Управление движением мобильного робота в стесненных условиях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.01 ВАК РФ
|
Сербенюк, Николай Сергеевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.01
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Ордена Ленина ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ имени М.В. Келдыша
СЕРБЕНЮК НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ
УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ МОБИЛЬНОГО РОБОТА В СТЕСНЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Специальность 01.02.01 - теоретическая механика
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва 2006
Работа выполнена в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН
Научные руководители:
академик РАН
Охоцимстй 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 "14я 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.Кедоыша РАН.
Автореферат разослан" 1" февраля 2006г.
Ученый секретарь диссертационного совета:
доктор физико-математических наук
ХОО&А 2-ЬО& оби
Обпмя характеристика работы.
Диссертация посвящена решению задачи разработки алгоритмов, аппаратно-программных систем и инструментальных средств для формирования управления автоматическим движением маневренного мобильного робота в стесненных условиях внутри бытовых помещений. Для ев решения был создан лабораторный макет высокоманввренного 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 маневренного 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 маневренностью. Исследование свойств и учет
особенностей его сложных
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ ' ^ сис пиптРи4 I
• 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 трехколесного полноприводного движителя нового типа;
2. Получены новые результаты исследования свойств специального («вальсирующего») типа движения такого движителя;
3. Предложен новый метод вейвлет-описания круговой сцены ввдимого 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 еС 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.Кедпыша РАН.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на:
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. Кедцыша РАН. (2000-2005)
Заседании научного семинара Института проблем механики РАН под руководством академика РАН Ф_Л Черноусько (15.12.2005). Публикации,
Основные результаты диссертационной работы изложены в 10 работах, список которых приведен в конце автореферата. Объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Список литературы содержит 157 наименований. Общий объем диссертации 134 страниц. Содержание диссертации.
Введение содержит краткое описание современного состояния развития и использования автономных мобильных роботов. Обосновывается актуальность решения проблемы организации их движения в стесненных условиях внутри помещений.
В первой главе вводится понятие класса "комнатных" мобильных роботов, исследуемых в диссертации. Их особенностью является использование трехколесного движителя, предназначенного для движения по плоскости пола внутри помещений. Другой важной их особенностью являются высокие требования к характеристикам маневренности движителя в условиях движения в тесном пространстве. Глава содержит обзор литературы, посвященной решению проблем управления движением таких роботов и анализ маневренности трехколесных мобильных роботов. Показана необходимость использования более маневренной, 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 трехколесного робота "Трикол" с полноприводным движителем, с богатой сенсорной системой и с мощными
I • -. •I
Рис. 1. Робот Трикол
вычислительными ресурсами • системы управления его движением (Рис 1) Его описание приводится во втором разделе этой главы
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.
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 совпадают с проекцией центров самих колес. Этот факт значительно упрощает уравнения для векторов скоростей колес робота V;, обеспечивающие движение робота без
проскальзывания в случае поступательного и/или вращательного движения.
V, = а»х
КА+
собог -вша вша сова
Рис. 2. Модель вальсирующего движения робота Подвижная центроида, жестко связанная с корпусом робота, катится по прямой КХ со скоростью V
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 6
скоростью (о. 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 со, радиус
подвижной центроиды должен быть равен |5| . Сама центроида должна катиться по
н=й
прямой параллельной V со скоростью вращения равной а, а ев центр - совпадать с центром корпуса робота А.
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 р описывает ориентацию вектора V относительно корпуса робота, величина ц -угловую скорость вращения вектора V вокруг рулевой оси, а угол а обозначает угол поворота корпуса робота относительно исходной позиции, то поведение вектора скорости колеса V при вальсирующем движении описывается следующими формулами:
v |= a>t¡R2 +р2 +2Rpsin(a)-jcos( а) .
tg(0)
sin( а) +1/>|
. |a|flplsm(g) + |¿|)
Ч = Р
Рис. 3. Угол ДОц) и угловая скорость Ч(а) при R<fi.
В следующем разделе 2.4. проведено исследование свойств исполнения движений робота. Введены обозначения: П - максимальная скорость вращения колеса вокруг маршевой оси; Н - максимальная скорость вращения колеса вокруг рулевой оси; гк - радиус колеса робота, Ук= П*гк - максимальная линейная скорость центра колеса. Тогда максимальная скорость робота равняется У/& а максимальная угловая скорость вращения т^ вокруг неподвижного центра К выражается формулой:
шахм з \КА+р, |
При вальсирующем движении робота имеются ограничения возможных движений, обусловленные максимальными скоростями вращения колес вокруг своих осей, имеют следующий вид:
Рис.4. Угол ДОд) и угловая скорость Ч(а) при Я>/9.
2 р р VJ с 1 \ + р£ р
со<
,где £= —
R
со
<Н
Рис 5 Область допустимых значений параметров (и ю при вальсирующем движении.
1 -pf
При ттом оказывается, чго для случая R=p последнее неравенство не выполняется, так как максимум угловой скорости руля колеса обращается в бесконечность. Поэтому вальсиру ющее движение робота в таком режиме невозможно, а одним из главных его свойств является отношение p/R. Важной характеристикой вальсирующего движения является поведение функции ß(a) для различных соотношений Лир. Для случая R<p ß(a) является периодической функцией и ее амплитуда не превышает ж/2 (Рис 3). В случае R>p функция ß(a) монотонна (Рис. 4), что является критическим фактором, если подвижность рулей колес ограничена.
