Аннотация
Гаврилов А. Е., Даншин А.С., Бурханов А.А. В работе описывается концепция шагающего робота с ортогональным шагающим движителем, оборудованного системой мониторинга окружающей среды. Описывается конструкция роботизированной транспортной платформы, в которой для перемещения используется шагающий ортогональный движитель. Приводятся основные сведения о системе управления.
Общая постановка проблемы
Проблема сохранения экологии планеты является важной и сложной задачей для всех стран мира без исключения [1]. Сохранение экологической ситуации включает в себя решение множества взаимосвязанных, трудно формализуемых задач. Для решения подобных задач необходимо создание экспертных систем для накопления и анализа информации об окружающей среде. В настоящее время для наблюдения, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов используются различные методы [1, 2]. Для выяснения экологического состояния, снятия проб в зараженных и опасных областях организуются экспедиции в труднодоступные районы, проводятся аналитические исследования и т. д. Проведение экспедиций является невыгодным в финансовом отношении и впоследствии не всегда окупается. Проведение экспедиций, помимо экономических затрат, носит временный характер, а для выявления фундаментальных закономерностей информацию об окружающей среде необходимо получать постоянно, в течение длительного периода времени. Проведение длительных экспедиций для постоянного круглогодичного получения информации и проведения замеров интересующих показателей также экономически не обосновано из-за географической удаленности и труднодоступности мест мониторинга.
В результате появления новых мощных вычислительных систем стало возможным точное управление сложными электромеханическими исполнительными механизмами. В результате человечество научилось решать ряд задач и выполнять большое количество работ с помощью роботов. Применение робототехнических средств, для решения различных задач в особых условиях, по сравнению с человеческим трудом, имеет ряд преимуществ. Роботы выполняют работу быстрее и с меньшими погрешностями чем человек, с меньшими финансовыми затратами, и с большей производительностью. Поэтому повсеместное внедрение робототехнических систем для выполнения различных работ и технологических операций становится приоритетным направлением развития. Создание автономной роботизированной шагающей платформы, предназначенной для непрерывного сбора, записи, частичного анализа и передачи интересующей информации для детального мониторинга окружающей среды, реализуемого в пределах небольших террито- рий, является важной и актуальной задачей.
Основным недостатком робототехнических систем является то, что высокоточные и обладающие относительно длительным сроком эксплуатации роботы, применяемые для выполнения специальных операций в особых условиях, имеют высокую стоимость и отсутствие возможности длительной автономной работы без вмешательства оператора и подзарядки батарей. Большинство мобильных робототехнических систем для перемещения используют колесный или гусеничный движители, что целесообразно при движении по заранее подготовленному маршруту. При отсутствии возможности заблаговременного обустройства трассы применение колесных и гусеничных движителей при движении по пересеченной местности затруднено ввиду того, что такие движители имеют невысокие возможности грунтовой и профильной проходимости, а также обладают высоким удельным давлением на опорную поверхность. По сравнению с ними шагающие движители имеют ряд преимуществ, основными из которых являются: отсутствие сплошной колеи; возможность переступать через препятствия без потери скорости, а также регулируемые параметры профильной и грунтовой проходимости.
В ВолгГТУ на базе опытного образца робота с ортогональным шагающим движителем создан прототип роботизированной платформы [9] для детального мониторинга основных показателей окружающей среды. При проектировании мобильных робототехнических систем невозможно не учитывать специфику условий окружающей среды, в которой в дальнейшем предстоит использовать РТС [3]. Для автономного функционирования необходимо, чтобы роботизированная платформа имела постоянный источник энергии, герметичный корпус для расположения аккумуляторных батарей и системы управления, позволяющий функционировать в штатном режиме всем системам робота.
Автономная роботизированная шагающая платформа состоит из движителя (рис. 1, 2), системы управления движением, приводов курсового (горизонтального) перемещения, приводов адаптации (вертикального перемещения), привода поворота (углового перемещения), набора датчиков обратной связи, аккумуляторных батарей, солнечных батарей и генератора электроэнергии.
------------------------Кинематическая схема робота позволяет перемещаться, используя различные алгоритмы. Возможны алгоритмы, реализующие прямолинейное движение, а также маневрирование при движении по местности, содержащей препятствия, размеры которых находятся в пределах его адаптационных возможностей. Подробно алгоритмы перемещения робота описаны в работах [3, 4, 5, 6, 11].
Для робота с шагающим с электромеханическим приводом, со стандартным электродвигателем постоянного тока используется система управления движением на базе нескольких плат платы «Arduino Uno» (рис. 4), с силовыми ключами для питания двигателей. Система управления предполагает наличие системы технического зрения [10].
Платформа Arduino была выбрана благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов.
Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Arduino и среды разра- ботки Arduino. Проекты могут работать самостоятельно, либо же взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере. Программное обеспечение доступно для бесплатного скачивания. Исходные чертежи схем являются общедоступными, пользователи могут применять их по своему усмотрению.
Рис. 4 – Arduino UNO
Arduino Uno контроллер построен на ATmega328. Платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или батареи.
Для связи по USB Arduino Uno использует микроконтроллер ATmega8U2.
Arduino Uno может получать питание через подключение USB или от внешнего источника питания. Источник питания выбирается автоматически.
Внешнее питание может подаваться через преобразователь напряжения AC/DC или аккумуляторной батареей. Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2,1 мм с центральным положительным полюсом.
Платформа может работать при внешнем питании от 6 до 20 В. При напряжении питания ниже 7 В, вывод 5V может выдавать менее 5 В, при этом платформа может работать нестабильно. При использовании напряжения выше 12 В регулятор напряжения может перегреться и повредить плату. Рекомендуемый диапазон от 7 до 12 В.
Каждый из 14 цифровых выводов Uno может настроен как вход или выход, используя функции pinMode(), digitalWrite(), и digitalRead(). Выводы работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор 20–50 кОм и может пропускать до 40 мА. Некоторые выводы имеют особые функции:
последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX). Выводы используются для получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Данные выводы подключены к соответствующим выводам микросхемы последовательной шины ATmega8U2 USB-to-TTL. Внешнее прерывание: 2 и 3. Данные выводы могут быть сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на переднем или заднем фронте, или при изменении значения. Подробная информация находится в описании функции attachInterrupt(); ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с разрешением 8 бит при помощи функции analogWrite(); токовая защита разъема USB.
В Arduino Uno встроен автоматический предохранитель, защищающий порт USB компьютера от токов короткого замыкания и сверхтоков. Хотя практически все компьютеры имеют подобную защиту, тем не менее, данный предохранитель обеспечивает дополнительный барьер. Предохранитель срабатывает при прохождении тока более 500 мА через USB-порт и размыкает цепь до тех пор, пока нормальные значения токов не будут восстановлены.
В результате проведения исследований, направленных на создание автономной РТС для функционирования в недеретминированных условиях, создана концепция автономной роботизированной платформы для мониторинга окружающей среды.
Список использованной литературы
1. Израэль, Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды / Ю. А. Израэль. – Л.: Гидрометеоиздат,
1979.– 376 с.
2. Муртазов, А. К. Экологический мониторинг. Методы и средства : учеб. пособие / А. К. Муртазов.– Рязань, 2008.– 146 с.
3. Моделирование движения шагающей машины с ортогонально-поворотными движителями / В. А. Шурыгин, В. А. Серов, Н. Г. Шаронов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2011. Т. 9. № 11. С. 41–44.
4. Об управлении движением шагающей машины со сдвоенными ортогонально-поворотными движителями / Е. С. Брискин, И. П. Вершинина, А. В. Малолетов, Н. Г. Шаронов // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. -2014.– № 3. – С. 168.
5. 5. Гаврилов, А. Е. Синтез оптимального программного закона перемещения робота с ортогональными шагающими движителями / А. Е. Гаврилов, В. В. Жога, П. В. Федченков // Известия РАН. Теория и системы управления. –2011. – № 5. – С. 164–173.
6. Жога, В. В. Программные движения робота с ортогональным шагающим движителем / В. В. Жога, А. Е. Гаврилов // Изв. ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 11 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2011. – № 9. – C. 22–28.
7. Пат. 2435693 РФ, МПК B62D57/032. Шагающий
движитель повышенной проходимости / А. Е. Гаврилов,
В. В. Жога, В. Е. Павловский, П. В. Федченков ; ВолгГТУ. –2011.
8. П. м. 87404 РФ, МПК В 62 D 57/02. Шагающий
движитель для перемещения по местности со сложным
рельефом / Е. С. Брискин, А. Е. Гаврилов, В. В. Жога,
В. Е. Павловский ; ВолгГТУ.
– 2009.
9. Гаврилов, А. Е. Роботизированная транспортная
платформа с шагающим ортогональным движителем /
А. Е. Гаврилов, Д. В. Голубев, А. С. Даншин // Известия
ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 19 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ.
– Волгоград, 2013.
– № 24 (127).
– C. 15–22.
10. Адаптация алгоритмов технического зрения для систем управления шагающими машинами / С. А. Быков, А. В. Еременко, А. Е. Гаврилов, В. Н. Скакунов // Изв. ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 10 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ.
– Волгоград, 2011.
– № 3.
– C. 52–56.
11. Жога, В. В. Динамический алгоритм стабилизации
походки шагающей машины / В. В. Жога, А. Е. Гаврилов //
Искусственный интеллект / НАН Украины. – 2008. – № 3. –C. 428–433.