии быстрого прототипирования [Электронный ресурс] – Режим доступа: stanko-arena.ru , свободный.