В этом разделе получена область допустимых движений робота в координатах ш и £ (Рис 5) Изолинии постоянной скорости движения центра робота в этих координатах - это
V г/с
прямые со = — = Vс , выходящие из начала координат, а
R
изолинии максимальной угловой скорости рулевого движения колеса - прямые функции модуля Н 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 А 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(х) от положения х его образа на плоскости IПС-матрицы видеокамеры для произвольного угла при вершине конического отражателя а в этой модели имеет следующей вид:
(/ sin а - х cos а)(а + h)-xb
R(x) = -
/Фокальная плоскость объектива камеры
/
ПЗС-матрица
Рис 7 Формирование образа объекта на ПЗС- матрице видеокамеры
/ cos а + х sin а
Анализ этой функции позволяет выделить три области значений угла а при вершине конического отражателя с различными свойствами преобразования сцены (Рис. 8) Первая область соответствует а<я/2 В этом случае поле зрения сенсора расположено выше плоскости основания конического зеркала, а расстояние R(x) уменьшается с ростом расстояния х до его образа.
Второй области соответствует а > arctg(- ^ ) • ® этом случае поле зрения сенсора
расположено ниже плоскости основания конического
отражателя, и расстояние до объекта Я увеличивается по мере увеличения расстояниях до его образа.
Последней области
соответствует
2 *„„
\ / Поле зре'йия«4<вверх»
Поле зр^ни^ «вниз»
Ó
Й
а
Рис 8 Поле зрения конического сенсора для различных углов а при вершине конического отражателя
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
9
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 при помощи конического сенсора необходимо использовать конические отражатели с углом при вершине а^л/2 (поле зрения «вверх») или
а = ^ ) (полс зрения «вниз»). Однако кроме диапазона измерения расстояний
*пих
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, а=я/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.
Область данных конического сенсора
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 2м равных отрезков. Попарно соединим концы отрезков противоположных сторон друг с другом. Полученное множество ромбов образует покрытие сцены порядка М. Покрытия разного порядка внутри каждого сегмента являются вложенными, а число ромбов в них конечно, что позволяет ввести параметрическое описание каждого сегмента по порядку покрытия М 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.
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):
М-3 М=4
N-16
Рис. 9 Параметризация данных конического сенсора при вейвлет-преобразовании.
1
Поле зрения «вниз»: г, , VI+ ЯУ
УГТду
1п(дг) Л
Поле зрения «вверх»: ^ ^ ^1 + лУ )
1
г)
л/1 + АУ , Цх) Л л
- 8503
Рис 10. Образующие функции отражателей
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 прешгтетвия является возникновение двух выраженных максимумов в гистограмме изображения.
В четвертой главе описывается состав оборудования системы управления, использованный для исследования способов управления движением робота Трико л. 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 колбе робота. Она состоит из четырех контроллеров, каждый из которых оснащен сигнальным процессором Atmegal03. 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 колес. 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 колбе робота, результаты которой передаются бортовой ЭВМ. Восстановление текущего положения робота производится по осреднбнным измерениям скоростей движения колбе 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 ев 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 трехколесного 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 A.A., 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 A.A., 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 ч 50-55с.
7. Сербенюк Н.С. Система дистанционного управления робота Трикол с использованием радиоканала связи 1ЕЕЕ-802.11Ь. // 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 В.С. 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 Инсппута 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,
2000т 56-65с.
¿oocft
гъо&
$ » о »
"Off
f ff
введение.
глава i. манёвренность трёхколёсных мобильных роботов.
1.1. Комнатные мобильные роботы.
1.2. Конструкция робота Трикол.
глава ii. исследование особенностей полноприводного движителя.
2.1. Условия согласования скоростей колес при движении.
2.2. Анализ возможных движений робота.
2.3. «Вальсирующее» движение.
2.4. Исследование исполнения движений.
2.5. Результаты.
глава iii. сенсорное обеспечение.
3.1. Конический сенсор.- 38 •
3.2. Обзорная камера.-643.3. Результаты.
глава iv. система управления.
4.1. Система управления движением.- 71 ■
4.2. Организация вычислительных процессов бортовой ЭВМ. - 83 ■
4.3 Результаты.- 95 •
глава v. средства разработки и отладки системы управления роботом.
5.1. Испытательный полигон.
5.2. Система звукового объяснения.
5.3. Система радиосвязи.
5.4. Интерфейс оператора.
Результаты.
За последние десятилетия мировая робототехника и технологии, связанные с ними, развиваются стремительными темпами, приобретая все большую возможность использования роботов в различных областях человеческой деятельности. В первую очередь, это связано с постоянным совершенствованием характеристик двигателей для роботов, источников энергии, вычислительных средств бортовых систем и развития средств сенсорного оснащения.
Создание электродвигателей нового поколения и их микропроцессорных систем управления - вентильных, бесколлекторных, или приводов прямого управления "Direct Drive" - даёт возможность управлять не только скоростью вращения, но и крутящим моментом на валу двигателя (без использования сило-моментных датчиков)[69]. Это позволяет не только улучшить управление движением робота (например, повысить точность), но и создавать системы повышенного уровня адаптивного управления, что открывает новые возможности для использования роботов.
Современные интегральные схемы дают возможность быстро создавать компактные надежные системы управления, на разработку и отладку которых раньше уходило много времени и сил. Программное обеспечение, поставляемое вместе с ними, позволяет создавать алгоритмы управления на языках высокого уровня, а готовые программные наработки позволяют значительно сократить общие трудозатраты. Всё это сокращает время разработки алгоритмов навигации и поведения роботов в сложной окружающей среде.
Большое значение для создания "интеллектуальных" роботов имеет прогресс элементной базы систем технического зрения, крайне необходимых для использования в составе средств сенсорного обеспечения движения.
Кроме этого, современная доступность персональных компьютеров, обладающих большими вычислительными мощностями, расширяет возможности моделирования электронных и механических систем роботов, что ускоряет их развитие. А широкая доступность средств Интернет позволяет коллективам разработчиков роботов активно обмениваться информацией.
Эти обстоятельства всё более превращают робототехнику в быстроразвивающуюся отрасль мехатронного машиностроения.
