Сенсоры для навигации мобильного робота

Система измерения дальности работает по замкнутому циклу и относится к системам дискретного действия потому, что носителями полезной информации о дальности до объекта в ней являются импульсные сигналы.

1.2.2 Лазерная дальномерная система

Использование лазерного излучения особенно перспективно в системах измерения дальности до элементов поверхности протяженных объектов, поскольку высококогерентное оптическое излучение позволяет формировать узкие световые пучки. Благодаря этому световое пятно на поверхности объекта оказывается небольшим и удается обеспечить высокое разрешение элементов поверхности.

На рис. 1.5 изображена функциональная схема лазерной дальномерной системы с непрерывным излучением. Лазерный генератор ЛГ оптического сигнала работает в непрерывном режиме и излучает оптический сигнал, проходящий через модулятор. В модуляторе сигнал по интенсивности моделируется периодическим сигналом , вырабатываемым генератором моделирующего сигнала ГМС. Луч света после модулятора отражается от сканирующего зеркала СЗ в направлении элемента поверхности, до которого измеряется дальность. Отраженный сигнал поступает в оптический приемник ОП и после него в виде напряжения подается на фазовый детектор. Фаза этого напряжения пропорциональна дальности r до точки отражения.

Рисунок 1.5 - Лазерная дальномерная система

Рассмотренная система относится к классу непрерывных, работающих по разомкнутому циклу управления.

1.2.3 Радиационная дальномерная система

Определение дальности до источника радиоактивного излучения основано на измерении интенсивности н принятого излучения и последующем вычислении дальности, исходя из формулы , где I - активность источника; S - площадь детектора; Е - эффективность детектора; м - коэффициент линейного поглощения среды.

Навигационное устройство построено по схеме, изображенной на рис. 1.6, где И -- источник излучения на расстоянии r от локатора; КД1 и КД2 - коллиматоры с детекторами, расположенными на интервале d друг относительно друга; УФ - усилители-формирователи сигналов; СФ - сглаживающие фильтры; СД - схема деления напряжений; ФП - функциональный преобразователь; у - измеренное значение дальности r.

Рисунок 1.6 - Радиационная дальномерная система

Это навигационное устройство работает по принципу разомкнутого цикла и по составу элементов относится к классу электронных систем, так как все операции в нем производятся над электрическими сигналами. Недостатком системы является необходимость предварительного знания коэффициента поглощения среды. Чтобы избавиться от этой необходимости, систему можно строить по трехканальной схеме.

1.3 Системы поиска и обнаружения

1.3.1 Оптическая система поиска по угловым координатам

Если первоначальное положение объекта относительно системы неизвестно или известно с определенной долей вероятности, то этапу измерения координат предшествует этап поиска и обнаружения. Он необходим для решения вопроса о том, находится или отсутствует в зоне действия навигационной системы объект, и если он имеется, то каковы его координаты. Предварительное знание координат объекта на этапе поиска необходимо для наведения на объект систем измерения. При этом немаловажное значение имеют величины ошибок первоначальной сценки координат при поиске. Функциональная схема системы изображена на рис. 1.7.

Рисунок 1.7 - Оптическая система поиска по угловым координатам

Узкий оптический луч ОЛ формируется с помощью оптического генератора ОГ, фокусирующей системы ФС и с помощью сканирующего зеркала СЗ перемещается в горизонтальной плоскости в секторе и с угловой скоростью . Если в секторе и и в пределах дальности действия системы находится объект О, то отраженный от него сигнал преобразуется, усиливается в приемнике Пр и в виде напряжения U выдается на индикатор. Наличие шумового сигнала связано с наличием шумов приемного устройства и излучением фона. Напряжение U подается на устройство автоматического обнаружения полезного сигнала. В простейшем случае это пороговое устройство с уровнем срабатывания . При достижении напряжения U этого уровня выдается сигнал о наличии объекта в зоне поиска. Из-за шумов и фоновых помех процедура поиска и обнаружения имеет статистический характер, в результате чего возможны пропуски полезного сигнала или ложная остановка поиска из-за шумового выброса.

1.3.2 Акустическая система поиска по дальности

Принцип действия акустической системы поиска по дальности такой же как и принцип акустической дальномерной системы. Только тут обработка информации идет иным способом.

