Математическое и программное обеспечение задач навигации и управления движением автономных колесных роботов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.01 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Конструкции мобильных роботов МЭИ.

1.1. Робот с рулевым колесом.

1.1.1. Описание конструкции робота Р1.

1.1.2. Бортовая программа управления роботом Р1.

1.2. Робот с двумя приводными колесами.

1.2.1. Описание конструкции робота Р2.

1.2.3. Бортовая программа управления Р2.

1.3. Уравнения движения мобильных колесных роботов.

1.3.1. Уравнения движения робота Р1.

1.3.2. Уравнения движения робота Р2.

1.4. Технические характеристики роботов.

1.5. Выводы.

Глава 2. Инерционный разгон двускатной тележки.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Точное интегрирование уравнений свободного движения робота.

2.3. Инерционный разгон.

2.4. Оценка реализуемости неголономных связей.

2.5. Моделирование движения робота.

2.6. Выводы.

Глава 3. Навигация мобильного робота по маякам.

3.1. Постановка задачи и обзор возможных решений.

3.2. Построение карты местности.

3.3. Компьютерное моделирование построения карты местности.

3.4. Планирование траектории движения.

3.5. Движение вдоль спланированной траектории.

3.6. Выводы.

Глава 4. Прикладные задачи создания мобильных роботов.

4.1. Компьютерное моделирование поведения мобильного робота в заданных условиях.

4.1.1. Предпосылки к использованию методов компьютерного моделирования.

4.1.2. Описание программы компьютерного моделирования.

4.2. Использование волоконнооптического гироскопа для решения задачи навигации.

4.2.1. Обзор предлагаемых решений.

4.2.2. Использование ВОТ в системе навигации мобильного робота.

4.2.3. Калибровка БОГ и алгоритмы навигации.

4.2.4. Экспериментальные данные и выводы.

4.3. Выводы.

Робототехника является одним из ключевых направлений научно-технического прогресса, а область применения робототехнических систем постоянно расширяется. В первую очередь это связано с появлением высокоинтегрированных электронных схем, массовостью их выпуска и доступной ценой. То, что раньше требовало больших усилий в разработке, отладке и сопровождении, сейчас доступно в виде функционально законченных устройств - микропроцессоров, микроконтроллеров, датчиков. Аналогичная ситуация складывается и с программным обеспечением - существует множество коммерческого и свободного программного обеспечения, на базе которого может быть создано программное обеспечение систем управления движением и моделирования поведения роботов.

Во-вторых, это обусловлено появлением доступных персональных компьютеров, обладающих большой вычислительной мощностью. Для моделирования электронных и механических систем уже не требуется использовать громоздкие вычислительные центры. Наличие общедоступного средства связи в виде глобальной компьютерной сети Интернет позволяет стереть границы при общении ученых из разных научно-исследовательских коллективов друг с другом.

В-третьих, существует мощный стимул для развития данного направления науки и техники, связанный с острой необходимостью в наличии дешевой, надежной и неприхотливой рабочей силы, способной заменить человека при выполнении тяжелой, ответственной или опасной работы. Такое направление можно назвать классическим, однако, следует заметить, что в последнее время большое внимание стало уделяться не только специализированным роботам, но и автономным многофункциональным аппаратам для бытовой сферы и сферы обслуживания. Так, роботы уже используются в качестве интеллектуальных систем для наблюдения за домом в отсутствии хозяина и управления бытовыми приборами (см. рис. 1) или, например, в качестве больничного персонала, способного развозить лекарства больным и выступать в качестве мобильного диагностического центра (см. рис. 2).

Рис. 1. Домашний робот Mitsubishi. Рис.2. Медицинский робот Matsushita.

Все это приводит к тому, что все большее число научных коллективов со всего мира начинают заниматься разработками в области робототехники и мехатроники.

Японская ассоциация робототехники, объединяющая производителей и разработчиков в области робототехники, рассчитывает, что к 2010 г. объем продаж промышленных и домашних роботов достигнет 1,5 трлн. иен (22,61 млрд. долл.). В последние несколько лет объем рынка находился на уровне 500 млрд. иен. Именно Япония добилась наибольших успехов в области коммерческого роботостроения. В этой стране интеллектуальные машины уже используются в качестве сторожей на складах, раздатчиков подносов с едой в больницах и курьеров в офисах. По оценкам Японской ассоциации робототехники, в 2002 г. будет произведено около 11 тыс. служебных роботов, 65% которых будет предназначено для больниц и домов престарелых. Ассоциация прогнозирует, что к 2005 г. только объем японского рынка роботов для ухода за больными достигнет 250 млн. долл., а к 2010 г. вырастет до 1 млрд. долл. Ожидается, что в ближайшие 10 лет в развитых странах домашние роботы станут таким же обычным явлением, как персональные компьютеры и сотовые телефоны. Если же верить прогнозу Экономической комиссии ООН, то к 2005 г. число роботов в мире вплотную приблизится к миллиону, и каждый год их будет становиться на 7,5% больше.