Среди роботов различных типов нужно выделить отдельную группу автономных мобильных роботов. Их создание во многом ещё требует поиска нестандартных решений в разработке их конструкций, алгоритмического, сенсорного и программного обеспечения. Для всех роботов этой группы свойственны общие признаки, а именно, все они используют: движитель, способный обеспечить передвижение робота в заданной среде (средах); набор необходимых исполнительных механизмов (манипуляторов и др.), зависящих от области применения робота; приводные механизмы движителя и исполнительных механизмов, управляемые, как правило, отдельной системой управления нижнего уровня и имеющие отдельную систему повышенной мощности для энергообеспечения их работы; автономные источники энергоснабжения всех систем робота; набор внутренних датчиков информации, обеспечивающих в системе управления робота возможность регулирования состояния его систем и формирование требуемого движения его приводных механизмов; локальные и дистанционные средства определения характеристик опорных и/или профильных характеристик окружения робота для автономного исполнения процессов принятия решений о требуемом или возможном движении, бортовой вычислитель (вычислители) с программами управления верхнего уровня, формирующими двигательное поведение робота в рамках специфицированных задач; средства телеметрии и/или запоминания "шлейфа" текущего состояния систем робота; интерфейс для взаимодействия с оператором (пульт управления, пульт отображения информации о состоянии систем и т.п.), который может быть удаленным при использовании беспроводных средств связи. Таким образом, автономный мобильный робот это - устройство, способное перемещаться в некоторой области пространства, не связанное кабелем с какой-либо его точкой, и самостоятельно решать двигательные задачи. Условия его двиэ/сения могут быть априорно не определены и/или стесненны препятствиями.
Несмотря на конструктивные различия автономных мобильных роботов, перед их разработчиками возникает общий набор связанных между собой задач навигации и управления движением в пространстве. Алгоритмическое обеспечение их систем управления должно:
1. строить внутреннее описание ("карту") текущего состояния той части пространства, в которой осуществляется перемещение робота, с указанием местоположения целей движения и препятствий, мешающих нужным движениям;
2. корректировать траекторию движения на основании априорных и апостериорных сведений, хранящихся в памяти системы и текущих сенсорных данных;
3. осуществлять движение по спланированной траектории.
В зависимости от конструкции робота и его сенсоров формулировка этих задач настоятельно требует разработки алгоритмов навигации и управления движением робота, удовлетворяющих условиям вычислительной сложности и реализуемости на данной аппаратной платформе. Кроме того, и сама конструкция робота, как правило, зависит от алгоритмов решения этих задач.
Исследованием научных проблем управления автономными мобильными роботами и поиском новых конструкторских и алгоритмических решений занимается множество лабораторий по всему миру. Кроме того, проводятся различные соревнования мобильных роботов, имеющие также целью не только поиск новых решений, но и подготовку специалистов -робототехников. Пожалуй, самым выдающимся соревнованием 2005 года следует считать гонки автономных роботов-автомобилей по пересеченной местности под названием DARPA Grand Challenge [142]. 08.10.2005 года двадцать три робота пытались преодолеть 240 километров по пустыне штата Невада. Победителем стал робот Stanly Стэндфордского университета, который автоматически преодолел эту дистанцию за 6ч. 53мин. Ещё четыре робота также смогли успешно финишировать. Эти соревнования продемонстрировали современный уровень возможностей автомобильной автоматики.
Вместе с тем, проведение соревнований на открытых площадках является скорее исключением, чем правилом. Большинство соревнований мобильных роботов проводится на специальных полигонах. Обычно полигон представляет собой помещение с ровным полом, оборудованное специальными ориентирами-маяками. В зависимости от условий соревнований роботы должны решать разные навигационные и двигательные задачи.
Широко известным состязанием роботов являются состязания "RoboCup", созданные в 1993 году [147]. Изначально они были организованы для создания команды роботов, которые смогут играть в футбол с человеком. Но к настоящему моменту организаторы выделили уже три приоритетных направления:
1. роботы для игры в футбол;
2. спасательные роботы;
3. развивающие роботы.
В каждой группе имеются свои подразделения. Например, роботы-футболисты разделены на следующие категории:
-7> Симулятор. Все действия происходят в виртуальном пространстве и служат способом отладки логики игроков;
Малые роботы. Здесь используются мобильные роботы малых размеров, которые не оснащены сенсорами. Команды движения передаются по радиоканалу, а контроль перемещений осуществляется при помощи внешней видеокамеры;
Роботы среднего размера. Роботы в этой группе полностью автономны и независимы;
Роботы на четырех ногах. Типичным представителем этого класса является робот-собака AIBO;
Человекоподобные роботы;
Эти соревнования проходят ежегодно и пользуются большой популярностью.
Другим широко известным состязанием роботов являются соревнования студенческих роботов, проводимых ежегодно в Институте механики МГУ [148] в рамках фестиваля "Мобильные роботы". В этих соревнованиях движение роботов осуществляется на специальном полигоне, оборудованном инфракрасными маяками и контрастной полосой, нанесенной на пол. В 2005 г: соревнующиеся роботы должны были выполнить за кратчайшее время следующие упражнения:
1. движение к поочерёдно зажигающимся маякам (некоторые из них -подвижные) или движение через ворота из двух маяков;
2. движение в форме восьмёрки около двух маяков с неизвестным заранее количеством оборотов;
3. поочерёдное посещение группы одновременно горящих маяков, некоторые из которых подвижные;
4. движение по нарисованной на полу полосе с препятствиями на ней. В таких соревнованиях используются сложные робототехнические системы, предназначенные для перемещения по плоской поверхности стола или пола. Образцы лабораторных роботов создаются для исследовательских целей, но они могут успешно служить и прототипами больших мобильных роботов, предназначенных для перемещения в естественной среде. В качестве примеров готового коммерческого решения в этом направлении можно привести газонокосилки фирмы Friendly Robotics [144].
