Сети сотовой связи, как канал связи или управления беспилотником

Повышение точности и качества управления движением мобильных роботов на основе позиционно-силовых алгоритмов для канала обратной связи систем двустороннего действия

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл.’, MOUSEOFF, FGCOLOR, ‘#FFFFCC’,BGCOLOR, ‘#393939’);” onMouseOut=”return nd();”> Диссертация, – 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат – бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Фархатдинов, Ильдар Галимханович. Повышение точности и качества управления движением мобильных роботов на основе позиционно-силовых алгоритмов для канала обратной связи систем двустороннего действия : диссертация … кандидата технических наук : 05.02.05 / Фархатдинов Ильдар Галимханович; [Место защиты: Моск. гос. технол. ун-т “Станкин”].- Москва, 2022.- 115 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/3357

Введение к работе

Актуальность. Системы двустороннего управления широко применяются в дистанционном управлении копирующими манипуляторами. Существует множество публикаций, посвященных теоретическим и практическим аспектам разработки и применения систем дистанционного управления манипуляторами. Однако в отечественной литературе практически отсутствуют исследования, посвященные дистанционному управлению мобильными роботами с применением систем двустороннего действия. Поэтому важным предметом для исследования является построение алгоритмов вычисления усилий для систем двустороннего действия при дистанционном управлении мобильными роботами. Дистанционное управление мобильными роботами находит свое применение во многих отраслях экономики. При дистанционном управлении мобильными роботами основным каналом обратной связи, как правило, является визуальный. Однако могут возникать ситуации, в которых визуальная информация мало информативна ввиду специфики выполняемых роботом операций и/или визуальная информация передается человеку-оператору с искажениями. В таких случаях необходимо иметь альтернативные каналы обратной связи, например, силовые человеко-машинные интерфейсы. Поэтому применение систем отражения усилий для дистанционного управления мобильными роботами может существенно повысить качество управления и обеспечить человека-оператора удобным интерфейсом взаимодействия с роботом.

Целью исследования является повышение точности и качества управления движением дистанционно управляемых мобильных роботов при выполнении операций в средах с высокой плотностью окружающих объектов.

Задачи работы:

  1. Анализ специфики операций и формирование требований к системе дистанционного управления мобильным роботом в средах с высокой плотностью окружающих объектов.

  2. Разработка позиционно-силовых алгоритмов для канала обратной связи системы дистанционного управления мобильным роботом.

  3. Построение математической модели и выполнение компьютерного моделирования.

  4. Экспериментальное исследование позиционно-силовых алгоритмов в канале обратной связи системы дистанционного управления мобильным роботом.

Методы исследования. В работе использованы методы классической теории линейных систем автоматического управления, метод функций Ляпунова для анализа устойчивости нелинейных систем, методы численного моделирования динамических систем. Использован системный подход к ис-

следованию системы дистанционного управления мобильным роботом, как целостного объекта.

Научная новизна работы заключается:

в структуре робототехнической системы дистанционного управления мобильным роботом, включающей в себя канал силовой обратной связи, отражаемой человеку-оператору, на основании расстояния от мобильного робота до объектов внешней среды.

в позиционно-силовом алгоритме канала обратной связи для систем двустороннего действия дистанционно управляемых мобильных роботов, основанном на дозировании отражаемых человеку-оператору усилий на основании скорости движения мобильного робота.

в математической модели системы дистанционного управления мобильным роботом с предложенным позиционно-силовым алгоритмом канала обратной связи.

в анализе устойчивости системы с каналом обратной связи по силе и определении областей допустимых значений коэффициентов обратной связи для обеспечения стабильной работы системы.

в определении влияния позиционно-силовых каналов обратной связи на точность и качество управления движением мобильного робота путем проведения экспериментальных исследований и компьютерного моделирования.

Практическая ценность:

  1. Построенный позиционно-силовой алгоритм позволяет повысить точность и безопасность дистанционного управления мобильным роботом.

  2. Определены требования, предъявляемые к разработке позиционно-сило-вых алгоритмов каналов обратной связи в системах дистанционного управления мобильными роботами.

  3. Разработана математическая модель системы в среде MATLAB, являющаяся эффективным средством компьютерного моделирования для исследования динамических характеристик системы управления.

Реализация работы. В результате исследования была построена экспериментальная установка для дистанционного управления мобильным роботом с позиционно-силовым каналом обратной связи. Построенная установка применяется для дальнейших исследований в робототехнической лаборатории Корейского университета технологии и образования.

Апробация работы. Результаты докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научных форумах:

– Международной научной конференции “IEEE/RSJ Intelligent robots
and systems 2022″ (IEEE/RSJ IROS 2022), организованной Институтом ин
женеров по электротехнике и электронике (IEEE) и японским робототех-
ническим обществом (RSJ), 2022 год, Тайпей, Тайвань.

Международной научной конференции “Eurohaptics 2022,” организованной европейским обществом по тактильным интерфейсам, 2022 год, Амстердам, Нидерланды.

Международном научном симпозиуме “IEEE Haptics symposium 2022,” организованном Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), 2022 год, Бостон, США.

Международной научной конференции “IEEE Computational intelligence in robotics and automation 2009” (IEEE CIRA 2009), организованном Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), 2009 год, Тэджон, Южная Корея.

Международной научной конференции “IEEE/ASME Advanced intelligent mechatronics 2008” (IEEE/ASME AIM 2008), организованной Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и американским обществом инженеров-механиков (ASME), 2008 год, Сиан, Китай.