Из всего вышесказанного вытекает, что развитие робототехники связано не только с академическим интересом в тех или иных научных областях, но и с чисто экономическими соображениями, что, несомненно, только ускорит развитие технологий в этой области и позволит сформироваться выделенному высокотехнологичному сектору экономики.

Заметим, что мобильные автономные роботы занимают во всем нынешнем многообразии устройств, причисляемых к роботам, отдельную самодостаточную нишу. Так, например, промышленные роботы, используемые в заводских цехах на операциях сборки, покраски, обработки деталей, используются уже достаточно давно. Для таких роботов, фактически представляющие собой неадаптивные автоматы с жесткой программой действий, существующие теоретические и практические результаты делают задачу проектирования подобных устройств чисто технической [6,12,45,49,59,68]. Мобильные роботы только в последнее время стали получать широкое распространение, поэтому в этой области много проблем в разработке стандартных подходов к созданию конструкции. Однако, для всех мобильных автономных роботов свойственны следующие признаки:

• бортовой вычислитель с программой управления, отвечающей за поведение робота и выполнение поставленных задач;

• автономная система энергообеспечения;

• привод, отвечающий за движение робота в пространстве в заданной среде (средах);

• набор исполнительных механизмов;

• набор датчиков, обеспечивающих автономность робота в принятии решений (система очувствления);

• интерфейс для общения с оператором (пульт управления, пульт отображения информации о состоянии системы и т.п.), который может быть удаленным при использовании беспроводных средств связи. Другими словами, автономный мобильный робот - устройство, способное перемещаться в некоторой части пространства и самостоятельно выполнять поставленные задачи в течение некоторого промежутка времени независимо от оператора в недетерминированных условиях. До недавнего времени к таким объектам относили только космические автоматические станции (спутники, аппараты для исследования планет Солнечной системы). Сейчас все больше подобных роботов решают вполне земные задачи.

В настоящее время создаются разнообразные по конструкции роботы. Так по способу передвижения они могут быть колесными, гусеничными, шагающими. Роботы перемещаются по поверхности, летают или плавают, могут выполнять какие-либо действия по отношению к окружающим объектам с помощью исполнительных механизмов или просто собирать информацию, используя соответствующие датчики. Несмотря кажущиеся различия, все эти роботы объединяет необходимость решать ряд связанных задач:

1. Строить карту той части пространства, в которой осуществляется перемещение робота, с указанием местоположения целей и препятствий.

2. Планировать траекторию движения на основании информации из карты.

3. Осуществлять движение по спланированной траектории при наличии помех.

В зависимости от постановки этих задач требуется разработка алгоритмов навигации и управления движением робота, удовлетворяющих условиям вычислительной сложности, реализуемости на данной аппаратной платформе и т.п. Очевидно, что достаточно важным здесь является выбор датчиков, составляющих систему очувствления робота и возможности привода.

Разработкой автономных мобильных роботов для разнообразных (пока, в основном, исследовательских) нужд сейчас занимается множество научно-исследовательских организаций по всему миру (университеты и специализированные институты - Токийский университет, университет имени Джона Хопкинса, университет Южной Калифорнии, Исследовательский центр компании Xerox в Пало-Альто (PARC), институт Фраунгуфера в Магдебурге (IFF), ЦНИИ РТК) и отдельные лаборатории крупных технических корпораций (Honda, Sony, Fujitsu).

Робот MARON-1 (см. рисунок 3) предназначен для управления бытовой электроникой и может следить за тем, что происходит в доме в отсутствие хозяев. Робот исполняет команды, дистанционно передаваемые ему по сотовому телефону.

Робот ER2 (см. рисунок 4) использует технологию VSLAM (visual simultaneous localization and mapping), разработанную в Evolution Robotics. Робот создаёт для себя карту местности (для этого существует режим обучения), определяя "достопримечательности", по которым потом будет ориентироваться, используя простейшую WEB-камеру и датчики углов поворота колес робота. Эта технология поддерживает динамическое перестроение карты в случае изменения окружающей обстановки.

Все эти разработки служат, в первую очередь, для отладки технологических и программных решений и в будущем, несомненно, сыграют свою роль в создании коммерческих продуктов. Здесь стоит отметить разработку фирмы Electrolux - колесный робот Trilobit (см. рис. 5),

Рис. 3. Колесный робот MARON-1 фирмы Fujitsu.