Среди мобильных роботов в конце прошлого века наибольшее развитие получили автономные мобильные роботы, функционирующие в индустриальной среде, что было вызвано стремлением заменить машиной человека в тяжелой, опасной и ответственной работе. Однако в последнее время возник новый рынок более сложных роботов - роботов для использования в быту. Мировой объем таких "бытовых роботов" составляет уже 1 миллион шт., большинство из которых являются автономными пылесосами, а второе место занимают автономные газонокосилки. 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 [150].
В качестве примера, демонстрирующего всеобщую заинтересованность в развитии бытовой робототехники, можно привести экспозицию Robot Project на всемирной выставке ЕХРО-2005 [143]. В ее рамках было представлено около 100 роботов, сгруппированных по шести основным направлениям деятельности в бытовой сфере:
• уборка полов помещений;
• сбор мусора;
• охрана помещений;
• помощь людям в ориентировании на выставке;
• игры с детьми;
• транспортные роботы-коляски для инвалидов.
Большое число аппаратов на выставке представляли собой игрушки. Среди них следует обратить внимание на робота-танцора Partner Ballroom Dance Robot [145], который по внешнему виду и одежде похож на балерину.
Способен танцевать с людьми, умеет предсказывать движение партнера и реагировать на давление его тела, вращая плечами, коленями, талией и шеей в нужном направлении. Робот установлен на трёхколёсном шасси, его масса составляет 100кг, а высота 1,65м.
Среди показанных на выставке ЕХРО-2005 роботов, предназначенных для домашнего использования, следует отметить роботы Partner (Toyota) [149] и робот-домохозяйка Wakamaru (Mitsubishi) [146]. Эти роботы уже обладают свойствами многофункциональности. Серия роботов Partner предназначена для широкого круга задач по уходу за домом и людьми, имеются ходячие и колесные модификации этих роботов, оснащенные многофункциональными манипуляторами. Робот Wakamaru оснащен колесным шасси, имеет рост 1м и вес 30кг. Он поступил в свободную продажу на рынок Японии в конце августа 2005 года. Основная функция робота Wakamaru - уход за домом в качестве няни. Он способен узнавать лица 10 человек и вести с ними беседу, обладая словарным запасом в 10 тысяч слов. Другим представителем роботов, предназначенных для использования в быту и уже имеющихся в свободной продаже, является робот-пылесос Trilobite.
Несмотря на сказанное, выставка ЕХРО-2005 (которая была весьма популярна) показала, что разрыв между экспериментальными достижениями робототехники и роботами, доступными на рынке, еще очень велик, и исследования в этой области находятся только на начальном этапе развития. Большинство разработок, проводимых в этом направлении, до сих пор находятся на стадии моделирования или создания прототипов. В частности, довольно трудной задачей является построение и реализация сложных траекторий движения автономных мобильных роботов в помещениях с большим числом предметов, создающих помехи для непосредственного достижения цели. Это требует использования движителей с высокими характеристиками манёвренности движения, что приводит к необходимости увеличивать число их управляемых степеней подвижности. В бытовой обстановке реализация требуемого управления осложняется наличием нестационарных ("динамических") препятствий, значительно ограничивающих априорное знание области, доступной для перемещений робота.
Поэтому решение проблемы организации движения внутри бытовых помещений представляется весьма актуальной задачей. Ее главным содержанием является поиск механических и сенсорных средств и соответствугощих и алгоритмических методов управления маневренным движением мобильного робота в стесненных условиях.
Это делает актуальным, прежде всего, развитие конструкции движителя мобильного робота. Таким движителем, обеспечивающим более свободное передвижение в стесненных условиях, является "полноприводной" трёхколёсный движитель с двумя степенями подвижности ("руль" и "качение") на каждом из колес. Однако такой движитель с его шестью управляемыми степенями подвижности предъявляет достаточно высокие и малоизученные требования к средствам формирования его качественного движения.
Целью предлагаемой диссертационной работы являлось исследование свойств и разработка необходимых методов управления движением в стесненных условиях автономного мобильного робота с трехколесным полноприводным движителем с одновременным созданием необходимых методов информационного обеспечения его безопасного движения. Для достижения этой цели был разработан и исследован лабораторный макет робота (получивший название "Трикол") с многомашинной системой управления, всенаправленным двухкамерным телевизионным зрением и инструментальными средствами и методами создания и отработки алгоритмов системы управления.
Текст диссертации разделён на пять глав следующим образом:
Первая глава диссертации содержит анализ манёвренности трёхколёсных мобильных роботов и обзор литературы, посвящённой решению проблем управления их движением. Далее приводится описание конструкции автономного мобильного робота Трикол.
Во второй главе описаны результаты исследования кинематических свойств полноприводного движителя. Рассмотрены возможные алгоритмические режимы организации его программного движения без проскальзывания колёс, что обеспечивает возможность счисления пройденного пути в интересах навигации. Рассмотрены различные модели движения робота, позволяющие не только осуществлять поступательные движения без изменения ориентации корпуса, но и поворачиваться на месте, а также вальсировать. Проведен анализ динамики вальсирующего движения.
В третьей главе диссертации описывается решение проблем полноты сенсорного обеспечения такого мобильного робота. Основное внимание уделяется алгоритмам обработки сенсорных данных в задачах определения текущего положения робота и требуемого направления его движения. Рассмотрено два различных метода анализа данных сенсора кругового обзора и описывается алгоритм анализа данных телевизионной камеры, позволяющий с высокой вероятностью определить в ее поле зрения отсутствие или наличие препятствия движению робота.