Семнадцатом всемирном конгрессе международной федерации по автоматическому управлению (IFAC World Congress 2008), 2008 год, Сеул, Южная Корея.

Международной научной конференции “International Conference on Control, Automation and Systems 2007” (IEEE/ICROS ICC AS 2007), организованной Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Институтом управления, робототехники и систем (ICROS), 2007 год, Сеул, Южная Корея.

Научных семинарах на кафедре “Робототехника и мехатроника”, МГТУ “СТАНКИН”.

Научных семинарах в лаборатории Био-роботехники в Корейском технологическом университете, Чхонан, Южная Корея.

Результаты работы были отмечены на международном научном симпозиуме “IEEE Haptics symposium 2022,” организованном Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), дипломом за лучший доклад.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в виде статей в научных рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, в виде статей в сборниках международных рецензируемых научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 1 таблицу и список литературы, включающий 107 наименований.

2454313 – мобильный робот с автономной навигационной системой (варианты) —

Мобильный робот с автономной навигационной системой (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Изобретение относится к робототехнике. Мобильный робот содержит автономную навигационную систему для перемещения в среде с навигационными маркерными элементами, платформу, три колеса, установленные на платформе три колесные вилки, причем в качестве колесной вилки третьего колеса используют вилку «рояльного» типа, два электродвигателя, источник питания и бортовую вычислительную сеть. При использовании навигационных маркерных элементов в виде установленных на опорной плоскости светоизлучающих маяков автономная навигационная система выполнена с возможностью кругового сканирования пространства, а бортовая вычислительная сеть выполнена с возможностью сбора и обработки данных с датчиков угла поворота и датчиков скорости вращения первого и второго колес и формирования и передачи управляющих сигналов на электродвигатели первого и второго колес. При использовании навигационных маркерных элементов в виде нанесенной на опорную плоскость светоконтрастной полосы автономная навигационная система выполнена с возможностью определения отклонения проекции точки середины передней кромки платформы робота на опорную плоскость от средней линии светоконтрастной полосы и отклонения продольной оси платформы робота от касательной к средней линии светоконтрастной полосы в указанной точке. Предлагаемое изобретение направлено на повышение маневренности мобильного робота. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

Реферат

Изобретение относится к робототехнике и может найти применение в качестве мобильного робота и самодвижущейся транспортной тележки.

Известен мобильный робот, содержащий платформу со смонтированными на ней колесами, датчиками параметров движения и бортовой компьютер (патент RU №2303240, 2006 г.).

Данный робот обладает ограниченной маневренностью.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является мобильный робот, содержащий автономную навигационную систему для перемещения в среде с навигационными маркерными элементами, платформу, три колеса, три колесных вала со смонтированными на них упомянутыми колесами, установленные на платформе три колесные вилки, два электродвигателя, датчик угла поворота первого колеса, датчик скорости вращения первого колеса, источник питания и бортовую вычислительную сеть, при этом колесный вал первого колеса кинематически связан с выходным валом первого электродвигателя, датчиком угла поворота первого колеса и датчиком скорости вращения первого колеса, а оси колесных валов первого и второго колес лежат на одной прямой (патент RU №2130618, 1994 г.).

Конструктивные особенности данного робота не позволяют ему разворачиваться на месте и осуществлять движение в произвольном направлении без предварительной ориентации робота, что ограничивает его маневренность в целом. В качестве навигационных маркерных элементов в нем используются катушки индуктивности, размещенные над опорной плоскостью, а в качестве датчиков ориентации робота относительно навигационных маркерных элементов – катушки индуктивности, установленные на платформе робота.

Такой робот не может определять направление на навигационные маркерные элементы в цехах промышленных предприятий в присутствии сильных электромагнитных полей от работающего оборудования.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение по первому варианту, является повышение маневренности и расширение функциональных возможностей мобильного робота за счет обеспечения возможности определять направление и осуществлять движение на навигационные маркерные элементы в цехах промышленных предприятий в присутствии сильных электромагнитных полей от работающего оборудования.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение по второму варианту, при котором в качестве навигационных маркерных элементов используют нанесенную на опорную плоскость светоконтрастную полосу, является повышение маневренности мобильного робота и расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения возможности определять свое положение относительно навигационных маркерных элементов в цехах промышленных предприятий в присутствии сильных электромагнитных полей от работающего оборудования за счет выполнения навигационной системы с возможностью определения отклонения проекции точки середины передней кромки платформы робота на опорную плоскость от средней линии светоконтрастной полосы и определения отклонения продольной оси платформы робота от касательной к средней линии светоконтрастной полосы в указанной точке.

Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что в мобильный робот, содержащий автономную навигационную систему для перемещения в среде с навигационными маркерными элементами, платформу, три колеса, три колесных вала со смонтированными на них упомянутыми колесами, установленные на платформе три колесные вилки, два электродвигателя, датчик угла поворота первого колеса, датчик скорости вращения первого колеса, источник питания и бортовую вычислительную сеть, при этом колесный вал первого колеса кинематически связан с выходным валом первого электродвигателя, датчиком угла поворота первого колеса и датчиком скорости вращения первого колеса, а оси колесных валов первого и второго колес лежат на одной прямой, дополнительно введены датчик угла поворота второго колеса и датчик скорости вращения второго колеса, кинематически связанные с колесным валом второго колеса, кинематически связанным с выходным валом второго электродвигателя, в качестве колесной вилки третьего колеса используют вилку «рояльного» типа, при этом в качестве навигационных маркерных элементов используют установленные на опорной плоскости светоизлучающие маяки, автономная навигационная система выполнена с возможностью кругового сканирования пространства, а бортовая вычислительная сеть выполнена с возможностью сбора и обработки данных с датчиков угла поворота и датчиков скорости вращения первого и второго колеса и формирования и передачи управляющих сигналов на электродвигатели первого и второго колеса.