Рис. 4. Колесный робот ER2 фирмы Evolution Robotics. выполняющий функции интеллектуального автономного пылесоса и уже в настоящее время продающийся в обычных магазинах бытовой техники.

Рис. 5. Робот-пылесос Trilobit фирмы Electrolux.

Однако возможность выделить ряд принципиальных задач (см. выше), требующих решения в отдельное направление, позволяет использовать в качестве научного потенциала в области роботостроения высшие учебные заведения, обычно ограниченные в средствах и технологических возможностях. На сегодняшний день общепризнанной считается практика организации всевозможных соревнований мобильных роботов: RoboCup (Япония), Festival International des Sciences & Technologies (Франция), Всероссийский научно-технический фестиваль молодежи «Мобильные роботы» и т.д. Указанные мероприятия преследуют несколько целей: образовательную с обязательными элементами практики, научную - для выработки множества подходов к решению однотипных задач, оптимизационную - для получения качественных решений на дешевой и распространенной элементной базе.

Каждое из указанных соревнований имеет свой регламент - это набор правил по конструкции робота и выполняемым им заданиям. В соревнованиях имеют право принимать участие любые студенческие команды, подготовившие робот по условиям регламента. Таким образом, существует хорошая возможность проверить на практике теоретические разработки. При этом нет необходимости добиваться от конструкций удовлетворения промышленных стандартов, что существенно снижает требуемые затраты на финансирование подобных проектов.

Данная диссертационная работа носит как теоретический, так и практический характер и использует опыт автора в проектировании и создании мобильных роботов для участия в подобных соревнованиях:

• весна 1999 г., Франция, г. Бурж, 6-ой Международный Фестиваль науки и технологий - 3 первых места и Гран При соревнований, робот класса «Монотип»;

• осень 2000 г., Россия, Москва, Всероссийский научно-технический фестиваль молодежи «Мобильные роботы 2000» - 3 первых места (упражнения «Маяки-ворота», «Куча», «Змейка»);

• осень 2001 г., Россия, Москва, Всероссийский научно-технический фестиваль молодежи «Мобильные роботы 2001» - 2 первых места (упражнения «Маяки-ворота», «Куча»);

• осень 2002 г., Россия, Москва, Всероссийский научно-технический фестиваль молодежи «Мобильные роботы 2002» - 2 первых места (упражнения «Маяки-ворота», «Куча»).

Перечислим постановки задач, которые необходимо решить при подготовке мобильного робота к соревнованиям, проходящим в рамках Всероссийского научно-технического фестиваля молодежи «Мобильные роботы».

Соревнования мобильных автономных роботов проводятся на ограниченной ровной горизонтальной площадке - полигоне. Над полигоном подвешено некоторое количество (10-15) маяков, имеющих ИК-излучатели; если излучатель включен, то маяк является активным. Маяк оборудован датчиком таким, что его контакт с установленным на роботе кольцом фиксируется. На полигоне нанесена также полоса-трасса, образованная отрезками прямых и дуг окружностей. Робот представляет собой автономную тележку, несущую необходимые датчики и систему управления движением. Роботы стартуют с определенной позиции, выполняют предписанную последовательность действий и заканчивают маршрут на "финише". Засекается затраченное на маршрут время; за невыполненные задачи добавляется штрафное время. Для выполнения предлагаются следующие задачи:

1. «Маяки-ворота». В момент старта включен один маяк; задача робота -двигаться так, чтобы войти в контакт с ним, на что отводится определенное время. Маяк выключается и включается следующий либо по сигналу контакта, либо по истечении указанного времени и т. д. Вместо очередного одного маяка могут включаться одновременно два маяка, тогда задача робота - пройти между маяками в образуемые ими "ворота", не задевая эти маяки.

2. «Восьмерка». То же упражнение, что и в п. 1 со следующим изменением: маяки, образующие ворота не выключаются после прохождения ворот, тогда робот движется по "восьмерке". Он объезжает один из маяков, вновь проходит ворота в том же направлении, затем объезжает второй маяк, опять проходит ворота в том же направлении и т.д. После фиксации прохождения "восьмерки" заданное число раз маяки ворот выключаются, и включается следующий маяк или ворота и т.д. до финиша.

3. «Змейка». В момент старта и в процессе заезда постоянно включено несколько маяков; образующих последовательность ворот - "змейку". Задача робота - двигаться так, чтобы пройти "змейку", не задевая маяки по слаломной траектории. Финишем является момент прохождения последних ворот. За контакты с маяками и непрохождение ворот к результату добавляется штрафное время.

4. «Куча». В момент старта включено больше двух маяков; задача робота -двигаться так, чтобы войти в контакт с каким-либо из включенных маяков, после чего он выключается. Требуется "погасить" все маяки, на что отводится определенное время.

