Сегодня в мире используются миллионы роботов. Применение им нашлось практически во всех сферах человеческой деятельности. Активно используются роботизированные самолёты (БПЛА) и поезда, роботы спускаются в жерла вулканов и на дно океана, помогают в строительстве космической станции, в сборке автомобилей и производстве микрочипов, охраняют здания, используются военными для разведки и разминирования, помогают спасателям искать людей под завалами. Нет такой области, в которой человек не попытался создать себе автоматического помощника.
На производстве работают сотни тысяч роботов, но гораздо больше их трудится за пределами фабричных цехов. Автономные роботы, обладающие свободой передвижения, включают в себя автономные летательные аппараты, существуют роботы-сапёры (Mini-Andros), роботы-газонокосилки (Robomower), роботы-курьеры (HelpMate), доставляющие лекарства и документы в некоторых больницах, и т. д.[1].
С момента своего появления полвека назад роботы прошли путь от примитивных механизмов до сложных, эффективных устройств, во многом превзойдя по своим возможностям человека. В ближайшие десятилетия всё более совершенные роботы станут незаменимыми помощниками людей и смогут взять на себя обеспечение большей части потребностей цивилизации.
Одной из основных задач решаемой системой управления многоцелевой мобильной платформы [2] является позиционирования автономного аппарата. Эта задача разделяется на два независимых направления исходя из шести степеней свободы любого тела в природе. За положение относительно трех осей отвечает система стабилизации, работающая, как правило, на базе гироскопов или акселерометров. Применительно к наземным системам, этот раздел задачи управления сводится к определения курса аппарата (направления движения относительно линии направленной на северный магнитный пояс), которая решается применением одноосного гироскопа или компаса. Существующая возможность превышение максимальных углов крена и тангажа, допускающих переворачивания аппарата контролируется системой аварийного предупреждения, как правило механическими датчиками. Это связано с невозможностью прямого влияния на углы наклона платформы (исключение адаптивная подвеска, но она встречается редко) в связи их прямой зависимостью от расположения подстилающей поверхности. Вторым направлением системы позиционирования является определение трех пространственных координат управляемого объекта относительно «географической области» его применения.
Для решения задач определения местоположения автономными многоцелевыми мобильными платформами в процессе ее использования два основных метода позиционирования:
– пассивное (объект не излучает сигнала) позиционирование с помощью глобальных спутниковых систем навигации (ГЛОНАС/GPS/GALILEO) или локальных систем позиционирования;
– активное (объект анализирует собственный отраженный сигнал) зондирование окружающей среды с целью определения собственного местоположения относительно объектов на местности, путем определения расстояния до них и угла визирования. Имея глобальные координаты реперных объектов, имеется возможность пересчета координат мобильной платформы в глобальную систему.
В связи с наличием в подавляющем большинстве задач применения автономных подвижных систем «динамической окружающей обстановки», применение локального позиционирования является обязательным.
Расстояние до объекта определяются дальномерами основанными на отражении и анализе ответного радио-, оптико-, лазерного и ультазвукового сигнала.
В комплексе разрабатываемым коллективом используется ультразвуковой дальномер (УЗД) LV-MAXSONAR-EZ1 (Рис.1).
Рисунок 1 – УЗД
Отличительные особенности используемого прибора:
- напряжение питания +2,5...+5В;
- ток потребления 2…3мА;
- рабочая частота 42кГц;
- интервал считывания показаний 50мс (20Гц);
- постоянная работа с возможностью управления моментом считывания показаний;
- выходные данные: последовательные 9600 бод, 8, 1, N; аналоговые Uпит/512/дюйм; ШИМ 147мкс/дюйм;
В качестве примера рассматривается реализация автономной система управления многоцелевой наземной мобильной платформой (рис.2).
Рисунок 2 - Многоцелевая мобильная платформа
Система управления данной платформой сформирована на базе шасси реконфигурируемого шасси СompactRIO производства компании National Instruments (США). Встроенная в него программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) соединена со всеми измерительными модулями по схеме типа "звезда", что обеспечивает прямой доступ к каждому из них и открывает широкие возможности высокоточного управления, а так же гибкости системы тактирования и синхронизации. Взаимодейсвтие контроллера реального времени и микросхемы ПЛИС осуществляется посредством встроенной PCI-шины. Контроллер СompactRIO, разработанный специально для задач, требующих высокий уровень надежности, прочности и низкого энергопотребления исполнительных систем, запитывается от внешнего источника питания с постоянным напряжением от 9 до 35 В и способен работать при температурах от -40 до 70 °С [3].
Для определения местоположения платформы относительно окружающих объектов используется соответствующая подпрограмма и ультразвуковой дальномер, вращающийся в горизонтальной плоскости с помощью серводвигателя с энкодером и зондирующий таким образом окружающее пространство в секторе 360&#;.
На рис. 3 показана лицевая панель виртуального прибора, позволяющего позиционировать платформу относительно окружающих ее тел, а также определять расстояние до них.
Рисунок 3 - Лицевая панель программы управления роботом
Данный виртуальный прибор создан на языке программирования LabVIEW. LabVIEW или Laboratory Virtual Engineering Workbench (среда разработки виртуальных приборов) – среда графического программирования, которая широко используется в промышленности, образовании и научно-исследовательских лабораториях как средство сбора данных и управления приборами. Программирование осуществляется на уровне функциональных блок-диаграмм. Сочетание графического языка программирования, именуемого G (Джей), и эффективного компилятора позволяет значительно сократить время разработки сложных систем при сохранении высокой скорости выполнения программ.
Данный прибор отображает результат работы дальномера. На лицевой панели представлены:
– окно вывода местоположения тел в пространстве относительно платформы;
– цифровой индикатор текущего угла установки дальномера;
окно управления сектором работы дальномера;
индикатор готовности виртуального прибора к работе;
кнопка остановки работы программы.
Цифрами на рисунке обозначены:
1 – одиночный точечный объект;
2 – протяженный объект.
При работе системы в графическом окне вывода местоположения тел в пространстве относительно платформы отображаются тела, которые «увидел» дальномер в процессе работы. График местоположения тел отображается в полярных координатах (центр сам дальномер). На каждый текущий угол установки дальномера в пределах его рабочей зоны по дальности при нахождении им объекта на лицевую панель выводится информация о текущей удаленности объекта. Окно «Сектор работы дальномера» также может быть использовано для уточнения маршрута и определения наличия препятствий на маршруте движения многоцелевой платформы при выбранном направлении движения. При уменьшении сектора сканирования дальномера, частота сканирования увеличивается пропорционально.
Таким образом, реализованная на реконфигурируемом контролере подпрограмма позволяет обеспечить систему автономной навигации платформы сведеньями об окружающих ее объектах, что позволяет ей выбрать правильную траекторию движения исключающую непредумышленные столкновения с предметами на пути следования аппарата..
В настоящее время коллективом ведется дальнейшая работа по совершенствованию системы зондирования многоцелевой подвижной автономной мобильной платформы с целью минимизации мертвых зон и влияния подстилающей поверхности на измерения, в том числе с использованием датчиков с несимметричной формой диаграммы направленности.
- Литература:
Роботы, робототехника, робот [Электронный ресурс] Режим доступа: http://roboting.ru/, свободный.
Многоцелевая экспериментальная мобильная платформа с двухуровневой системой управления [Текст] / Сенюшкин Н.С.[и др.] // Молодой ученый. — 2010. — №7. — С. 48-52.
National Instruments - Test and Measurement [Электронный ресурс] Режим доступа: http:// ni.com/, свободный.