Читайте про операторов:  533-ФЗ О внесении изменений в Федеральный закон

При этом автономная навигационная система, выполненная с возможностью кругового сканирования пространства, состоит из двух частей, первая из которых содержит оптический сканер кругового обзора пространства, а вторая часть содержит узел приема и обработки сигнала с выхода оптического сканера кругового обзора пространства, при этом первая и вторая части автономной навигационной системы соединены между собой беспроводным оптическим каналом связи через вращающееся сочленение.

При этом в мобильный робот введены установленная на платформе мачта, первая площадка, жестко закрепленная на мачте параллельно платформе, третий электродвигатель и третий датчик угла поворота, установленные на первой площадке, вторая площадка, установленная на мачте параллельно платформе с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси мачты и кинематически связанная с третьим электродвигателем и третьим датчиком угла поворота второй площадки, причем на второй площадке установлен оптический сканер кругового обзора пространства, например фотообъектив, оптическая ось которого лежит в горизонтальной плоскости и пересекается с осью мачты, а узел приема и обработки сигнала с выхода оптического сканера кругового обзора пространства содержит фотоприемный элемент, например фотодиод, и последовательно соединенные усилитель и компаратор, при этом выход фотоприемного элемента соединен со входом усилителя, а сам фотоприемный элемент смонтирован внутри мачты таким образом, что его фотоприемная плоскость расположена перпендикулярно оси мачты, а ось проходит через центр фотоприемной плоскости.

При этом беспроводный оптический канал связи через вращающееся сочленение выполнен в виде преломляющей призмы, смонтированной на второй площадке таким образом, что луч света, попавший на фотообъектив по его оптической оси, преломляется в преломляющей призме на 90° и направляется в центр фотоприемного элемента по оси мачты.

При этом бортовая вычислительная сеть содержит головной контроллер, контроллер управления первым электродвигателем, контроллер управления вторым электродвигателем и контроллер управления третьим электродвигателем, объединенные через общую шину, при этом выходы контроллеров и управления первым, вторым и третьим электродвигателями подключены к управляющим входам соответственно первого, второго и третьего электродвигателей, соответствующие входы контроллера управления первым электродвигателем соединены с датчиком угла поворота первого колеса и датчиком скорости вращения первого колеса, соответствующие входы контроллера управления вторым электродвигателем соединены с датчиком угла поворота второго колеса и датчиком скорости вращения второго колеса, а соответствующий вход контроллера управления третьим электродвигателем соединен с датчиком угла поворота второй площадки.

Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что в мобильный робот, содержащий автономную навигационную систему для перемещения в среде с навигационными маркерными элементами, платформу, три колеса, три колесных вала со смонтированными на них упомянутыми колесами, установленные на платформе три колесные вилки, два электродвигателя, датчик угла поворота первого колеса, датчик скорости вращения первого колеса, источник питания и бортовую вычислительную сеть, при этом колесный вал первого колеса кинематически связан с выходным валом первого электродвигателя, датчиком угла поворота первого колеса и датчиком скорости вращения первого колеса, а оси колесных валов первого и второго колес лежат на одной прямой, дополнительно введены датчик угла поворота второго колеса и датчик скорости вращения второго колеса, кинематически связанные с колесным валом второго колеса, кинематически связанным с выходным валом второго электродвигателя, в качестве колесной вилки третьего колеса используют вилку «рояльного» типа, при этом в качестве навигационных маркерных элементов используют нанесенную на опорную плоскость светоконтрастную полосу, а автономная навигационная система выполнена с возможностью определения отклонения проекции точки середины передней кромки платформы робота на опорную плоскость от средней линии светоконтрастной полосы и отклонения продольной оси платформы робота от касательной к средней линии светоконтрастной полосы в указанной точке.

При этом автономная навигационная система содержит стойки и четвертый контроллер, установленные на платформе, кронштейн, визуальный датчик обзора части опорной плоскости перед передней кромкой платформы робота, при этом визуальный датчик установлен на кронштейне, смонтированном на стойках.

При этом визуальный датчик содержит фотообъектив с установленной в его фокусной плоскости фотоприемником, например, фотоприемной матрицей, выходы которой подключены к соответствующим входам четвертого контроллера.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен внешний вид робота по первому варианту.

На фиг.2 изображен внешний вид платформы робота с установленными на ней элементами по первому и второму варианту (вид снизу).

На фиг.3 приведена кинематическая схема робота по первому варианту, а на фиг.4 – функциональная схема бортовой вычислительной сети робота с подключенными к ней элементами по первому варианту.

На фиг.5 показана функциональная схема автономной навигационной системы, а на фиг.6 – эпюры сигналов с выходов элементов узла приема и обработки сигнала от светоизлучающего маяка автономной навигационной системой по первому варианту.

На фиг.7 изображен внешний вид робота по второму варианту.

На фиг.8 приведена кинематическая схема робота по второму варианту, а на фиг.9 – функциональная схема бортовой вычислительной сети робота с подключенными к ней элементами по второму варианту.

На фиг.10 схематично показан вид сверху на платформу робота с указанием части опорной плоскости перед передней кромкой платформы робота, находящейся в поле зрения визуального датчика, а на фиг.11 – схематическое изображение фотоприемной матрицы при обработке сигнала от визуального датчика.