5. «Полоса». То же упражнение, что и в п. 1 со следующим дополнением: в момент контакта с очередным одиночным маяком следующий маяк не включается, однако, известно, что это не финиш. В таком случае под выключенным маяком имеется полоса-трасса, которую необходимо обнаружить, для чего робот имеет датчик полосы, и далее двигаться по полосе до тех пор, пока не будет включен маяк или пара маяков, образующих ворота. Тогда движение по полосе прекращается, и робот выполняет упражнения п. 1. Вывод робота на полосу и сход с нее может происходить несколько раз. Из приведенного списка заданий можно выделить следующий набор исходных задач, которые должен уметь решать робот:

1. Определять местоположение маяков и положение полосы-трассы относительно собственной позиции.

2. Планировать траекторию движения.

3. Осуществлять движение по спланированной траектории. Содержание данного списка совпадает с ранее приведенным списком задач, необходимость решения которых объединяет любые конструкции мобильных автономных роботов. Именно по этой причине указанные соревнования могут рассматриваться как основа для выработки универсальных подходов к созданию таких роботов.

Проведение соревнований мобильных роботов привело к появлению ряда отечественных публикаций на эту тему, отражающие ход решения задач и полученные результаты.

В работах В.М. Буданова и Е.А. Девянина [21], [10] проводите я анализ уравнений неуправляемого движения мобильных роботов. Полученные выводы позволяют говорить об устойчивости неуправляемого движения.

В работе С.Ф. Бурдакова, И.В. Мирошника и Р.Э. Стельмакова [11] сделана попытка, предложить общий подход к получению уравнений движения мобильных колесных роботов различных кинематических схем, и описаны методы управления ими.

Следующее рассматриваемое направление - это алгоритмы управления движением роботов. В.Н. Белотелов, A.A. Голован, A.A. Гришин, В.Б. Пахомов в [5] предлагают алгоритмы управления строить на базе кинематических уравнений движения робота с привлечением подходов программного движения, когда управляющие напряжения задаются по заранее определенным законам, что возможно благодаря известной конфигурации элементов трассы (прямые, дуги окружностей). Зенкевич C.JL, Назаров A.B., Киселев Д.В., Федоров H.A., Сандлер И.А., Лепилкин В.В. в [23] для управления колесным роботом используют методы рекуррентной фильтрации и линейный фильтр Калмана для оценки фазовых координат объекта. Фактически такой подход обеспечивает вычисление позиций траекторнозадающих элементов - ИК-маяков без привлечения классического метода триангуляции.

В работах C.JI. Зенкевича, A.B. Назарова, Д.М. Лисицына [24], А.И. Кобрина, Ю.Г. Мартыненко [27], В.В. Корянова [30] рассматривается проблема моделирования поведения мобильного робота при движении, включающая учет таких параметров как размер пятна контакта колеса робота с поверхностью, параметров электропривода и др.

Задача построение алгоритмов оптимального управления движением робота рассматривается в работе В.Н. Бел отелов, A.A. Голован, A.A. Гришин, С.Д. Жихарев, A.B. Ленский, В.Б. Пахомов В.Б [4], которые используют для этого принцип максимума Понтрягина, используемый в некоторых типовых случаях движения. Д.В. Трапезников в [46] для формирования квазиоптимальной траектории движения использует геометрический подход, основанный на получении минимальной в некотором смысле кривой как траектории движения. A.A. Бобцов, H.A. Дударенко, A.B. Лямин и М.С. Чежин в [7] приводят метод синтеза адаптивного управления для нелинейных динамических объектов, основанный на теореме Ляпунова об устойчивости и адаптивных методах.

Ряд работ посвящен вопросам планирования траектории движения робота при выполнении заданий регламента и связанных с ними задачам навигации и оптимального управления. Так в работах М.Н. Богомолова, Н.Е. Богомолова [8,9] используется алгоритмический подход, основанный на построении последовательности обхода маяков. При этом не осуществляется счисление пути, пройденного роботом. Можно сказать, что робот осуществляет «ситуационную» навигацию.

Из приведенного обзора видно, что среди российских публикаций недостаточно работ, посвященных проблемам аппаратного обеспечения мобильных роботов, а также методам проектирования бортового программного обеспечения. По мнению автора, эти темы играют немаловажную роль в процессе создания мобильного робота.