В четвертой главе описывается состав оборудования системы управления, использованный для исследования способов управления движением робота. Подробно описываются алгоритмы навигации и 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 алгоритмам системы управления.
В последней пятой главе рассматриваются инструментальные методы и средства, необходимые для проверки работоспособности алгоритмических и программных решений. Описываются конструкция специального полигона с навигационными маяками, система речевого объяснения состояния робота в каждый момент его движения, система радиосвязи с роботом и многофункциональный графический интерфейс оператора робота на инструментальной ЭВМ, на которой в ходе работы отображается текущее состояние систем робота. Эти средства позволяют быстро определять недостатки и изменять ключевые параметры используемых алгоритмов, что значительно ускоряет процесс настройки автономной системы управления.
В Заключение вынесены основные результаты и выводы диссертационной работы.
• результаты работы алгоритма анализа данных конического сенсора.
Данный интерфейс был успешно использован на бортовой ЭВМ I и позволял оперативно выполнять настройку основных параметров алгоритма анализа данных конического сенсора во время испытаний. Реультаты его
132112 Поле зрения 1: камера B->S:8 Рс:1 Яя Нл:178.4вг ► ►> | Goxp j Парам | |->8:7 Рс.в.7Sh Ип.и.бйгр Время поилка 0.147993с Параметры поиска ioiKir Контраст | 15 [6 Параметр Пах Пин Угол тр. [ В [ i Длина пке[ Зй | Q Разрывы | 3 | J Плоцади [ 15в [15 Разность ш высот мм.
PESW1 1 || РЕЯЛИ 2 || ЙОГ || ВХВД II жтшш|[ выход |
1Просмотр результатов последнего сеанса намерений
Рис. 49. Интерфейс оператора в MS-DOS. работы, отображаемые на экране позволяли выполнять коррекцию непосредственно в ходе эксперимента. Результаты работы всех алгоритмов системы управления роботом сохранялись на жесткий диск в лог-файл и отладка остальных систем робота выполнялась в после завершения экспериментов. Поэтому применение системы звукового объяснения позволило существенно облегчить отладку алгоритмов навигационной системы.
Для бортовой ЭВМ II был разработан многооконный интерфейс оператора с использованием графических средств ОС Windows. При его разработке были решены задачи отображения данных системы управления и интегрирования средств верификации работы алгоритмов для отладки при движении робота.
Интерфейс оператора состоит из следующих окон:
SCK Сеть Колеса
Привязка
Управление
Мая км
Диалог АКЛ . 24.10.2005 1 8.55:39
Н29
Disconnected horn server
LllBOl Г £топ | Г Отображать данные
It. 83
Рис. 50. Главное окно интерфейса оператора содержит кнопки средства управления системой навигации, общую информацию о системах робота и кнопки доступа к другим окнам.
Главное окно.
При запуске программного комплекса робота главное окно интерфейса оператора отображается на экране и первым получает сигналы от клавиатуры. Его управляющие возможности и объем отображаемой в нем информации играют важную роль для оператора. В первую очередь оно должно содержать информацию о работоспособности системы. Во-вторых, робот может функционировать без монитора, поэтому оператор должен иметь возможность управлять системой «вслепую», т.е. используя лишь клавиатуру. Следовательно, главное окно интерфейса должно иметь простые средства передачи команд системе управления. В предложенной реализации они состоят из кнопок запуска и остановки (Пуск/Стоп) и ячейки, через которую можно передать численный параметр. Средства доступа к окнам отдельных систем выполнены в виде кнопок. В качестве основных параметров жизнеспособности робота были выбраны степень заряда аккумуляторных батарей и состояние соединения с севером по радиоканалу.
Пораметоы поиска яркость ««траст fl20 flQ
Ь0 установи
Вершка '.онуса
Вершина} х fi'i'f"" Принять j У (flfi Не экран Я плиэ кадров! цуск
Устройсво захвата Контраст:115
Свойства j Частота | j25
Яркость i 00 Г" Вычитание келрсг
Последовательность кедров pf" j Загрузить}
JL! bJ J2£fe?.L?.I!ii Бииазриэаци* при зегрузке j'f,.Ч £азность| Ёиьарнмй! ро Список, найденыч пятен jJF"^!
Обработать! Пятен: 0
Г" разность кадров обработанный кадр ;
Коорднаты мышки
Пятно О
Площадь 36 (-1 DUO) размер радиус 72: 70-76 (-1 ООО) угол 6 43 219 43 225.92 (-1.000) напрвление 222 32 на разности кедров 0 000000
Патио J Сладит >
IFГ" Ij
Свернуть j
Для тарировки Вся кадры j р эвпиа> данных в файл
Закрыть файл j
Рис. 51. Окно настройки конического сенсора содержит средства управления оцифровкой видеосигнала, настройки и верификации алгоритма анализа его данных.
Окно данных конического сенсора.
Окно данных конического сенсора (Рис. 51) позволяет осуществлять контроль и настройку параметров самого конического сенсора и алгоритма анализа его данных. С этой целью окно содержит:
• средства управления захватом видеосигнала. Они включают в себя запуск и остановку процесса, выбор устройства, выбор частоты оцифровки, настройку яркости и контраста изображения, и отображение данных в окне;
• средства привязки конического отражателя к изображению, для чего имеется возможность задать положение центра образа конического отражателя;
• средства верификации работы алгоритма анализа данных в реальном времени. Они позволяют просматривать содержимое множеств дуг и объектов, как в численном, так и в графическом виде;
• средства верификации и отладки алгоритмов в режиме offline, которые позволяют сохранять и загружать данные конического сенсора с жесткого диска;
• статистику работы процессов захвата данных конического сенсора и их анализа.
Окно настройки параметров захвата данных обзорной камеры.