На фиг.1-11 обозначены: 1 – платформа; 2, 3 и 4 – первое, второе и третье колесо соответственно; 5, 6 и 7 – колесные валы первого, второго и третьего колеса соответственно; 8, 9 и 10 – колесные вилки первого, второго и третьего колеса соответственно; 11 и 12 – электродвигатели первого и второго колеса соответственно; 13 – датчик угла поворота первого колеса; 14 – датчик скорости вращения первого колеса; 15 – источник питания; 16 – бортовую вычислительную сеть; 17 – выходной вал первого электродвигателя; 18 и 19 – оси колесных валов первого и второго колеса соответственно; 20 – датчик угла поворота второго колеса; 22 – датчик скорости вращения второго колеса; 23 – светоизлучающие маяки; 24 – оптический сканер кругового обзора пространства, например, первый фотообъектив; 25 – узел приема и обработки сигнала с выхода оптического сканера кругового обзора пространства; 26 – беспроводный оптический канал связи через вращающееся сочленение; 27 – вращающееся сочленение; 28 – мачта; 29 – первая площадка; 30 – третий электродвигатель; 31 – третий датчик угла поворота; 32 – вторая площадка; 33 – ось мачты; 34 – оптическая ось фотообъектива; 35 – фотоприемный элемент; 36 – усилитель; 37 – компаратор; 38 – головной контроллер; 39, 40 и 41 – контроллер управления первым, вторым и третьим электродвигателем соответственно; 43 – светоконтрастная полоса; 44 – продольная ось платформы; 45 – стойки; 46 – четвертый контроллер; 47 – кронштейн; 48 – визуальный датчик обзора части опорной плоскости перед передней кромкой платформы робота; 49 – часть опорной плоскости перед передней кромкой платформы робота, находящейся в поле зрения визуального датчика; 50 – второй фотообъектив; 51 – фотоприемная матрица.

Мобильный робот, содержащий автономную навигационную систему для перемещения в среде с навигационными маркерными элементами по первому варианту, включает платформу 1, три колеса 2, 3 и 4, три колесных вала 5, 6 и 7 со смонтированными на них колесами 2, 3 и 4, установленные на платформе 1 три колесные вилки 8, 9 и 10, два электродвигателя 11 и 12, датчик 13 угла поворота первого колеса 2, датчик 14 скорости вращения первого колеса 2, источник питания 15 и бортовую вычислительную сеть 16, при этом колесный вал 5 первого колеса кинематически связан с выходным валом 17 первого электродвигателя 11, датчиком 13 угла поворота первого колеса и датчиком 14 скорости вращения первого колеса 2, а оси 18 и 19 колесных валов 5 и 6 первого 2 и второго 3 колес лежат на одной прямой, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик 20 угла поворота второго колеса и датчик 21 скорости вращения второго колеса 3, кинематически связанные с колесным валом 6 второго колеса 3, кинематически связанным с выходным валом 22 второго электродвигателя 12, в качестве колесной вилки 10 третьего колеса 4 используют вилку «рояльного» типа, при этом в качестве навигационных маркерных элементов используют установленные на опорной плоскости светоизлучающие маяки 23, автономная навигационная система выполнена с возможностью кругового сканирования пространства, а бортовая вычислительная сеть 16 выполнена с возможностью сбора и обработки данных с датчиков 13 и 20 угла поворота и датчиков 14 и 21 скорости вращения первого и второго колеса 2 и 3 и формированияи и передачи управляющих сигналов на электродвигатели 11 и 12 первого и второго колеса 2 и 3.

При этом автономная навигационная система, выполненная с возможностью кругового сканирования пространства, состоит из двух частей, первая из которых содержит оптический сканер 24 кругового обзора пространства, а вторая часть содержит узел 25 приема и обработки сигнала с выхода оптического сканера 24 кругового обзора пространства, при этом первая и вторая части автономной навигационной системы соединены между собой беспроводным оптическим каналом 26 связи через вращающееся сочленение 27.

При этом в мобильный робот введены установленная на платформе 1 мачта 28, первая площадка 29, жестко закрепленная на мачте 28 параллельно платформе 1, третий электродвигатель 30 и третий датчик 31 угла поворота, установленные на первой площадке 29, вторая площадка 32, установленная на мачте 28 параллельно платформе 1 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси 33 мачты 28 и кинематически связанная с третьим электродвигателем 30 и третьим датчиком 31 угла поворота второй площадки 32, причем на второй площадке 32 установлен оптический сканер 24 кругового обзора пространства, например фотообъектив, оптическая ось 34 которого лежит в горизонтальной плоскости и пересекается с осью 33 мачты 28, а узел 25 приема и обработки сигнала с выхода оптического сканера 24 кругового обзора пространства содержит фотоприемный элемент 35, например фотодиод, и последовательно соединенные усилитель 36 и компаратор 37, при этом выход фотоприемного элемента 35 соединен со входом усилителя 36, а сам фотоприемный элемент 35 смонтирован внутри мачты 28 таким образом, что его фотоприемная плоскость расположена перпендикулярно оси 33 мачты 28, а ось 33 проходит через центр фотоприемной плоскости.

Читайте про операторов:  Как активировать сим-карту Алтел 4G на телефоне в Казахстане

При этом беспроводный оптический канал 26 связи через вращающееся сочленение 27 выполнен в виде преломляющей призмы, смонтированной на второй площадке 32 таким образом, что луч света, попавший на фотообъектив по его оптической оси 34, преломляется в преломляющей призме на 90° и направляется в центр фотоприемного элемента 35 по оси мачты 28.