Помимо перечисленных работ, явным образом нацеленных на решение задач, которые ставятся соревнованиями мобильных роботов, существует большое количество работ зарубежных авторов, решающих аналогичные задачи в разнообразных постановках, но уже для других типов роботов. Например, в работе Brenneke С., Wagner В. [56] рассматривается проблема построения карты местности для мобильного робота, функционирующего в естественной среде окружения (природный ландшафт), использующего в качестве навигационного оборудования GPS-приемник и магнитный компас, а в качестве датчика препятствий - лазерный сканер. В работе Rupp Т. [70] строится алгоритм ориентирования мобильного робота в замкнутых пространствах, использующий принцип двоичного разбиения и уточнения карты, при этом в качестве датчиков препятствий также предлагается применять разнообразные сканеры (лазерные, У34, ИК). Следует отметить, что большинство зарубежных публикаций носит практический характер, а мобильные роботы рассматриваются как тривиальные механизмы, способные перемещаться в заданном направлении. Такие понятия как управляемость робота как электромеханической системы, устойчивость при движении, характеристики свободного (неуправляемого) движения обычно не рассматриваются, что существенно затрудняет разработку системы навигации и управления движением.

Как уже было сказано выше, данная диссертационная работа носит как теоретический, так и практический характер. В ней, наряду с изложением теоретических исследований и разрабатываемых методов и алгоритмов навигации и управления, присутствуют разделы, описывающие элементы конструкции и программное обеспечения мобильных роботов МЭИ, в разработке которых непосредственное участие принимал автор.

Содержание работы следующее. Первая глава посвящена описанию двух основных конструкций мобильных автономных роботов МЭИ. Это робот с управляемым поворотным передним колесом, созданный при участии ОКБ МЭИ, и робот с двумя приводными колесами и третьим пассивным рояльным колесом. Приводится краткая история модификаций роботов в ходе подготовки к соревнованиям, описываются их конструкции, бортовые программ управления. Для обоих роботов дается вывод уравнений движения, которые использовались впоследствии для моделирования динамики движения на компьютере и разработки алгоритмов управления и навигации.

Во второй главе проводится анализ возможности вибрационного ускорения двускатной тележки, как одного из возможных способов осуществления движения мобильного робота, основанного на инерционных свойствах системы и неголономных связях.

На основании полученных в первой главе уравнений движения мобильного робота с передней поворотной вилкой производится анализ свободного (баллистического) движения системы. С помощью асимптотического метода многих масштабов [28] построение решения задачи и дается теоретическое обоснование возможности разгона тележки, если к вилке переднего ската прикладывается периодический момент в виде обычной гармонической функции Асов!/?. Для анализа корректности применения построенных уравнений движения проводится оценка реализуемости неголономных связей. Результаты численного интегрирования исходных нелинейных уравнений сравниваются с оценкой скорости движения, полученной с помощью асимптотического метода.

Третья глава посвящена построению алгоритмов навигации и управления движением мобильного робота при выполнении заданий регламента соревнований мобильных роботов. Рассмотрение проводится на примере задания «Змейка», которое можно охарактеризовать как наиболее близкое с классической навигационной задаче, требующей планирования траектории и движения по ней.

Выполнение задания в целом разбивается на три задачи. Решение первой дает возможность роботу определить местоположение траекторнозадающих элементов - ИК-маяков, расположенных над полигоном. При этом используются уравнения маяка. Последние представляют собой идентификатор, позволяющий по наблюдаемой части вектора состояния для каждого из ИК-маяков (угол на маяк в системе координат, жестко связанной с роботом) восстанавливать с заданной точностью полный вектор состояния (угол и расстояние до маяка). Вычисления проделаны для линеаризованных уравнений маяка, а расширение на исходную нелинейную постановку осуществляется путем опытной проверки на компьютерной модели. В этой же задаче вводятся навигационные уравнения, решение которых в масштабе реального времени позволяет роботу определять свою текущую позицию на полигоне в неподвижной системе координат. Результатом решения указанной задачи является построение алгоритма «составления карты местности», которая используется для планирования движения.

Отдельной подзадачей выделяется задача распознавания маяков, которые могут «сливаться» при наблюдении через ИК-локатор - одномерный датчик, пеленгующий направление (угол) на маяк, и не способный непосредственно определять расстояние до маяка. Решение этой задачи осуществляется путем логических построений и сравнения наблюдаемой информации с информацией, получаемой при решении модельных уравнений.

Вторая задача - это планирование траектории движения при известных координатах маяков. Планирование траектории осуществляется с привлечением математического аппарата сплайновых кривых на основе кубических интерполяционных функций. Приводится описание метода задания качественного характера траектории движения, то есть того, как должна быть построена траектория, если известны координаты маяков, что дает возможность использовать общий подход к формированию траектории для всех заданий, определенных регламентом соревнований. Работа алгоритма планирования траектории моделируется на компьютере и приводится в виде графиков траектории в зависимости от расположения маяков и типа задания.