Окно (Рис. 52) содержит средства управления - запуск и остановку процесса, выбор устройства, выбор частоты оцифровки, настройку яркости и контраста изображения, и отображение графических данных в окне. Статистику работы процесса и средства сохранения данных на жесткий диск для отладки в режиме offline. вск - мтт изображу •ния и на' i вййЯи111 1
Устройсво захвата
JH ZIZ Jd
Сохранить
Уастотв J
Оуск j £топ j
Г Анализ кадров
Контраст 128 Г* На экран
I 1 '"".""""" Свернуть|
J Яркость : 128
2734(0) Экран г Захват 75 Время 0 1
Рис. 52. Окно настройки захвата видеосигнала обзорной камеры.
Окно настройки алгоритма детектирования препятствий.
В (Рис. 53) окне имеется область отображения данных обзорной камеры. Также окно содержит средства верификации и настройки параметров алгоритма для режимов online и offline. Для удобства подбора параметров результаты работы алгоритма отображаются как в графическом, так и в текстовом формате.
Окно состояния системы управления двигателями.
Окно служит для контроля работы системы управления двигателями. Оно содержит текстовую область, в которую отображаются в реальном времени команды планировщика движения и данные, поступающие по СОМ-порту. Также отображается число ошибок, возникших при обмене ботовой ЭВМ с контроллером 0.
Окно ручного управления движением робота.
Окно (Рис. 54) предоставляет оператору возможность ручного управления движением робота от клавиатуры или с помощью мышки. Основное отличие команд этого окна от команд от пульта управления двигателями заключается в том, что они передаются планировщику движения и выполняются на верхнем уровне. Такой подход позволяет сохранять высокую точность счисления пути, а также осуществлять управление таким же пультом через радиоканал.
Рис. 53. Окно верификации алгоритма детектирования препятствий
I управление роботом
PWM 150 ^' г Радиус поворота см. 75 р ч :
Рис. 54. Пульт ручного управления движением робота.
Так как движение робота описывается достаточно большим числом параметров, то управление роботом осуществляется пятью кнопками и двумя уровнями. Верхняя и нижняя кнопки отвечают за подачу ШИМа на двигатели разных знаков, а его модуль регулируется левым уровнем. Средний ряд кнопок задает ориентацию рулей колес: поворот налево, движение прямо, поворот направо. Нажатие на одну из кнопок приводит колеса в стационарное положение, так как нажать мышкой две кнопки на экране одновременно невозможно. Для указания радиуса поворота используется правый уровень.
Управление от клавиатуры осуществляется стрелкам «вправо», «влево», «вперед» и «назад». Для быстрого изменения скорости движения робота или радиуса его поворота, управление уровнями осуществляется при помощи кнопок «F1» и «F2»
Окно настройки словаря системы звукового сопровождения
Окно (Рис. 44)состоит из таблицы, кнопок управления ее содержимым и строки для выполнения теста системы. Таблица отображает содержимое тезауруса системы звукового сопровождения. В левом столбце выводится имя звукового файла, а в правой - соответствующая ему строка. Содержимое таблицы хранится в специальном конфигурационном файле.
Таким образом, разработанный интерфейс предоставляет возможность контроля и отладки всех систем робота. Для каждого алгоритма системы был подобран оптимальный набор отображаемых переменных и управляющих параметров. Экспериментально было установлено, что одновременный вывод данных всех окон приводит к значительной нагрузке на процессор и замедляет работу всей системы в целом. Поэтому при создании подобных интерфейсов необходимо каждое окно должно содержать средства управления отображением данных. А в главном окне должна быть реализована возможность одновременного отключения отображение данных всех систем.
Результаты.
Разработана микропроцессорная система управления испытательным полигоном, реализующая автоматическое и ручное управление маяками.
Разработаны и исследованы средства и методы отладки ботовых систем робота:
- Удобный интерфейс пользователя, который позволяет контролировать работу алгоритмов системы управления в реальном времени.
- Система звукового сопровождения исполнения алгоритма. Она позволяет преобразовывать внутреннее состояние навигационной системы в звук, чем значительно облегчает процесс отладки.
- Информационный обмен и дистанционное управления роботом по радиоканалу WiFi.
Заключение
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.
1. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. (Автономные системы).-М.: Наука, 1966.
2. Андреев В.П. Трушкин Ф.А. Анализ телевизионных изображений в системе технического зрения мобильного робота кронус. // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского унта, 2001. с 42-53.
3. Белоусов И.Р. Моделирование динамики космического манипулятора в масштабе реального времени. Диссертация. М.: МГУ, мех.мат. факультет, 1993.
4. 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.
5. 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.
6. Богуславский А- А., Соколов С. М Компонентные методы разработки программного обеспечения СГЗ // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 17-18 ноября 2003г.).-М.: Изд-во Института механики МГУ, 2003. с 3549
7. Богуславский А.А, Соколов С.М. Графический интерфейс систем технического зрения на базе персональных компьютеров. Препринт №24 за 1998г.
8. Богуславский А.А., Н.С. Сербенюк, С.М. Соколов 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
9. Горбушина О.А. Девянин Е.А. .Математическая модель системы технического зрения робота Кронус // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского унта, 2001. с 29-41.
10. 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.
11. 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.
12. Зенкевич С.Л., Назарова А.В., Лисицын Д.М. Моделирование движения мобильного робота по сложному маршруту // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2000». М: Изд-во Московского унта, 2000. с. 14-27.
13. Исполов Ю.Г., Смольников Б.А. Принципы неголономного разгона подвижных объектов // VII Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Москва, 1991. с.24.
14. Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение. М.: Изд-во «Мир», 2001.
15. 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.- Вьга.5, с.25-31.
16. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1984.
17. Корянов В.В. Компьютерное моделирование движения мобильного трехколесного робота // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского ун-та, 2001. с. 127131.