При этом бортовая вычислительная сеть 16 содержит головной контроллер 38, контроллер 39 управления первым электродвигателем 11, контроллер 40 управления вторым электродвигателем 12 и контроллер 41 управления третьим электродвигателем 30, объединенные через общую шину, при этом выходы контроллеров 39, 40 и 41 управления первым, вторым и третьим электродвигателями подключены к управляющим входам соответственно первого, второго и третьего электродвигателей 11, 12 и 30, соответствующие входы контроллера 39 управления первым электродвигателем 11 соединены с датчиком 13 угла поворота первого колеса 2 и датчиком 14 скорости вращения первого колеса 2, соответствующие входы контроллера 40 управления вторым электродвигателем 12 соединены с датчиком 20 угла поворота второго колеса 3 и датчиком 21 скорости вращения второго колеса 3, а соответствующий вход контроллера 41 управления третьим электродвигателем 30 соединен с датчиком 31 угла поворота второй площадки 32.

Мобильный робот, содержащий автономную навигационную систему для перемещения в среде с навигационными маркерными элементами по второму варианту, включает платформу 1, три колеса 2, 3 и 4, три колесных вала 5, 6 и 7 со смонтированными на них колесами 2, 3 и 4, установленные на платформе 1 три колесные вилки 8, 9 и 10, два электродвигателя 11 и 12, датчик 13 угла поворота первого колеса 2, датчик 14 скорости вращения первого колеса 2, источник питания 15 и бортовую вычислительную сеть 16, при этом колесный вал 5 первого колеса кинематически связан с выходным валом 17 первого электродвигателя 11, датчиком 13 угла поворота первого колеса и датчиком 14 скорости вращения первого колеса 2, а оси 18 и 19 колесных валов 5 и 6 первого 2 и второго 3 колес лежат на одной прямой, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик 20 угла поворота второго колеса и датчик 21 скорости вращения второго колеса 3, кинематически связанные с колесным валом 6 второго колеса 3, кинематически связанным с выходным валом 22 второго электродвигателя 12, в качестве колесной вилки 10 третьего колеса 4 используют вилку «рояльного» типа, при этом в качестве навигационных маркерных элементов используют нанесенную на опорную плоскость светоконтрастную полосу, а автономная навигационная система выполнена с возможностью определения отклонения проекции точки середины передней кромки платформы 1 робота на опорную плоскость от средней линии 42 светоконтрастной полосы 43 и отклонения продольной оси 44 платформы 1 робота от касательной к средней линии 42 светоконтрастной полосы 43 в указанной точке.

При этом автономная навигационная система содержит стойки 45 и четвертый контроллер 46, установленные на платформе 1, кронштейн 47, визуальный датчик 48 обзора части 49 опорной плоскости перед передней кромкой платформы 1 робота, при этом визуальный датчик 48 установлен на кронштейне 47, смонтированном на стойках 45.

При этом визуальный датчик 48 содержит фотообъектив 50 с установленной в его фокусной плоскости фотоприемником, например, фотоприемной матрицей 51, выходы которой подключены к соответствующим входам четвертого контроллера 46.

Мобильный робот, содержащий автономную навигационную систему для перемещения в среде с навигационными маркерными элементами по первому варианту, работает следующим образом.

Головной контроллер 38 через контроллер 41 выдает сигнал на третий электродвигатель 30, который осуществляет круговое вращение второй площадки 32 с установленными на ней первым фотообъективом 24, входящим в состав оптического сканера 24 кругового обзора пространства, и преломляющей призмой беспроводного оптического канала 26 связи через вращающееся сочленение 27 (фиг.1).

При попадании оптического сигнала от светоизлучающего маяка 23 в поле зрения первого фотообъектива 24 и, пройдя через преломляющую призму беспроводного оптического канала 26 через вращающее сочленение 27, этот сигнал попадает на фотоприемный элемент 35, где преобразуется в электрический сигнал (фиг.5). Далее этот электрический сигнал, усилившись в усилителе 36, поступает на вход компаратора 37.

В процессе кругового сканирования пространства сигнал с выхода усилителя 36 изменяется. Так, до попадания в поле зрения фотообъектива 24 оптического сигнала от светоизлучающего маяка 23 этот сигнал определяется исключительно случайной шумовой составляющей (фиг.6б). А при попадании в поле зрения фотообъектива 24 протяженного в пространстве оптического сигнала от светоизлучающего маяка 23, сигнал начинает увеличиваться, затем некоторое время держится на примерно одинаковом уровне, а затем снова уменьшается до уровня шумовой составляющей (фиг.6б).

При достижении электрическим сигналом Uвх комп, равным Uвых ус, выбранного заранее уровня Uпорог порога срабатывания компаратора 37, компаратор 37 срабатывает и сигнал на его выходе Uвых комп меняет свое состояние с уровня логического “0” на уровень логической “1” (фиг.6б, фиг.6в). В этот момент времени контроллером 41 с третьего датчика угла поворота 31 осуществляется съем и фиксация значения угла α1 поворота второй площадки 32 относительно продольной оси 44 платформы 1.

При дальнейшем повороте площадки 32 компаратор 37 срабатывает снова, но сигнал на его выходе Uвых комп теперь меняет свое состояние с уровня логической “1” на уровень логического “0” (фиг.6б, фиг.6в). В этот момент времени контроллером 41 с третьего датчика угла поворота 31 также осуществляется съем и фиксация значения угла α2 поворота второй площадки 32 относительно продольной оси 44 платформы 1.