Построение алгоритма движения по спланированной траектории является целью решения третьей задачи. Здесь используется метод «виртуальной линейки», когда рассчитывается рассогласование между текущим положением некой точки робота и выбранной траекторией движения. Данная методика использует опыт разработки управляющих алгоритмов для мобильного робота с оптронной линейкой - специальным датчиком, состоящим из расположенных в линию ИК-оптопар, и способным «видеть» позицию нарисованной на полигоне трассы. Выходной информацией с такого датчика является величина (рассогласование) пропорциональная удалению центра оптронной линейки от линии трассы.

Поиск рассогласования сводится к нахождению точки пересечения прямой, однозначно определяемой положением робота, и кубической параметрической кривой, являющейся частью спланированной траектории. В работе приведен способ численного решения этой задачи, что позволяет использовать траектории, построенные на основании любых других типов сплайновых кривых.

Далее строится закон управления электродвигателями робота, использующий информацию об угловой скорости движения робота, рассогласованию и кривизне траектории в текущем положении робота. Специальный выбор коэффициентов обратной связи с помощью программы компьютерного моделирования позволяет добиваться устойчивого движения робота по спланированной траектории.

Для получения текущего положения робота на полигоне используются навигационные уравнения. Входной информацией для них являются данные с одометров - датчиков углов поворота ведущих колес мобильного робота.

В четвертой главе рассматриваются прикладные задачи, возникающие при работе над мобильными роботами. В первом разделе главы приводится описание разработанной автором программы компьютерного моделирования поведения робота на полигоне в ходе выполнения различных заданий. Программа включает в себя моделирование динамики робота в масштабе реального времени, моделирование логики работы полигона, а также производит визуализацию результатов моделирования в виде двумерной анимации. Использование программы позволяет существенно сократить сроки отладки алгоритмов управления роботом и предсказать возможные проблемы, этими алгоритмами не решаемые.

Второй раздел четвертой главы посвящен исследованию вопроса улучшения точности навигационного алгоритма при применении в качестве датчика угловой скорости робота волоконно-оптического гироскопа (ВОГ). Предлагается метод калибровки гироскопа, основанный на отслеживании угловой скорости вращения Земли. Приводятся модифицированные навигационные уравнения и результаты экспериментов по сравнению точности навигационных систем с ВОГ и без такового.

Основные результаты диссертации опубликованы в статьях [15,16,17,18,19,34] и доложены на:

• заседаниях школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, Институт механики МГУ, декабрь 1999-2002 г.г.),

• седьмой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ, февраля 2001 г.),

• Международной конференции «Информационные средства и технологии» (Москва, Станкин, 1997),

• заседаниях кафедры теоретической механики МЭИ (1999-2002 г.г.).

Работа выполнена на кафедре теоретической механики Московского энергетического института (ТУ), под руководством д.ф.м.н, профессора Ю.Г.

18

Мартыненко, которому автор глубоко признателен за неизменный интерес к поднимаемой тематике и оказание всесторонней поддержки в выполнении работы.

Автор благодарен коллективу кафедры теоретической механики МЭИ и, в особенности, д.ф.-м.н., профессору А.И. Кобрину, сыгравшему большую роль в формировании научных интересов автора и зав. лабораторией И.В. Орлову за полезные советы и обсуждение подходов к конструированию мобильных роботов, и без которых многие идеи так и остались бы реализованными только в компьютерных моделях.

Автор хотел бы выразить надежду, что материал, изложенный в работе, окажется полезным в учебном процессе при изучении робототехнических систем.

Основные результаты, полученные в данной работе, могут быть сформулированы следующим образом:

• Описаны конструкции автономных мобильных роботов МЭИ Р1 и Р2, непосредственное участие в разработке которых принял автор. Выведены уравнения движения роботов.

• Доказана возможность разгона двускатной тележки при наличии периодического момента, прикладываемого между вилкой переднего ската и корпусом тележки. Найдены условия реализуемости неголономных связей при движении тележки.

• Созданы алгоритмы навигации и управления движением для мобильных роботов, выполняющих задания регламента московских соревнований: алгоритм построения карты местности, алгоритм планирования траектории движении, алгоритм управления роботом при движении по спланированной траектории.

• Разработаны и отлажены схемы электроники мобильного робота с двумя приводными колесами: схемы сопряжения датчиков с бортовым компьютером, схема ИК-локатора, схемы управления силовой электроникой робота.

• Разработаны и отлажены бортовые программы управления мобильными роботами МЭИ.

• Разработана и отлажена программа компьютерного моделирования поведения мобильного робота с заданной кинематической схемой на полигоне, оснащенном системой ИК-маяков.

• Проведена работа по встраиванию в навигационную систему робота волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) УО-951, как датчика угловой скорости движения робота. Предложены метод калибровки ВОГ и

148 модифицированные навигационные уравнения. Получены экспериментальные данные о работе ВОГ в системе управления роботом.

