Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Сучасна робототехніка виникла в середині 20 століття, коли в ході розвитку виробництва з'явилася реальна потреба в універсальних маніпуляційних машинах. Попередниками роботів були різного роду пристрої для маніпулювання на відстані об'єктами, контакт з якими небезпечний або не можливий для людини. Перші такі пристрої були пасивними, тобто механізмами без приводів і працювали за рахунок мускульної сили. Пізніше були створені маніпулятори з приводами, які управлялися людиною у різні способи [1]. Перші такі маніпулятори були створені в 1940-1950 рр. для атомних досліджень, а пізніше й для атомної промисловості.

Сучасні роботи відносяться до нового етапу свого розвитку – створення інтелектуальних роботів. Сучасний робот володіє мобільністю, здатний самостійно досліджувати навколишнє середовище, вирішувати ряд завдань, передбачених творцями, проте все це не гарантує його повної самостійності. Саме тому тема віддаленого керування є досі актуальною.

У даній роботі будуть представлені дослідження системи управління оператор - комп'ютер - віддалений керований об'єкт на базі диференціального робота.

1. Цілі та задачі

Робота має науково-практичний характер і головною її метою є дослідження методів та підходів до вирішення завдання обходу перешкод за допомогою одиночної камери і розробка вилученого діалогового управління мобільним роботом. При діалоговому керуванні, в разі не вирішення завдання обходу перешкоди, робот подає сигнал оператору і рухається за вказаним оператором напрямком.

Задачі:

  1. Дослідження можливостей бездротової передачі даних від терміналу керування до робота.
  2. Дослідження можливостей застосування комп'ютерного зору для мобільного робота.
  3. Розробка мінімальної структури для реалізації мобільного робота з можливістю віддаленого дистанційного керування.
  4. Розробка алгоритму визначення і обходу перешкод.
  5. Розробка програмного забезпечення, що дозволяє підключатися до даного роботу, керувати ним, мати можливість спостереження навколишнього оточення навколо робота.
  6. Проведення експериментів на отриманій реалізації робота.

2. Актуальність роботи

У випадках, коли людині-оператору неможливо перебувати в небезпечних для здоров'я і життя ситуаціях, без дистанційного керування неможливо обійтися. Слід згадати, що дистанційне керування може бути застосовне в управлінні будь-якою системою, що має електронне управління.

Дистанційне керування надає наступні переваги:

У разі управління рухомим об'єктом оператору важливо бачити обстановку навколо даного об'єкта. Для керування роботом обстановку можна спостерігати з боку об'єкта або всієї місцевості включаючи і сам об'єкт зверху. Останній спосіб вимагає невизначену кількість камер, залежне від складності рельєфу, тому найчастіше сам об'єкт оснащується системою відеоспостереження.

Одним з основних вимог до рухомого об'єкту крім руху в різних напрямках є обхід і уникнути зіткнення з перешкодами. В даний час існує величезна кількість методів і алгоритмів визначення перешкод, проте основним недоліком більшості методів є те, що майже всі методи вимагають певної апаратури, наприклад, різних датчиків. Різні методи вимагають різного набору датчиків. Сучасною тенденцією є дослідження застосування таких технологій, які дозволили б реалізовувати процеси так, як їх виконує людина. Це в першу чергу стосується і методик обходу перешкод. Реалізація методів комп'ютерного зору для визначення перешкод є складним завданням. Абсолютно недостатньо приєднати відеокамеру до комп'ютера і розраховувати, що така установка буде бичити, а тим більше реагувати на навколишні перешкоди.

3. Наукова новизна

Новизною є модифікація алгоритму обходу перешкод за даними з відеоряду для реалізації робота з мінімальною комплектацією і адаптація системи для управління з будь-якого комп'ютерного пристрою.

4. Огляд досліджень та розробок за темою

Неможливо визначити звідки бере свій початок історія керованих машин. Адже в деякому вигляді пісочний годинник теж є керованим роботом, а відомі він в Азії ще до Різдва Христового. Він виконуює монотонну нескладну роботу — вимірює час. По закінченню цього часу людина (людина-оператор) повинна зробити деякі дії для подальшої роботи годинника.

Промислова революція крім переходу від мануфактурного виробництва привнесла виробництво конвеєрне, яке вимагало механізації. Над кожною машиною стояло кілька операторів, які стежили за ходом виробничого процесу і коректували його.