Данные о величинах углов α1 и α2 поступают в головной контроллер 38, в котором в соответствии с выражением

Ψ=(α1 α2)/2

вычисляется значение угла Ψ поворота платформы 1, при котором продольная ось 44 платформы 1 будет направлена на светоизлучающий маяк 23.

Подав от контроллеров 39 и 40 одинаковые по модулю, но противоположные по знаку управляющие сигналы на входы электродвигателей 11 и 12, обеспечивают поворот платформы 1 вокруг вертикальной оси, проходящей через точку пересечения осей 18 и 19 вращения колес 2 и 3 продольной оси 44 платформы 1. Эти управляющие сигналы действуют до достижения углом Ψ значения 0.

Мобильный робот, содержащий автономную навигационную систему для перемещения в среде с навигационными маркерными элементами по второму варианту, работает следующим образом.

Мобильный робот, с установленным на кронштейне 47 визуальным датчиком 48 обзора части опорной плоскости перед передней кромкой платформы 1 робота, размещают на опорной плоскости таким образом, что часть 49 опорной плоскости перед передней кромкой платформы 1 робота, находящейся в поле зрения визуального датчика 48 включает светоконтрастную полосу 43 (фиг.7).

Изображение светоконтрастной полосы 43 фокусируется вторым фотообъективом 50 на фотоприемную матрицу 51, установленную в фокусной плоскости второго фотообъектива 50 (фиг.10).

Из фиг.7, 10 и 11 очевидно, что движение мобильного робота по светоконтрастной полосе 43 может быть записано в виде одновременного выполнения двух условий:

– число ячеек фотоприемной матрицы 51, уровень сигнала с выхода которых превышает некоторый заранее заданный пороговый уровень слева от оси 52 фотоприемной матрицы 51 и справа от оси 52 равны между собой;

– угол γ между осью 52 фотоприемной матрицы 51 и средней линией 42 светоконтрастной полосы 43 равен 0.

Из фиг.11 также очевидно, что угол γ между осью 52 фотоприемной матрицы 51 и средней линией 42 светоконтрастной полосы 43 можно определить в соответствии с выражением

γ=arctg[(xпр-xлев)/(yпр-yлев)],

где

– xпр, yпр – координаты ячейки верхней строки фотоприемной матрицы 51, принадлежащей средней линии 42 светоконтрастной полосы 43 и находящейся справа от оси 52 фотоприемной матрицы 51;

– xпр, yпр – координаты ячейки нижней строки фотоприемной матрицы 51, принадлежащей средней линии 42 светоконтрастной полосы 43 и находящейся слева от оси 52 фотоприемной матрицы 51.

В соответствии с информацией, считываемой с ячеек фотоприемной матрицы 51 и обработанной четвертым контроллером 46 согласно вышеприведенному выражению, контроллерами 38, 39 и 40 формируются соответствующие управляющие сигналы на электродвигатели 11 и 12 колес 2 и 3 соответственно.

В связи с выбранной кинематической схемой мобильного робота он обладает повышенной маневренностью, а в связи с использованием в качестве маркерных элементов оптических источников информации – светоизлучающих маяков и светоконтрастной полосы, а в качестве считывающих элементов – визуальных датчиков (фотоприемных элементов), удается обеспечить функционирование мобильного робота независимо от уровня электромагнитных полей.

Таким образом, указанные отличительные особенности мобильного робота по первому и второму вариантам повышают его маневренность и обеспечивают возможность его движения по навигационным маркерным элементам независимо от уровня электромагнитных полей в отличие от мобильного робота, выбранного в качестве прототипа.

Проведенные заявителем патентные исследования показали, что аналогов предложенным существенным отличиям нет.

1. Мобильный робот, содержащий автономную навигационную систему для перемещения в среде с навигационными маркерными элементами, платформу, три колеса, три колесных вала со смонтированными на них упомянутыми колесами, установленные на платформе три колесные вилки, два электродвигателя, датчик угла поворота первого колеса, датчик скорости вращения первого колеса, источник питания и бортовую вычислительную сеть, при этом колесный вал первого колеса кинематически связан с выходным валом первого электродвигателя, датчиком угла поворота первого колеса и датчиком скорости вращения первого колеса, а оси колесных валов первого и второго колес лежат на одной прямой, отличающийся тем, что он снабжен датчиком угла поворота второго колеса и датчиком скорости вращения второго колеса, кинематически связанными с колесным валом второго колеса, кинематически связанным с выходным валом второго электродвигателя, при этом в качестве колесной вилки третьего колеса используют вилку «рояльного» типа, причем при использовании навигационных маркерных элементов в виде установленных на опорной плоскости светоизлучающих маяков автономная навигационная система выполнена с возможностью кругового сканирования пространства, а бортовая вычислительная сеть выполнена с возможностью сбора и обработки данных с датчиков угла поворота и датчиков скорости вращения первого и второго колес и формирования и передачи управляющих сигналов на электродвигатели первого и второго колес.

Читайте про операторов:  10 лучших приложений определяющих местоположение человека 2021 | Обзор

2. Мобильный робот по п.1, отличающийся тем, что автономная навигационная система состоит из двух частей, первая из которых содержит оптический сканер кругового обзора пространства, а вторая часть содержит узел приема и обработки сигнала с выхода оптического сканера кругового обзора пространства, при этом первая и вторая части автономной навигационной системы соединены между собой беспроводным оптическим каналом связи через вращающееся сочленение.