18. Литвинов А.С. Управляемость и устойчивость автомобиля. М.: Машиностроение, 1971.
19. Логозинский В.Н., Сафутин И.М., Соломатин В.А. Волоконно-Оптический Датчик вращения с цифровым откорректированным выходом // Гироскопия и навигация, № 3 (34), 2001.
20. Лурье А.И. Аналитическая механика. М.: Изд-во «Физматгиз», 1961.
21. Неймарк Ю.И., Фуфаев Н.А. Динамика неголономных систем. М.: Изд- во «Наука», 1967.
22. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э., Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М.: Изд-во «Эком», 1998.
23. Новожилов И.В. Качение колеса. // Изв. РАН. Механика твердого тела. 1998. №4. с.50-55.
24. Носков А.В., Носков В.П. Распознавание ориентиров в дальнометрических изображениях // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского унта, 2001. с. 179-192.
25. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления. М.: Наука, 1986.
26. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации // Гироскопия и навигация. №1 (12), 1996, с.48-55.
27. Писаревский А.Н. Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение). — JL: Машиностроение, 1988.
28. Платонов А. К. Управление поведением мобильного робота // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 2-3 декабря 2002г.).-М.: Изд-во Института механики МГУ, 2002. с 18-33
29. 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, 2005. с. 82-96
30. Платонов А.К.,. Сербенюк Н.С, Выявление с помощью ТВ-камеры препятствий движению робота. // Препринт ИПМ им М.В.Келдыша РАН №71 за 2004г
31. 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, 2002. с 38-49
32. 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, 2002. с.50-55
33. Сербенюк Н.С., Экспериментальное исследование свойств конического сенсора. Мобильные роботы и мехатронные системы: Материалынаучной школы-конференции (Москва, 5-6 декабря 2000г.). М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000. 56-65с.
34. Соколов С.М. Определение ориентира и его смещений в поле зрения фотометрической системы. Препринт №97 за 1980г.
35. Тимофеев А.В. Управление роботами. JL: ЛГУ, 1985.
36. 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.
37. 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.
38. Фролов А.В., Фролов Г.В., Аппаратное обеспечение персонального компьютера. -М.: «Диалог-МИФИ», 1997.
39. Хорн Б.К.П. Зрение роботов. М: Мир, 1989.
40. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Изд-во «Мир», 1993.
41. 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.
42. Чернухин Ю. В, Лунев А. В., Болюба Г В Система связи мини-роботоп с Управляющей ЭВМ при игре в футбол категории MTROSOT // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и
43. Geyer С. and Daniilidis. К. A unifying theory for central panoramic systems and practical applications. inProc. of the European Conference on Computer Vision, pages 445-461, 2000.
44. Chahl J.S. and Srinivasan M.V. Reflective surfaces for panoramic imaging. Applied Optics, 36:8275-8285, 1997.
45. 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.
46. Canals R., Treuillet S., Roussel JI. Target tracking with a pan-tilt camera embedded on an autonomous drone // ENSIB/ISMCR 2002. 12й' International Symposium on Measurement and Control in Robotics, France, 2002.
47. Canudas de Wit C, Siciliano В., Bastin G. Theory of robot control. London: Springer-Verlag, 1996.
48. Champion G., Bastin G., Andrea-Novel B.D. Structural Properties and Classification of Kienimatics and Dynamic models of Wheeled Mobile Robots. IEEE Trans On Rob and Autom. Vol 12 №1 1996. 47-62.
49. Cord T Li S., Hanczak A. Mobile Aulonome Roboter zum Transport fur Containem // Forshungszentrum Informatik (FZI), Abteilung Technischc Expertensysteme und Robotik. AMS-95.
50. Cord Т., Pallmer D. Axiales motion stereo zur abstandsmessung fur mobile roboter//AMS-94, 1994.
51. D. Rees. Panoramic television viewing system. United States Patent, (3,505,465), April, 1970.
52. FIBER OPTIC ROTATION SENSOR VG951. Description & Manual. Fizoptika Co., Moscow. RAEL.402139.008TO.
53. 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.
54. H. Bakstein and Т. Padjla. Non-central cameras: A review. In Proceedings of Computer Vision Winter Workshop, Ljubljana, Slovenian Pattern Recorgnition Society, pages 223-233, 2001.
55. H. Hua and N. Ahuja. A uniform-resolution panoramic camera. In Proc. Computer Vision Pattern Recognition, pages 960-967, 2001.
56. H. Sidenbladhl, D. Kragi61 and H. I. Christensen A Person Following Behaviour for a Mobile Robot// Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan 1 May 1999 p670-675
57. Ishay Kamon Elon Rimon Ehud Rivlin Range-Sensor Based Navigation in Three Dimensions // Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan 1 May 1999 pi63-169
58. Ishiguron H., Tsuji S. Applying panoramic sensing to autonomous map making a mobile robot. In Proc, 93 International Conference on Advanced Robotics, Nov. 1993. p. 127-132.
59. Isidori A. Nonlinear control system. 3nd edition. Berlin: Springer-Verlag, 1995.
60. J. Gaspar, C. Decco, J. Okamoto Jr., and J. Santos-Victor. Constant resolution omnidirectional cameras. In Proc. of IEEE Workshop on Omnidirectional Vision, pages 27-36, 2002.
61. Jamieson Schulte Charles Rosenberg Sebastian Thrun Spontaneous, Short-term Interaction with Mobile Robots // Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan 1 May 1999 pi63-169
62. K. Yamazawa, Y. Yagi, and M. Yachida. Omnidirectional imaging with hyperboidal projection. In Proceedings of the IEEE International Conference on Robots and Systems, 1993.
63. Kachroo P Tomizuka M. Vehicle traction control and its application // Technical Report UCB-ITS-PRR-94-08. Univ. of California. Berkeley. 1994.
64. Koh K.C Clio H.S. A path tracking control system for autonomous mobile robots: an experimental investigation // Mechatronics. 1994. vol. 4. N 8, p.799- S20.
65. M. Ollis, H. Herman, and Sanjiv Singh. Analysis and design of panoramic stereo vision using equiangular pixel cameras. Technical Report, The Robotics Institute, Carnegie Mellon University, 5000 Forbes Avenue Pittsburgh, PA 15213, 1999.
66. M. Srinivasan. A new class of mirrors for wide-angle imaging. In Proc. IEEE Workshop on Omnidirectional Vision, 2003.
67. Matthias Strobel Navigation in Partially Unknown, Narrow, Cluttered Space // Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan 1 May 1999 p 21-34
68. Micaelli A Samson С Trajectory Tracking For Two Steering Wheels Mobile Robots // Prepr. 4th 1FAC Symposium on Robot Control. Capri, Italy. 1994. p.249-256.
69. Murray R.M Zexiang I.L Sastry S.S. A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation. Boca Raton: CRC Press, 1993.
70. Paul E. Rybski, Richard M. Voyles Interactive Task Training of a Mobile Robot through Human Gesture Recognition // Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan 1 May 1999 p664-669
71. Pegard C., Mouaddib E.M., A mobile robot using panoramic view. IEEE International Conference on Robotics & Automation, Minneapolis, Minnesota, p. 89-94.
72. P. Greguss. Panoramic Imaging Block for Three-dimensional space. United States Patent, (4,566,736), January, 1986.
73. R. A. Hicks and R. Bajcsy. Catadioptic sensors that approximate wide-angle perspective projections. InProc. Computer Vision Pattern Recognition, pages 545-551,2000.
74. R. A. Hicks and R. Perline. Equi-areal catadioptric sensors. In Proc. of IEEE Workshop on Omnidirectional Vision, pages 13-18, 2002.
75. R. A. Hicks and R. Perline. Geometric distributions and catadioptric sensor design. InProc. Computer Vision Pattern Recognition, pages 584-589, 2001.
76. R. A. Hicks. Differential methods in catadioptric sensor design with applications to panoramic imaging. arXivpreprint cs.CV/0303024, http://www.arxiv.org/abs/cs.CV/0303024, 2003.
77. R. Swaminathan, S. Nayar, and M. Grossberg. Framework for designing catadioptric projection and imaging systems. In IEEE International Workshop on Projector-Camera Systems, 2003.
78. R. Swaminathan. Non-perspective imaging systems. Doctoral Thesis, Department of Computer Science, Columbia University, 2003.
79. R.A. Hicks. Foundations of catadioptric sensor design: the vector field method, in preparation, 2003.
80. Rupp T. Absolute Lokalisation mobiler Roboter durch Codierungen mil Landmarken // Dissert Fakultat Informatik der Universitat Stuttgart. 2001.
81. S. Baker and S. Nayar. A theory of catadioptric image formation. In Proc. International Conference on Computer Vision, pages 35-42, 1998.
82. S. Bogner. Introduction to panoramic imaging. In Proceedings of the IEEE SMC Conference, pages 3100-3106,1995.
83. S. Gaechter and T. Pajdla. Mirror design for an omnidirectional camera with space variant imager. In Proc. of the Workshop on Omnidirectional Vision Applied to Robotic Orientation and Nondestructive Testing (NDT), Budapest, 2001.
84. S. Nayar. Catadioptric omnidirectional camera. InProc. Computer Vision Pattern Recognition, pages 482-488, 1997.
85. Т. Conroy and J. Moore. Resolution invariant surfaces for panoramic vision systems. In Proc. International Conference on Computer Vision, pages 392397, 1999.
86. Thrope C., et al., Vision and navigation for the Carnegie-Mellon Navilab. IEEE Trans. PAMI-10(3), 1988. p. 362-373.
87. Turk, M. et al. VIST-A vision system for autonomous vehicles navigation. IEEE Trans. PAMI-10(3), 1988. p. 342-360.
88. V. Nalwa. A true omnidirectional viewer. Technical Report, Bell Laboratories, Holmdel, NJ 07733, USA, 1996.
89. Waxman A.M., LeMoigne J.J., and Scinvasan В., A visual navigation system for autonomous land vehicles. IEEE J. Robotics and Automation 1987.3(2): p. 124-141.
90. Y. Yagi and S. Kawato. Panoramic scene analysis with conic projection. In Proceedings of the International Conference on Robots and Systems, 1990.
91. Y. Yagi. Omnidirectional sensing and its applications. IEICE Trans, on Information and Systems, E82-D(3), pages 568-579, 1990.
92. Yachida M., Ichinose Т., and Tsuji S. Model-guided monitoring of a building environment by a mobile robot. In 8th IJCAI 1983.
93. Yagi Y., Kawato S. and Tsuji S., Real-time omnidirectional image sensor (COPIS) for vision—guided navigation. IEEE Trans. On Robotics & Automation Vol. 10, № 1, 1994.
94. Yagi Y., Kawato S., Panorama scene analysis with conic projection. IEEE International workshop on intelligent Robots & Systems. IROS'90
95. Yagi Y., Sato K., Yachida M. Evaluating effectively of map generation by tracking vertical edges in omnidirectional image sequence, in Int. Conf. Robotics and Automation 1995 IEEE.
96. Yamazawa K.,. Yagi Y, and Yachida M. Obstacle detection with omniderectional image sensor hyperoomni vision. In Int. Conf. Robotics and Automation 1995 IEEE.
97. Zuoliang L. Cao Sung J. Oh, Ernest L. Hall. Omnidirectional dynamic vision positioning for mobile robot. Optical engineering, Dec. 1986. Vol. 25 №12.