Заключение

1. Александров В.В., Болтянский В.Г., Лемак С.С., Парусников H.A., Тихомиров В.М. Оптимизация динамики управляемых систем. Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУ, 2000.

2. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. (Автономные системы).-М.: Наука, 1966.

3. Белоусов И.Р. Моделирование динамики космического манипулятора в масштабе реального времени. Диссертация. М.: МГУ, мех.мат. факультет, 1993.

4. Бобцов A.A., Дударенко H.A., Лямин A.B., Чежин М.С. Алгоритмы адаптивного управления нелинейными динамическими объектами с неопределенностями по входу // Материалы научной школы конференции

5. Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского ун-та, 2001. с.252-260.

6. Богомолов М.Н. Алгоритмы абсолютной и относительной навигации мобильного робота в среде с недостоверными маяками // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского ун-та, 2001. с.84-93.

7. Богомолов Н.Е., Богомолов М.Н. Планирование движения мобильного автономного робота, выполняющего соревновательную программу // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2000». -М.: Изд-во Московского ун-та, 2000. с. 100-113.

8. Бурдаков С.Ф., Мирошник И.В., Стельмаков Р.Э., Системы управления движением колесных роботов. Санкт-Петербург: «Наука», 2001.

9. Галиуллин A.C., Мухаметзянов И.А., Мухарлямов Р.Г., Фурасов В.Д. Построение систем программного движения. -М.: Наука, 1971.

10. Голован A.A., Гришин A.A., Жихарев С.Д., Ленский A.B. Алгоритмы решения задачи навигации мобильных роботов // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» 7-8 дек. 1999. М.: Институт механики МГУ, 1999, с.109-128.

11. Голубев Ю.Ф. Основы теоретической механики. Учебник: 2-е изд. перераб. и доп. М.: Изд-во МГУ, 2000.

12. Гусев Д.М., Кобрин А.И. Моделирование динамики РТС в масштабе реального времени // Труды Международной конференции «Информационные средства и технологии». М.: Изд-во «Станкин», 1997, с.66-71.

13. Гусев Д.М., Мартыненко Ю.Г. Об одном способе вибрационного ускорения колесного робота // Материалы научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», Москва, 3-4 декабря 2001 г. М.: Изд-во Московского ун-та, 2001. с.14-27.

14. Гусев Д.М., Мартыненко Ю.Г. Об использовании волоконнооптического гироскопа в задаче навигации мобильного робота // Сборник «Мобильные роботы и мехатронные системы». М.: Изд-во МГУ, 2002.

15. Де Бор К. Практическое руководство по сплайнам. М.: Радио и связь. 1985.

16. Девянин Е.А. О движении колесных роботов // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» Москва, Россия. 1-3 декабря 1998 года. М.: Изд-во МГУ, 1999. с.169-200.

17. Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Управление роботами. Основы управления манипуляционными роботами. М.: Изд-во МГУ, 2000.

18. Зенкевич С.Л., Назарова A.B., Лисицын Д.М. Моделирование движения мобильного робота по сложному маршруту // Материалы научной школыконференции «Мобильные роботы 2000». М.: Изд-во Московского унта, 2000. с. 14-27.

19. Исполов Ю.Г., Смольников Б.А. Принципы неголономного разгона подвижных объектов // VII Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Москва, 1991. с.24.

20. Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение. М.: Изд-во «Мир», 2001.

21. Кобрин А.И., Мартыненко Ю.Г., Асимптотическое решение одной нелинейной системы дифференциальных уравнений // Приближенные методы исследования дифференциальных уравнений и их приложения. Межвузовский сборник. Куйбышев.- 1979.- Вып.5, с.25-31.

22. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1984.

23. Корянов В.В. Компьютерное моделирование движения мобильного трехколесного робота // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского ун-та, 2001. с.127-131.

24. Литвинов A.C. Управляемость и устойчивость автомобиля. М.: Машиностроение, 1971.

25. Логозинский В.Н., Сафутин И.М., Соломатин В.А. Волоконно-Оптический Датчик вращения с цифровым откорректированным выходом // Гироскопия и навигация, № 3 (34), 2001.

26. Лурье А.И. Аналитическая механика. М.: Изд-во «Физматгиз», 1961.

27. Неймарк Ю.И., Фуфаев H.A. Динамика неголономных систем. М.: Изд-во «Наука», 1967.

28. Новиков Ю.В., Калашников O.A., Гуляев С.Э., Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М.: Изд-во «Эком», 1998.

29. Новожилов И.В. Качение колеса. // Изв. РАН. Механика твердого тела. 1998. №4. с.50-55.