3. Мобильный робот по п.1, отличающийся тем, что в него введены установленная на платформе мачта, первая площадка, жестко закрепленная на мачте параллельно платформе, третий электродвигатель и третий датчик угла поворота, установленные на первой площадке, вторая площадка, установленная на мачте параллельно платформе с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси мачты и кинематически связанная с третьим электродвигателем и третьим датчиком угла поворота второй площадки, причем на второй площадке установлен оптический сканер кругового обзора пространства, например, фотообъектив, оптическая ось которого лежит в горизонтальной плоскости и пересекается с осью мачты, а узел приема и обработки сигнала с выхода оптического сканера кругового обзора пространства содержит фотоприемный элемент, например, фотодиод, и последовательно соединенные усилитель и компаратор, при этом выход фотоприемного элемента соединен со входом усилителя, а сам фотоприемный элемент смонтирован внутри мачты таким образом, что его фотоприемная плоскость расположена перпендикулярно оси мачты, а ось проходит через центр фотоприемной плоскости.

4. Мобильный робот по п.2, отличающийся тем, что беспроводной оптический канал связи выполнен в виде преломляющей призмы, смонтированной на установленной на мачте параллельно платформе второй площадке, с возможностью преломления луча света, попавшего на фотообъектив по его оптической оси, на 90° и его направления в центр фотоприемного элемента по оси мачты.

5. Мобильный робот по п.1, отличающийся тем, что бортовая вычислительная сеть содержит головной контроллер, контроллер управления первым электродвигателем, контроллер управления вторым электродвигателем и контроллер управления третьим электродвигателем, объединенные через общую шину, при этом выходы контроллеров управления первым, вторым и третьим электродвигателями подключены к управляющим входам соответственно первого, второго и третьего электродвигателей, соответствующие входы контроллера управления первым электродвигателем соединены с датчиком угла поворота первого колеса и датчиком скорости вращения первого колеса, соответствующие входы контроллера управления вторым электродвигателем соединены с датчиком угла поворота второго колеса и датчиком скорости вращения второго колеса, а соответствующий вход контроллера управления третьим электродвигателем соединен с датчиком угла поворота второй площадки.

6. Мобильный робот, содержащий автономную навигационную систему для перемещения в среде с навигационными маркерными элементами, платформу, три колеса, три колесных вала со смонтированными на них упомянутыми колесами, установленные на платформе три колесные вилки, два электродвигателя, датчик угла поворота первого колеса, датчик скорости вращения первого колеса, источник питания и бортовую вычислительную сеть, при этом колесный вал первого колеса кинематически связан с выходным валом первого электродвигателя, датчиком угла поворота первого колеса и датчиком скорости вращения первого колеса, а оси колесных валов первого и второго колес лежат на одной прямой, отличающийся тем, что он снабжен датчиком угла поворота второго колеса и датчиком скорости вращения второго колеса, кинематически связанными с колесным валом второго колеса, кинематически связанным с выходным валом второго электродвигателя, при этом в качестве колесной вилки третьего колеса используют вилку «рояльного» типа, причем при использовании навигационных маркерных элементов в виде нанесенной на опорную плоскость светоконтрастной полосы автономная навигационная система выполнена с возможностью определения отклонения проекции точки середины передней кромки платформы робота на опорную плоскость от средней линии светоконтрастной полосы и отклонения продольной оси платформы робота от касательной к средней линии светоконтрастной полосы в указанной точке.

7. Мобильный робот по п.6, отличающийся тем, что автономная навигационная система содержит стойки и контроллер, установленные на платформе, кронштейн, смонтированный на стойках, установленный на кронштейне визуальный датчик обзора части опорной плоскости перед передней кромкой платформы робота.

8. Мобильный робот по п.6 или 7, отличающийся тем, что визуальный датчик содержит фотообъектив с установленным в его фокусной плоскости фотоприемником, например, фотоприемной матрицей, выходы которой подключены к соответствующим входам контроллера.

Библиографическая ссылка

Пожидаев И.В. УПРАВЛЕНИЕ МОБИЛЬНЫМ РОБОТОМ “ИРИС-1” ПО РАДИОКАНАЛУ ПРИ ПОМОЩИ СОТОВОГО ТЕЛЕФОНА // Фундаментальные исследования. – 2005. – № 7.
– С. 14-16;

Новости

2020.06.28 FlyBase представила решение для управления парком летающих беспилотников через сети 4G / 5G. Одно из достоинств решения – возможность использовать дроны различных производителей. За это отвечает программный модуль Cloud Connect на основе Companion Computer (SBC).

Модуль обеспечивает поддержку работы с дронами, использующими микропрограмм PX4 и Ardupilot, а также такие популярные автопилоты, как Pixhawk, Cubepilot, mRo X2.1, Pixhawk4, Pixhawk5 и т.д.

2020.06.28 Индийский оператор Vodafone Idea собирается начать испытания управления беспилотниками TechEagle  компании Zomato. Для управления полетами доставляющих еду беспилотников планируется задействовать сеть LTE оператора. Это один из 13 проектов, одобренных регулятором DGCA (директоратом гражданской авиации).

2022.05.13 В Qualcomm испытали управление дронами через сети LTE за пределами прямой видимости. Тесты проводились на уровне земли, а также на высотах 30 м, 60 м, 90 м и 120 м. Проверялись диапазоны PCS, AWS и 700 МГц.