Однак початком історії сучасних керованих машин можна вважати момент винаходу Раймондом Гоерцом ( Raymond Goertz ) сервоманіпулятора в 1951 році [2]. Слід зазначити, що цього року в СРСР виходить наказ про створення автоматичних систем управління військовою технікою. З цією метою в МВТУ ім. Баумана створена кафедра СМ-7, що згодом отримала назву кафедри спеціальної робототехніки і мехатроніки [3]. На базі кафедри в 1971 році була створена проблемна лабораторія, тематика якої була орієнтована на проектування і дослідження маніпуляційних систем, що працюють на об'єктах в екстремальних для людини умовах. Напрямки досліджень досить широкі включають космічні станції, підводні апарати, а також об'єкти, що працюють при високих рівнях радіації в атомній енергетиці і при надзвичайних ситуаціях.

Провідними галузями в Україні, які вимагають постійної модернізації обладнання, є важка промисловість і машинобудування. Підтримка людино-машинного взаємодії здійснюється в напрямку фахівець — інтелектуальний робот-маніпулятор [4]. Тому зараз робототехніка в Україні має в першу чергу промислове значення і всі розробки спрямовані в основному саме в цю галузь, хоча розвиваються й інші напрямки.

Враховуючи особливості Донбаського регіону, слід згадати, що управління та автоматизація направлені для потреб важкої промисловості. Донецький національний технічний уніварситет вів й веде розробки зокрема для галузі інформаційних технологій, машинобудування, металургії, гірничої справи [5].

Зараз більше уваги приділяється мобільним системам, їх перевага у вільному пересуванні в просторі. Схема системи управління для різних видів управління в основному схожа: людина - оператор - пульт керування - керований об'єкт. Реалізацій багато, в основному різноманітність забезпечується за рахунок зв'язку пульт управління - керований об'єкт. В якості пульта управління може виступати як спеціально розроблений пристрій, так і комп'ютер зі спеціальною програмою. Існують і екзотичні системи управління, наприклад, система мозок-комп'ютер описана в роботі Гранковського В.А. [6]

У сфері мобільних роботів пріоритетним є завдання забезпечення безпеки робота від зіткнень з перешкодами, подолання шляху по заданих маршрутах [7]. Способи знаходження перешкод залежать від використовуваних датчиків. Докладніше можна почитати за [8]. Сучасною тенденцією керування роботами є дослідження застосування таких технологій, які дозволили б реалізовувати процеси так, як їх виконує людина. Це в першу чергу стосується і методик обходу перешкод. Для фіксації зображення навколишнього середовища подібно людському оку використовується, як правило, камера, а технологія називається комп'ютерний зір.

Приклад мобільного робота – робот пилезбірник iRobot

Рисунок 1 – Приклад мобільного робота – робот пилезбірник iRobot

Згідно з останніми дослідженнями для орієнтації робота в просторі досить однієї камери. Проте, використовуючи одну камеру, ускладнюються алгоритми для розпізнавання перешкоди і визначення відстані до неї.

Для орієнтації робота в просторі необхідно вирішити ряд завдань [9]:

  1. Щоб рухатися до цілі, роботові необхідно сформувати досить точний образ навколишнього його простору. Дане завдання вирішується за допомогою датчиків. Однак при виборі датчиків варто враховувати середовище переміщення робота. Наприклад, при різній вологості повітря у ультразвукового датчика буде різний час відгуку, що позначиться на визначенні відстані до перешкоди. При використанні камери в якості датчика виявлення перешкоди потрібна велика обчислювальна потужність системи керування.
  2. 2. У ході руху робот має швидко і точно управляти мотором і положенням коліс. Розрахунок руху коліс найпростішого триколісного робота зводиться до системи диференціальних рівнянь (звідки і назва робота) [10]. В інших завданнях, пов'язаних з динамікою руху роботів (область теоретичної механіки), до знаходження відповіді ще дуже далеко, а пошук наближених коефіцієнтів, що визначають параметри руху, вимагає від бортового пристрою постійного рішення систем диференціальних рівнянь. Тому складності тут як технічні, так і теоретичні.
  3. Робот повинен знати своє реальне місцезнаходження. Визначення координат рухомого об'єкта – це одна з фундаментальних завдань навігації. Рішення даної проблеми для мобільного робота полягає в побудові моделі навколишнього світу та прилеглих перешкод. Наприклад, Скотом Ленсером і Мануеллою Велосо з університету Карнегі-Меллона була розроблена радіальна модель. Дана модель зберігається в пам'яті робота і містить інформацію про об'єкти навколишнього середовища, при цьому зберігається інформація тільки про найближчі об'єкти, за рахунок чого робот може їхати в будь-якому напрямку і уникати перешкод, якщо тільки не з'явилися нові перешкоди за той час, поки область і не була в зоні видимості [11].
  4. Забезпечити безперебійний зв'язок з оператором, або передбачити дії робота у разі втрати зв'язку.

