Анализ и выбор систем навигации робота для позиционирования в условиях замкнутого пространства



Ключевые слова: навигация, позиционирование в условиях замкнутого пространства, классификация систем навигации

По данным аналитического исследования национальной ассоциации участников рынка робототехники в сегменте сервисных персональных роботов наблюдается стабильный рост. Так, в 2014 г. количество проданных роботов достигло 4,7 млн., что на 28 % больше результатов предыдущего года. Объем продаж достиг отметки $ 2,2 млрд [1].

Персональные сервисные роботы, например, роботы-пылесосы, наиболее часто применяются в бытовых помещениях, то есть в замкнутом пространстве. Одна из актуальных проблем использования роботов — это автономный, принятый без участия человека, выбор маршрута роботом. Основанием для выбора служит самостоятельный анализ ситуации. Навигация робота в пространстве — это комбинация выше озвученных задач.

Для решения задачи анализа, или позиционирования, используются определенный набор технических средств. Его использование решает данную задачу для определенных условий.

В состав используемых средств входит логический узел (программируемый логический контроллер, ЭВМ), а также набор датчиков. Датчики, или сенсоры, позволяют получить информацию об окружающей среде, например, расстояние до препятствия, на основании полученных данных управляющая система производит управление исполнительными устройствами (эффекторами) робота. Принципиальная схема представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Базовые элементы роботизированных систем

Модули навигации, представленные на рынке

На рынке существуют готовые модули, решающие задачи позиционирования, но как правило, они направлены под строго определенный тип как условий, так и самого робота. Готовые решения имеют такие ограничения как скорость передвижения, максимально допустимые ускорения, габариты платформы и т. д. [2]

Наибольшую ценность в готовых решениях имеют используемые алгоритмы работы. Но в абсолютном большинстве случаев они закрыты для общего доступа. Кроме этого, программное обеспечение также имеет индивидуальный характер, применимый для определенных условий.

Таким образом, не существует готовых, универсальных решений для решения проблем навигации и как правило системы навигации разрабатываются индивидуально для используемого робота или условий среды.

Анализ систем навигации робота

При оценке методов навигации следует в первую очередь учитывать точность позиционирования. Так, принято считать, что допустимая ошибка при определении координат робота — это величина, значение которой не больше половины от минимальных габаритов робота. Кроме того, в условиях замкнутого пространства существует множество помех, таких как проблемы с отражением сигналов, неровности освещения и т. д. В этом случае среда вносит принципиальную неточность и неопределенность в каналы связи. В таких обстоятельствах стоит учитывать способность систем работать в условиях зашумлённой среды [3].

Классификация систем

В зависимости от классификации выделяют несколько видов навигационных систем. Для движения по заданной траектории, обхода препятствий, что вероятно в бытовых условиях, предлагается выделить четыре вида навигационных систем: глобальная система, локальная, персональная и автономная системы.

Глобальная система

Задача глобальной системы — определение абсолютных координат, т. е. широты и долготы. Это такие системы как GPS, RTK-GPS, Глонасс, которые используют спутники для позиционирования.

Точность таких систем зависит от множества факторов, но в условиях, близких к идеальным наиболее развитая из данных систем, GPS, способна обеспечить точность с ошибкой в пределах 60–90 см [4].

Применение систем глобального позиционирования осложняется их зависимостью от условий использования. Затруднительно или невозможно использовать данные системы внутри зданий, подземных сооружениях и т. д.

Таким образом, использование глобальных систем позиционирования имеет смысл при следовании по достаточно длинным маршрутам. Считается также, что чем крупнее робот, тем важнее для него применение глобального позиционирования [5].

Персональная система

Персональная система применяется при позиционировании отдельных частей робота и взаимодействии с близлежащими предметами. Такая направленность важна для устройств, имеющих манипуляторы [6].

Такие системы применяются для позиционирования в пределах какой-либо конкретной территории, например, для навигации робота-сборщика. Также персональные системы навигации применяются для следования по заданной линии, при движении по меткам.

Применение на практике данных систем позиционирования осложняется их узкой направленностью под заданную местность, они плохо адаптируются под изменённые условия и достаточно дороги. Их применение целесообразно для работы в пределах конкретной территории.