2022.10.20 Qualcomm провел тесты управления БЛА через сеть LTE вместе с Verizon Wireless. 

2022.10.07 Американский оператор LTE испытывает взаимодействие сети LTE и летающих беспилотников. #Verizon В дальнейшем AATI и Verizon будут заниматься внедрением услуг по предоставлению управляюшего канала для БЛА (включая управление за пределами прямой видимости – BVLOS).

2022.08.21 Ericsson и China Mobile испытали беспилотник, подключенный к тестовой сети 5G. Задержка распространения сигнала не превышала 15 мс.  

2022.02.04 Nokia показывает как контролировать беспилотники в “умном городе”. Предлагается платформа для правоохранителей и служб контроля за воздушным движением, позволяющая наблюдать за перемещениями всех беспилотников в городе (оборудованных модемами LTE) через сеть LTE. 

2022.07.31 . В частности, предусматривается передача функций регулирования этой зоны частным агентствам, оборудование всех дронов транспондерами-идентификаторами, обеспечение подключенности дронов к сетям сотовой связи для получения данных в реальном времени об их положении и векторе движения, разрешение полетов на основе полетных планов и т.п.

2022.07.30  

Сжатие видеопотока для ппрч связи мобильных роботов

“Кошмарный” сценарий – это когда твой вооруженный пулеметом робот вдруг начинает подчиняться командам врага и разворачивает пулемет в другую сторону.

Менее кошмарный, но реалистичный сценарий, – это когда враг может шпионить за тобой, глядя через камеры твоего же мобильного робота, перехватывая радиоканал.

Ведь передача видеопотока по радиоканалу – это одна из ахиллесовых пят российской мобильной робототехники, особенно в малом и среднем классе мобильных роботов. Не секрет, что на большинстве мобильных роботов российского производства малого класса в качестве радиоканала для передачи видео стоят либо китайские ТВ-передатчики, либо беспроводная сеть WIFI. И то и другое решение совершенно не годится для применения в условиях возможного радиоперехвата или активных помех.

Использование радиоканала с ППРЧ (псевдослучайная перестройка частоты) – это современный способ создания относительно помехозащищенного радиоканала и с пропусной способностью, достаточной для передачи видеопотока. Проблема возникает в том, что пропускная способность имеющихся на рынке ППРЧ радиоканалов значительно уступает пропускной способности WIFI, иногда в десятки или даже сотни раз. Это значительно затрудняет передачу видеопотока по таких радиоканалам из-за их низкой пропускной способности.

Решение проблемы передачи видео при относительно низкой пропускной способности радиоканала – в применении специальных алгоритмов сжатия видеопотока.

  • Сжатие видео “на лету” перед отравкой в ППРЧ радиоканал значительно снижает объем передаваемых видеоданных, как раз в десятки или сотни раз.

    Сжатие видео может быть совмещенно с шифрованием канала, что обеспечивает устойчивость мобильного робототехнического комплекса (МРТК) к попыткам перехвата управления.

    Сжатие видео может производиться отдельным вычислителем, который находится между камерами робота и ППРЧ радиоканалом.

Дополнительно к этому мобильная робототехника накладывает особые требования на систему видеосжатия:

  • Во-первых, пакеты с данными в радиоканале могут “теряться”. Многие традиционные алгоритмы сжатия могут терять целые кадры или даже цепочки кадров при потере любого из отдельных пакетов в одном из кадров. Это очень нежелательно при дистанционном управлении мобильным роботов, особенно при движении робота на больших скоростях в сложной обстановке.

    Во-вторых, многие традиционные алгоритмы с большим коэффициентом сжатия оптимизированы для видео “с головой на фоне стены”. Т.е. алгоритмы хорошо сжимают видео с одним двигающимся объектом на статическом фоне. Если же попытаться сжать видео с бортовой камеры мобильного робота, то такие алгоритмы значительно теряют эффективность сжатия.

    В-третьих, сжатие видео “на лету” – это задача с высокими требованиеми к производительности вычислителей. Многие традиционные алгоритмы сжатия видео оптимизированы на быстрый просмотр (т.е. разжатие видео), а сжатие происходит с большими вычислительными затратами. Ведь большинство алгоритмов сжатия видео расчитаны на сжатие видеофильмов; там сжатие происходит только один раз, и “можно подождать”. В мобильной робототехнике такие методы не подходят.

    В-четвертых, система сжатия видео и система бортового машинного зрения робота – во многом похожие системы, очень часто с дублирующими функциями в конвейере обработки видеокадров. Для оптимального использования скудных бортовых вычислительных ресуров робота желательно минимизировать дублирование одинаковых вычислений в обоих подсистемах.

Все эти особенности приводят к необходимости создания специальных алгоритмов видеосжатия, оптимизированных для применения в мобильных роботах.

Компания Сервосила разработала и отладила такую программное обеспечение для сжатия видеоизображения в процессе создания мобильного робота “Инженер”, которая удовлетворяет описанным выше требованиям. Программная система работает с различными доступными на рынке ППРЧ радиоканалами.

Программное обеспечение, работающее на бортовом вычислителе в голове робота “Инженер” сжимает видео и по ППРЧ радиоканалу передает видеопоток в пакетном видео на станцию управления. Программное обеспечение на вычислителе станции управления разжимает видео, и выводит его для просмотра оператором в очки виртуальной реальности или внешний монитор. В процессе разработки и отладки данной системы, компания Сервосила накопила значительный опыт оптимизации алгоритвов обработки видео на борту мобильных роботов. Данная программное обеспечение коммерчески доступно от компании Сервосила.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector