Сенсоры для навигации мобильного робота

Сенсоры для навигации мобильного робота

35

РЕФЕРАТ

Мета роботи - розробити систему сенсорів для навігації інтелектуальним мобільним роботом.

Об'єкт роботи - інтелектуальний мобільний робот.

У першому розділі кваліфікаційної роботи бакалавра, розглянуто існуючі типи навігаційних систем мобільних роботів.

В другому розділі - розроблена система навігації для мобільного робота, що складається з моделі зовнішнього середовища, інформація про яке, сприймається сенсорною підсистемою та передається в систему штучного інтелекту робота. На підставі цієї інформації, формується план середовища, за яким визначається оптимальний шлях досягнення мети. Контурний регулятор, на підставі шуканої траєкторії руху та інформації від внутрішніх датчиків, обирає керуючі впливи із урахуванням динамічної та кінематичної складових мобільного робота.

Також реалізовано програмну систему навігації мобільного робота у середовищі Visual C++. Подана програмна модель дозволяє моделювати та вивчати функціонування дворівневої системи керування у складному динамічному середовищі, що змінюється.

Система, навігація, середовище, сприйняття, пошук, об'єкт, сенсор, кутомір, далекомір, надходження, імпульс, сегментація, ахроматичне зображення, апертура, растр, градієнт яскравості, база даних

ABSTRACT

The explanatory slip to degree work in volume 41 of sheets contains 11 figures and 24 of the references.

The work purpose is develop a sensory system for navigation by the intellectual mobile robot.

work plant is intellectual mobile robot.

In the first section of bachelor qualifying work, the existing type's navigational systems of mobile robots are considered.

In the second section - the navigation system for the mobile robot consist an exterior medium model is developed the information about which, is perceived by sensory subsystem and transmitted in an artificial intelligence system of the robot. To basis on this information, the medium plan is formed, on which the optimum reaching path of the purpose is determined. The contour governor because of found driving trajectory and information from interior transmitters makes control actions in view of dynamic and kinematical the mobile robot component.

The program system navigation of the mobile robot in a medium Visual C++ also is realized. The given program model allows to simulate and study operation of a two-level control system in a complicated dynamically varying medium.

System, navigation, medium, perception, searching, plant, sensor, angle finder, range finder, inflow, impulse, segmentation, achromatic image, aperture, raster, gradient of brightness, data base

Список условных обозначений

ГВК - генератор высокочастотных колебаний

ГМС - генератором моделирующего сигнала

ГО - генератор оптического излучения

ИИ - искусственный интеллект

ИМР - интеллектуальный мобильный робот

ЛГ - лазерный генератор

ОД - оптический дискриминатор

ОЛ - оптический луч

ОП - приемник оптического сигнала

ППФ - правильно построенные формулы

СТЗ - системы технического зрения

СФ - сглаживающие фильтры

ТВК - телевизионная камера

ТВП - телевизионный приемник с разверткой изображения

УФ - усилители-формирователи импульсов

GPS - General Problem Solver

STRIPS - Stanford Research Institute Problem Solver

Содержание

Введение

1. Классификация навигационных систем

1.1 Системы измерения угловых координат

1.1.1 Телевизионная угломерная система

1.1.2 Оптическая угломерная система со сканированием луча

1.1.3 Индукционная угломерная система

1.1.4 Радиационная угломерная система

1.2 Системы измерения дальности и скорости

1.2.1 Акустическая дальномерная система

1.2.2 Лазерная дальномерная система

1.2.3 Радиационная дальномерная система

1.3 Системы поиска и обнаружения

1.3.1 Оптическая система поиска по угловым координатам

1.3.2 Акустическая система поиска по дальности

2. Разработка системы навигации мобильного робота

2.1 Системы планирования и их задания

2.2 Общие аспекты построения системы планирования

2.3 Реализация систем планирования

2.4 Сегментация изображений для ИМР

2.5 Пороговое ограничение

2.6 Центроидное связывание

2.7 Реализация программы системы навигации ИМР в Visual C++

Выводы

Перечень литературы

Введение

Роботы - автоматические системы, предназначенные для воспроизведения двигательных и интеллектуальных функций человека. От традиционных автоматов отличаются большей универсальностью и способностью адаптации на выполнение различных задач, в том числе в изменяющейся обстановке. Уже в настоящее время роботы имеют весьма широкую область применения. Они заменяют человека в условиях, опасных для его здоровья, при выполнении монотонных, утомительных работ, выступают в качестве игровых партнеров.

Важнейшей составной частью роботов второго и третьего поколений является система очувствления, в задачу которой входит восприятие информации о состоянии внешней среды и ее обработка. Эти действия сводятся к обнаружению объектов, определению их местоположения, расположения препятствий, распознаванию, оценке параметров, свойств объектов и среды.

Разработка интеллектуальных мобильных роботов (ИМР) для различных производственных и исследовательских целей является весьма важной и актуальной задачей. Одной из центральных проблем, возникающих при ее решении, является проблема построения управляющих систем, реализующих целенаправленное поведение ИМР в сложной априори неформализованной естественной среде. Отсутствие в настоящее время общей теории синтеза таких систем стимулирует разработку специальных инструментальных средств ориентированных на их экспериментальное исследование.

Цель работы - разработать систему сенсоров для навигации интеллектуальным мобильным роботом.

Объект работы - интеллектуальный мобильный робот.

1. Классификация навигационных систем

К навигационным системам относятся технические средства, предназначенные для автоматического дистанционного измерения координат объектов манипулирования. Специфические требования к моделям навигационных систем вытекают из их принципов действия и особенностей функционирования.

По принципу действия навигационные системы роботов не отличаются от соответствующих измерительных систем, используемых в радио-, звуко- и гидронавигации, при физических измерениях и других исследованиях. Особенность заключается в том, что в робототехнике применяется почти весь арсенал средств из перечисленных областей, что приводит к более сложной процедуре классификации.

Навигационные системы роботов подразделяются на:

а) системы измерения угловых координат;

б) системы измерения дальности и скорости;

в) системы поиска и обнаружения.

Эти навигационные системы в свою очередь подразделяются на свои подсистемы различные по принципу действия и устройству.

1.1 Системы измерения угловых координат

1.1.1 Телевизионная угломерная система

Данная система предназначена для автоматического измерения угловых координат объекта в двух плоскостях: горизонтальной в и вертикальной е. В состав системы (рис. 1.1) входят: телевизионная камера ТВК, имеющая в своем составе фокусирующую оптику, видикон или твердотельные оптические элементы; телевизионный приемник с разверткой изображения ТВП; монитор М для демонстрации изображения; оптический дискриминатор ОД; усилительные и фильтрующие элементы УФ; схема задержки СЗ; генератор стробов ГС; преобразователь времени задержки в напряжение П; приводы поворота ТВК по координатам в и е.

Рисунок 1.1 - Телевизионная угломерная система

Система работает по замкнутому циклу и имеет два контура управления -- внешний, замыкающийся через приводы поворота ТВК, и внутренний, замыкающийся через генератор стробов. Работа системы основана на так называемом принципе «следящего окна».

Перемещение изображения объекта в системе координат (в, е) должно отслеживаться стробами, образующими «окно». Принцип слежения осуществляется следующим образом. Сигналы изображения объекта и сигналы стробов подаются на оптический дискриминатор ОД, где вырабатываются четыре напряжения, пропорциональные площади изображения участков объекта в каждом из стробов. Обозначим эти напряжения буквами соответственно для стробов 1, 2, 3, 4 «следящего окна». Из этих напряжений формируются два сигнала рассогласования:

;

. (1.1)

Описанная система является дискретной, поскольку информация об угловом рассогласовании с ОД поступает с частотой следования кадров телевизионной развертки, а затем сглаживается и преобразуется в непрерывный сигнал при последующей фильтрации. По составу элементов - это система электромеханическая, поскольку исполнительными элементами поворотных приводов служат электродвигатели постоянного, переменного тока или шаговые. В последнем случае в преобразователе П выходным сигналом должен быть цифровой код.

1.1.2 Оптическая угломерная система со сканированием луча

Использование оптических сигналов в навигационных системах роботов весьма распространено. Чаще всего применяют инфракрасные и лазерные системы, у которых удается сформировать узкие лучи света и тем самым обеспечить высокую пространственную разрешающую способность и большую плотность потока мощности.

Функциональная схема системы изображена на рис. 1.2, на котором ГО - генератор оптического излучения с фокусирующей системой, СЗ - сканирующее зеркало, СП - световое пятно на поверхности объекта, ОП - приемник оптического сигнала, ИС - измерительная часть системы.

Генератор излучения, работающий в непрерывном режиме, с помощью фокусирующей оптической системы формирует узкий луч света, падающий на зеркало СЗ. Механизм поворота зеркала обеспечивает сканирование луча в секторе и с периодом так, что ось луча движется вдоль прямой линии на поверхности объекта. На своем пути световое пятно пересекает область стыка двух свариваемых листов. Отражательные способности поверхности и стыка листов различны. Середина импульса отраженного сигнала соответствует центру стыкуемых листов, поэтому интервал времени ф от начала отсчета до точки положения минимума амплитуды импульса будет характеризовать угловое отклонение в линии стыка от оси навигационной системы. Нетрудно получить формулу связи между ф и в в виде .