Автономная система

В рамках автономной системы навигации применяются гироскопы, цифровые компасы.

Существенным недостатком таких систем является их чувствительность к неравномерностям поверхности: наклонам, кочкам и т. д. Это вносит определенные ограничения на их использование.

Автономные системы навигации находят применение в условиях, когда передача или прием сигналов извне затруднен или невозможен [7]. Этот аспект важен для замкнутых пространств, так как, как было сказано выше, они имеют повышенную зашумленность среды.

Локальная система

Локальные системы используют для позиционирования некоторую точку, обычно стартовую. Данные системы могут применяться на относительно больших локациях, например, для тактических беспилотных самолетов, работающих в рамках известной территории. Система навигации A-GPS, использующая для позиционирования сотовые сети, также является локальной.

В условиях замкнутого пространства целесообразно применение локальной системы позиционирования. В настоящее время наиболее часто применяются системы, использующие дальномеры: лазерные, инфракрасные, ультразвуковые и т. д.

Существует довольно много методов обработки информации, поступающей от дальномеров, вот некоторые из них.

Гистограмма векторного поля

Данный метод нашел применение в скоростных системах. Основные его преимущества — быстродействие, нечувствительность к ошибкам и надежность [8].

Потенциальное поле

Использование этого метода эффективно в динамической среде. Преимуществом данного метода является автоматический выбор траектории [9]

Диаграмма близких расстояний

Применяется в условиях малых расстояний между объектами, высокой активности окружающей среды и сложных траекторий [10].

Тангенциальное избегание

Метод тангенциального избегания — наиболее эффективный и точный метод из выше перечисленных для навигации робота в среде движущихся и деформируемых препятствий [11].

Заключение

Были проанализированы основные методы решения проблемы навигации роботизированных платформ. Из рассмотренных методов для условий замкнутого пространства подходит использование локальных систем позиционирования. Основным преимуществом таких методов является высокая точность, а также работа в условиях высокой зашумленности окружающей среды. Среди методов локальной навигации предлагается использовать метод тангенциального избегания, как наиболее универсального. Использование данного метода оправдано как в статической среде, так и в условиях движущихся или деформирующихся препятствий.

Применение только автономной системы навигации не позволяет прокладывать маршрут в условиях изменчивой окружающей среды.

Использование оставшихся методов позиционирования, персональных и локальных систем, нецелесообразно или невозможно в заданных условиях.

Литература:

1. Аналитическое исследование: мировой рынок робототехники // Национальная Ассоциация Участников Рынка Робототехники. — URL: http://robotforum.ru/assets/files/000_News/NAURR-Analiticheskoe-issledovanie-mirovogo-rinka-robototehniki-(yanvar-2016).pdf
2. Анализ и выбор систем навигации робота для позиционирования в лесной местности. / Черных А. А. //Международный научно-исследовательский журнал
3. Система навигации мобильного робота // В. Э. Карпов, М. В. Платонова — URL: http://robofob.ru/materials/articles/pages/Platonova2.doc
4. GPS: принципы работы системы и точность определения координат — URL: http://sts-51.ru/index.php/navigatsiya/materials-about/73-fort-news3
5. Навигация мобильных роботов. // Бобровский С. В. — URL: http://www.computer-museum.ru/frgnhist/robonav.htm
6. Проектирование манипулятора. // Сороков А. С.: http://www.bestreferat.ru/referat-32073.html
7. Повышение точности корректируемой инерциальной навигационной системы. / Васильев П. В., Мелешко А. В., Пятков В. В. // Приборостроение.
8. THE VECTOR FIELD HISTOGRAM FAST OBSTACLE AVOIDANCE FOR MOBILE ROBOTS / J. Borenstein, Y. Koren // IEEE Journal of Robotics and Automation
9. Time-optimal sliding-mode control of a mobile robot in a dynamic environment / Matteo Rubagotti, Marco L. Della Vedova, Antonella Ferrara// IET Control Theory and Applications
10. Nearness Diagram (ND) Navigation: CollisionAvoidance in Troublesome Scenarios. / J.Minguez, L. Montano, // IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS AND AUTOMATION
11. Движение робота к точке с заданными координатами. — URL: http://www.pvsm.ru/matematika/113238