30. Носков A.B., Носков В.П. Распознавание ориентиров в дальнометрических изображениях // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского унта, 2001. с. 179-192.

31. Охоцимский Д.Е., Голубев Ю.Ф. Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата. М.: Наука, 1984.

32. Первозванский A.A. Курс теории автоматического управления. М.: Наука, 1986.

33. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации // Гироскопия и навигация. №1 (12), 1996, с.48-55.

34. Писаревский А.Н. Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение). Л.: Машиностроение, 1988.

35. Подбельский В.В. Язык СИ++. М.: «Финансы и статистика», 1996.

36. Тимофеев A.B. Управление роботами. — JI.: ЛГУ, 1985.

37. Трапезников Д.В. Кинематически оптимальная траектория движения мобильного робота по замкнутой трассе слаломного типа // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского ун-та, 2001. с.132-141.

38. Филиппов В.В., Гусев Д.М. Методы управления колебаниями. Методическое пособие к лабораторным работам по курсу «Теория колебаний и динамика машин». М.: Изд-во МЭИ, 1999.

39. Фролов А.В., Фролов Г.В., Аппаратное обеспечение персонального компьютера. -М.: «Диалог-МИФИ», 1997.

40. Хорн Б.К.П. Зрение роботов. М.: Мир, 1989.

41. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Изд-во «Мир», 1993.

42. Черноусько Ф.Л. Динамика управляемых движений многозвенников на плоскости // VIII Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотации докладов. Екатеринбург: УРО РАН, 2001. с.594.

43. Шикин Е.В., Плис А.И. Кривые и поверхности на экране компьютера. Руководство по сплайнам для пользователя. -М.: «Диалог-МИФИ», 1996.

44. Agullo J., Cardona S., Vivancos J. Dynamics of vehicles with directionally sliding wheels // Mechanisms and Machine Theory. 1989. vol.24, N 1. p.53-60.

45. Balakrishna R., Ghosal A. Modeling of slip for wheeled mobile robots // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1995. vol. 11, N 1. p. 126-132.

46. Bennet S., Emge S.R., Dyott R.B. Fiber Optic Gyros for Robotics. KVH Industries, Inc., Orland Park, IL, USA.

47. Brenneke C., Wagner B. Map building of outdoor environments as base for high accuracy robot navigation // ENSIB/ISMCR 2002. 12th International Symposium on Measurement and Control in Robotics, France, 2002.

48. Campion G., Bastin G., D'Andrea'a-Nove B. Structural properties and classification of cinematic and dynamic models of wheeled mobile robots // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1996. vol. 12, N 1. p.47-62.

49. Canals R., Treuillet S., Roussel A. Target tracking with a pan-tilt camera embedded on an autonomous drone // ENSIB/ISMCR 2002. 12th International Symposium on Measurement and Control in Robotics, France, 2002.

50. Canudas de Wit C., Siciliano B., Bastin G. Theory of robot control. London: Springer-Verlag, 1996.

51. Cord T., Li S., Hanczak A. Mobile Autonome Roboter zum Transport fur Containern // Forshungszentrum Informatik (FZI), Abteilung Technische Expertensysteme und Robotik. AMS-95.

52. Cord T., Pallmer D. Axiales motion stereo zur abstandsmessung fur mobile roboter // AMS-94, 1994.

53. FIBER OPTIC ROTATION SENSOR VG951. Description & Manual. Fizoptika Co., Moscow, RAEL.402139.008TO.

54. Freund E., Mayr R. Nonlinear path control in automated vehicle guidance // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1997. vol. 13, N 1. p.49-62.

55. Isidori A. Nonlinear control system. 3nd edition. Berlin: Springer-Verlag, 1995.

56. Kachroo P., Tomizuka M. Vehicle traction control and its application // Technical Report UCB-ITS-PRR-94-08. Univ. of California. Berkeley, 1994.

57. Koh K.C., Cho H.S. A path tracking control system for autonomous mobile robots: an experimental investigation // Mechatronics. 1994. vol. 4, N 8, p.799-820.

58. Micaelli A., Samson C. Trajectory Tracking For Two Steering Wheels Mobile Robots // Prepr. 4th IFAC Symposium on Robot Control. Capri, Italy, 1994. p.249-256.

59. Murray R.M., Zexiang I.L., Sastry S.S. A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation. Boca Raton: CRC Press, 1993.

60. RTKernel-C 4.5 for DOS. Real time multitasking operating system. User's manual. On Time Informatik GmbH, 1994.

61. Rupp T. Absolute Lokalisation mobiler Roboter durch Codierungen mit Landmarken // Dissert. Fakultät Informatik der Universität Stuttgart, 2001.