WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Ордена Ленина

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ

имени М.В. Келдыша

На правах рукописи

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

Охоцимский 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 " 14 " 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.Келдыша РАН.

Автореферат разослан " 31 " января 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор физико-математических наук Т.А. Полилова

Общая характеристика работы.

Диссертация посвящена решению задачи разработки алгоритмов, аппаратно-программных систем и инструментальных средств для формирования управления автоматическим движением манёвренного мобильного робота в стесненных условиях внутри бытовых помещений. Для её решения был создан лабораторный макет высокоманёвренного 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 манёвренного 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 манёвренностью. Исследование свойств и учёт особенностей его сложных кинематических характеристик.
  • 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 трёхколёсного полноприводного движителя нового типа;
  2. Получены новые результаты исследования свойств специального («вальсирующего») типа движения такого движителя;
  3. Предложен новый метод вейвлет-описания круговой сцены видимого 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 её 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.Келдыша 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. Келдыша 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 страницы.

Содержание диссертации.

Введение содержит краткое описание современного состояния развития и использования автономных мобильных роботов. Обосновывается актуальность решения проблемы организации их движения в стеснённых условиях внутри помещений.

В первой главе вводится понятие класса "комнатных" мобильных роботов, исследуемых в диссертации. Их особенностью является использование трехколёсного движителя, предназначенного для движения по плоскости пола внутри помещений. Другой важной их особенностью являются высокие требования к характеристикам манёвренности движителя в условиях движения в тесном пространстве. Глава содержит обзор литературы, посвящённой решению проблем управления движением таких роботов и анализ манёвренности трёхколёсных мобильных роботов. Показана необходимость использования более манёвренной, 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 трёхколёсного робота "Трикол" с полноприводным движителем, с богатой сенсорной системой и с мощными 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 Wi совпадают с проекцией центров самих колес. Этот факт значительно упрощает уравнения для векторов скоростей колес робота vi, обеспечивающие движение робота без проскальзывания в случае поступательного и/или вращательного движения.

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 скоростью . 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 , радиус подвижной центроиды должен быть равен. Сама центроида должна катиться по прямой параллельной V со скоростью вращения равной , а её центр - совпадать с центром корпуса робота A.

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 описывает ориентацию вектора v относительно корпуса робота, величина – угловую скорость вращения вектора v вокруг рулевой оси, а угол обозначает угол поворота корпуса робота относительно исходной позиции, то поведение вектора скорости колеса v при вальсирующем движении описывается следующими формулами:

.

.

В следующем разделе 2.4. проведено исследование свойств исполнения движений робота. Введены обозначения: – максимальная скорость вращения колеса вокруг маршевой оси; – максимальная скорость вращения колеса вокруг рулевой оси; rK - радиус колеса робота, VK= *rK - максимальная линейная скорость центра колеса. Тогда максимальная скорость робота равняется VK, а максимальная угловая скорость вращения max вокруг неподвижного центра K выражается формулой:

При вальсирующем движении робота имеются ограничения возможных движений, обусловленные максимальными скоростями вращения колес вокруг своих осей, которые имеют следующий вид:

,где =

При этом оказывается, что для случая R= последнее неравенство не выполняется, так как максимум угловой скорости руля колеса обращается в бесконечность. Поэтому вальсирующее движение робота в таком режиме невозможно, а одним из главных его свойств является отношение /R. Важной характеристикой вальсирующего движения является поведение функции () для различных соотношений R и . Для случая R< () является периодической функцией и ее амплитуда не превышает /2 (Рис. 3). В случае R> функция () монотонна (Рис. 4), что является критическим фактором, если подвижность рулей колес ограничена.

В этом разделе получена область допустимых движений робота в координатах и (Рис. 5). Изолинии постоянной скорости движения центра робота в этих координатах - это прямые, выходящие из начала координат, а изолинии максимальной угловой скорости рулевого движения колеса – прямые функции модуля H. 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 h 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(x) от положения х его образа на плоскости ПЗС-матрицы видеокамеры для произвольного угла при вершине конического отражателя в этой модели имеет следующей вид:

.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»