Рисунок 1.2 - Оптическая угломерная система со сканированием луча

Оптическая угломерная система со сканированием луча относится к классу дискретных систем, поскольку информация об угловом положении оси стыка поступает с периодом и работает по разомкнутому циклу.

1.1.3 Индукционная угломерная система

В системах такого типа используется принцип электромагнитной индукции, взаимодействия между генерируемыми и наводимыми магнитными полями. На этом принципе, в частности, основаны навигационные системы, предназначенные для управления подвижными роботами, перемещающимися вдоль уложенных на поверхности (или под ней) металлических шин.

Генератор высокочастотных колебаний ГВК и индукционная катушка ИК создают в пространстве высокочастотное магнитное поле. В уложенной на поверхности металлической шине Ш индуктируется наведенное магнитное поле, под действием которого в катушках К1 и К2 генерируются переменные напряжения. Обмотки катушек включены последовательно и встречно, поэтому выходное переменное напряжение равно разности напряжений, наводимых в катушках. Если шина расположена симметрично относительно катушек, то суммарное напряжение будет равно нулю. Если шина окажется расположенной несимметрично, т.е. появится угловое отклонение в центра катушек от оси шины, то возникает разность напряжений . При изменении знака в будет меняться фаза этого напряжения. В приемнике Пр напряжение усиливается, фильтруется и подается на фазочувствительный выпрямитель ФЧВ, постоянно выходное напряжение U которого пропорционально амплитуде разностного переменного напряжения, а знак определяется фазой этого напряжения.

Исходя из описанного принципа действия, индукционная система относится к классу систем непрерывных, работающих по разомкнутому циклу, а по составу элементов - к электромагнитным.

1.1.4 Радиационная угломерная система

Для измерения координат объектов в условиях запыленности, отсутствия освещения, в специальных средах могут применяться источники радиоактивного излучения, располагаемые на объекте. В этом случае измеритель работает в пассивном режиме, используя поток радиоактивных частиц в качестве источника информации. Наличие потока частиц делает такие системы дискретными, а случайные моменты излучения - дискретными со случайным периодом следования импульсов. В основе построения радиационных систем лежит принцип измерения интенсивности излучения в точке приема, т.е. оценки средней частоты появления импульсных сигналов.

Рисунок 1.3 - Радиационная угломерная система

Радиационная угломерная система имеет два канала измерения (рис. 1.3), включающих коллиматоры излучения и детекторы КД, усилители-формирователи импульсов УФ, сглаживающие фильтры СФ и схему вычитания сигналов СВ. Напряжение с СВ подается на двигатель Д, поворачивающий платформу П с коллиматорами в направлении на источник излучения U так, чтобы он находился на оси коллиматоров. Система работает по принципу измерения рассогласования и между направлением на источник в и угловым положением платформы у. Для получения напряжения, пропорционального рассогласованию, коллиматор выполнен в виде цилиндра из материала, поглощающего излучение. В качестве детектора обычно используют комбинацию из сцинтиллирующего кристалла и фотоумножителя, ионизационные камеры или полупроводниковые структуры. При различных углах и положения источника И, относительно, оси коллиматора интенсивность н зарегистрированного излучения будет различной. Зависимость интенсивности от и называется диаграммой направленности коллиматора.

1.2 Системы измерения дальности и скорости

1.2.1 Акустическая дальномерная система

Импульсные ультразвуковые дальномеры нашли широкое применение на практике, в том числе при очувствлении роботов. Измерение дальности в ней основано на оценке времени запаздывания отраженного сигнала относительно момента его излучения. Дальность определяется по формуле: , где - скорость распространения ультразвуковых колебаний, зависящих от своей среды; ф - время запаздывания отраженного сигнала.

Импульсы имеют длительность и излучаются передатчиком периодически через интервал . На рис. 1.4 изображена функциональная схема дальномерной системы, в которой Пд - передатчик, Пр - приемное устройство, ВД - временной дискриминатор, УФ - усилительные и фильтрующие элементы, СС - схема сравнения, ГС - генератор стробов, ГПН - генератор пилообразного напряжения.

Отраженный от объекта О сигнал принимается, усиливается, детектируется в приемном устройстве и в форме видеоимпульса подается на временной дискриминатор. Этот импульс задержан относительно начала отсчета, совпадающего с моментом излучения, на время ф. В то же время на выходе системы существует напряжение U, пропорциональное уже измеренному на предыдущих периодах излучения значению дальности r, которое поступает на схему сравнения. На второй вход схемы подается сигнал с ГПН, который запускается импульсами передатчика в момент их излучения. ГПН вырабатывает линейно возрастающее напряжение до момента излучения следующего импульса, а затем процесс периодически повторяется.

Страницы: 1, 2, 3