В магістерській роботі пріоритетними є завдання 1 і 3. Аналіз літератури, присвяченої розробці методів обходу перешкод за допомогою обробки відеопотоку, показав, що в основному використовуються наступні основні методики:

Для обробки відеопотоку на предмет виявлення перешкод можливі дві реалізації :

  1. Потік обробляє безпосередньо бортовий комп'ютер робота. У виду цього випадку необхідний потужний мікроконтролер або мікрокомп'ютер.
  2. Потік транслюється на робочу станцію оператора. Після аналізу робоча станція формує команду і передає її роботу. Для трансляції необхідний передавач, що дозволяє передавати відео достатньої для розпізнавання якості.

Для трансляції відео оператору використовується стандарт IEEE 802.11 b/g/n, це дозволяє забезпечити безперебійну (в рамках стандарту) передачу даних і достатній радіус дії моделі.

5.Проведення досліджень і заплановані практичні результати

Для дослідження функціонування бездротової системи керування роботом, запропонована схема системи управління рухомим об'єктом. Система має можливість управління декількома рухомими об'єктами від одного термінального пристрою і забезпечує необхідний рівень перешкодозахищеності.

Схема зв'язку між комп'ютером (А) і танком (Б)

Рисунок 2 - Схема зв'язку між комп'ютером (А) і танком (Б)

Передача команд від термінального пристрою на об'єкт управління здійснюється за допомогою радіозв'язку, яка реалізована на модулях частотної модуляції HOPE RF HM - R433 і HOPE RF HM - T433 [14]. Модулі частотної модуляції підключаються до термінального пристрою і до пристрою управління рухомого об'єкта через послідовний інтерфейс RS-232 (СОМ - порт). Пристрій управління рухомим об'єктом побудовано на мікроконтролері ATmega 8 фірми Atmel [15]. Контролер отримує команди через радіозв'язок, аналізує їх і видає відповідні керуючі сигнали на блок управління об'єкта. Команди представляють собою коди ASCII.

Для керування об'єктом на комп'ютері встановлена програма Terminal 1.9b, яка дозволяє відправляти в СОМ-порт і отримувати з СОМ-порту інформацію. Термінальна програма імітує роботу органу управління об'єктом типу джойстик або клавіатури і використовується лише для налагодження системи управління.

Команди передаються у вигляді пакета даних. Пакет даних при передачі команди має наступний формат:

Пристрій управління об'єкта приймає пакет даних, обробляє його і виконує відповідну команду. У разі отримання команди відправки даних на сервер пристрій управління об'єкта відправляє пакет з наступною структурою:

Пристрій керування рухомого об'єкта реалізовано на мікроконтролері ATmega 8 фірми Atmel, структурна схема якого показана на рис. 3. Радіомодулі підключаються до пристрою управління через послідовний інтерфейс UART мікроконтролера. Модуль приймача HM-R433 до входу RXD, а модуль передавача до TXD. Для керування швидкістю обертання двигунів використовується широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), яка реалізована за допомогою таймерів мікроконтролера. Для управління лівим двигуном використовується вихід ОС1A мікроконтролера, а для управління правим - ОС1В. Напрямок обертання лівого і правого двигуна задається сигналами з висновків PB5 і PB6.

Датчик вимірювання рівня заряду батареї підключається до входу ADC0 аналого-цифрового перетворювача (АЦП) мікроконтролера. Датчик інфрачервоного освітлення - до входу ADC1.

Структурна схема пристрою керування танком

Рисунок 3 - Структурна схема пристрою керування танком

У ході експериментів було з'ясовано, що дана система працює на відстані 30 м. Швидкість передачі 9600 бод. Для передачі відео необхідна швидкість передачі не менше 1,8 Мб/с. Таким чином для камери необхідний окремий передавач.

Провівши аналіз апаратних засобів, для реалізації керованого робота, з можливістю відеоспостереження та обходом перешкод, були визначені апаратні засоби, необхідні для створення простого мобільного робота для даного дослідження:

  1. Рухлива платформа.
  2. Датчики для визначення перешкод.
  3. Приемопередатчик для передачі інформації про стан мобільного робота і команд мобільному роботу від оператора.
  4. Пристрій керування роботом, яке буде розташовуватися на рухомій платформі і обробляти команди оператора і формувати повідомлення про поточний стан.
  5. Робоча станція оператора.
  6. Пристрій спостереження за роботом.

Принцип роботи даної системи наведений на рисунку 4.

Загальна схема пристрою.

Рисунок 4 - Загальна схема пристрою.

(Анімація: 3 повтори; 400х251 пкс; 28,9 кБ)

В якості робочої станції оператора використовується ноутбук з Wi-Fi-передавачем. Пульт керування можливо реалізувати на базі телефону з ОС Android.

Як датчик і передавача інформації про середовище навколо робота використовується IP-камера WEBCAM for ISO ANDROID. Характеристики камери наступні:

У даному дослідженні обхід перешкод реалізується з використанням тільки відеопотоку, тому в якості датчиків використовується відеокамера. З огляду на те, що алгоритм обробки відеопотоку ще на стадії розробки і в ході дослідження піддається модифікаціям, вирішено використовувати варіант обробки відеопотоку на терміналі управління. Значною перевагою цього вибору є те, що мобільний робот не потребує потужного бортовому комп'ютері, а отже можна обійтися мікроконтролером сімейства ATtiny або ATmega фірми Atmel.

В якості передавача обраний Wi-Fi модуль SPB800 [16]. Модуль обраний завдяки наступним характеристикам:

Для подачі керуючого сигналу на двигуни станції використовується драйвер L293D. Схема L293D містить одразу два драйвера для управління електродвигунами невеликої потужності (чотири незалежних канали, об'єднаних у дві пари). Є можливість керувати за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). L293D забезпечує поділ електроживлення для мікросхеми і для керованих нею двигунів, що дозволяє підключити електродвигуни з великою напругою живлення, ніж у мікросхеми.

Алгоритм керування складається з наступних кроків:

Алгоритми обробки відеоданих здійснені завдяки бібліотеці OpenCV.

Висновки

В магістерській роботі реалізовано і досліджено зв'язок між керуючим терміналом (комп'ютером) і рухомим об'єктом. З'ясовано, що для реалізації системи відеоспостереження можливостей даної реалізації недостатньо.

Обгрунтовано вибір мінімальної конфігурації для реалізації мобільного робота з відеокамерою в якості єдиного датчика. Передбачена можливість трансляції відео оператору.

Проведено аналіз базових алгоритмів обробки відеоданих і виявлення перешкод.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Срок завершення: грудень 2014 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Список посилань

  1. Юревич Е.И. «Основы робототехники». - 2-е изд., перераб. и доп. - Спб.: БХВ-Петербург, 2005. - 416 с.: ил.
  2. Мой робот РУ сайт посвященный робототехнике / Інтернет-ресурс. - Режим доступу: www/ URL: http://www.myrobot.ru/articles/hist_1950.php - Гол. з екрану
  3. Кафедра "Специальная робототехника и мехатроника", МГТУ им. Н.Э.Баумана, история кафедры / Інтернет-ресурс. - Режим доступу: www/ URL: http://hoster.bmstu.ru/~sm7/History/History_glavnew.htm - Гол. з екрану
  4. Соснина А., статья «Сучасний стан та перспективи розвитку робототехніки в Україні», 2013.
  5. Технический парк Донецкого национального университета / Інтернет-ресурс. - Режим доступу: www/ URL: http://masters.donntu.ru/techpark/index.htm - Гол. з екрану
  6. Моя магистерская / Гранковский В.А. / Інтернет-ресурс. - Режим доступу: www / URL: http://masters.donntu.ru/2013/fknt/grankovsky/thesis.htm- Гол. з екрану
  7. Беспилотный автомобиль Google (Google)
  8. Как смартфоны чувствуют мир. Часть 1: акселерометры, гироскопы и другие сенсоры / Олег Коленченко / Інтернет-ресурс. - Режим доступу: www / URL: http://www.ferra.ru/ru/techlife/review/mems-part-1/#.U4iJ7vl_voF - Гол. з екрану
  9. История вычислительной техники за рубежом / Інтернет-ресурс. - Режим доступу: www / URL: http://www.computer-museum.ru/frgnhist/ - Гол. з екрану
  10. KINEMATICS MODELS OF MOBILE ROBOTS / Інтернет-ресурс. - Режим доступу: www / URL: http://users.isr.ist.utl.pt/~mir/cadeiras/robmovel/Kinematics.pdf - Гол. з екрану
  11. Visual Sonar: Fast Obstacle Avoidance Using Monocular Vision / Інтернет-ресурс. - Режим доступу: www / URL: http://www.cs.cmu.edu/~mmv/papers/03iros-sonar.pdf - Гол. з екрану
  12. Optical Flow based robot obstacle avoidance/ Інтернет-ресурс. - Режим доступу: www/ URL: http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/4206.pdf - Гол. з екрану
  13. A Simple Interface for Mobile Robot Equipped with Single Camera using Motion Stereo Vision/ Інтернет-ресурс. - Режим доступу: www/ URL: http://www.ijmlc.org/papers/204-L293.pdf - Гол. з екрану
  14. Радиомодули HOPE-RF. С. Светлов// Беспроводные технологии – 2009, №2. – С.32 – 35.
  15. Евстифеев, А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя. — М.:Издательский дом «Додэка-XXI», 2007. — 592 с: ил.
  16. Техническая документация SPB800 /Интернет-ресурс. - Режим доступа: www / URL: http://datasheet.octopart.com/SPB800-BCP1-H%26D-Wireless-datasheet-17745178.pdf- Гол. з екрану