За каждый период излучения выбрасывается один строб - импульс поиска длительностью . С помощью схемы селекции строб - импульс «вырезает» из выходного напряжения приемника U участок длительностью и формирует новое напряжение , пропорциональное площади «вырезанного» участка. Это напряжение запоминается на время до следующего периода работы системы. В новом периоде строб - импульс вырабатывается с задержкой на время равное его длительности, и в новь определяется значение напряжения . Весь цикл в интервале времени от нуля до занимает периодов излучения импульсов. Если в строб - импульс попадают только шумы, амплитуда напряжения будет небольшой и случайной величиной, статически независимой от соседних значений. Если же в строб попадает полезный сигнал, то амплитуда сигнала возрастает.

Описанная система поиска по дальности в принципе не отличается от системы поиска по угловым координатам, за исключением дискретного характера сигнала на входе порогового устройства.

2. Разработка системы навигации мобильного робота

2.1 Системы планирования и их задания

Как известно, интеллектуальными (или интегральными) роботами называются автоматические устройства третьего поколения, что должны функционировать в динамическом замкнутом мире, имеют касательное и зрительное восприятие окружающего мира, владеют возможностями мобильности и изменения внешнего пространства. Кроме того, системы управления интегральных роботов должны функционировать на основе моделирования окружающего мира, выбора решения задачи, исходя из поставленной цели и динамических изменений в окружающем мире.

Для обеспечения разрешения подобных проблем служат решение интеллектуальных задач. Наиболее популярными разработками в этой области является GPS (General Problem Solver), который предназначен для решения преимущественно математических заданий и STRIPS (Stanford Research Institute Problem Solver), что с самого начала планировалась как система заданий адаптивных (а потом интеллектуальных) роботов.

Система планирования интеллектуальных роботов в своей основе базируется на разработке интеллектуальных решений. Построение теории интеллектуальных решений предусматривает решение двух проблем:

а) описание решения, его знаний и деятельности;

б) построение теории интеллектуальных решений.

Решение интеллектуальных заданий в наше время практически является преимуществом человека. Очевидно, человек пользуется своим внутренним языком преподавания знаний, что позволяет ему упрощать модель своего внутреннего мира и осуществлять при их помощи эффективный поиск необходимых решений с тесным взаимодействием с достаточно полно описанной моделью окружающего мира. Таким образом, при построении решения необходимо описывать не только модели решения, но и модель функционирования человека в процессе принятия решений.

Описание системы планирования - это в первую очередь описание закономерностей умственной деятельности такой системы при решении сложных проблемных заданий. Эта деятельность должна включать процессы осведомления системой планирования ситуаций окружающего внешнего мира и выполнять действия, также процессы поиска решения заданий. Таким образом, описание системы планирования, её знаний и деятельности, должно содержать:

а) описание исполнительных органов решения;

б) описание внешнего окружения;

в) описание знаний системы планирования, что отображают понимание деятельности исполнительных органов и окружающей среды решения;

г) описание процессов поиска решений предложенных заданий.

2.2 Общие аспекты построения системы планирования

Практическая реализация планирующих систем должно предвидеть наличие самой подсистемы планирования и исполнительной подсистемы. Так система STRIPS по замыслу должна работать в реальном мире во взаимодействии с исполнительной системой PlanEX (plan execution - исполнение планов).

Проблемная среда системы планирования содержит модель мира, набор операторных систем и цель (или набор целей) системы. В случае постановки задачи для мобильного робота в замкнутом пространстве мир робота должен соответствовать схеме расположения объектов в этом пространстве, например рис. 2.1.

35

Рисунок 2.1 - Пример схемы расположения объектов для системы планирования робота

Для решения практических заданий необходимо автоматически формировать абстрактные пространства разных уровней с базового пространства объектов и событий, в котором функционирует система.

В STRIPS - подобных системах абстрактные пространства определяются уровнем детализации условий применения операторов. Такой подход позволяет:

а) оставить неизменяемую модель мира - нет необходимости вычеркивать из неё незначительные (для данного уровня абстракции) детали и не учитывать их;

б) оставить неизменными операторные схемы.

Модель схемы подается в виде набора правильно построенных формул (ППФ) логики производных первого порядка, что отображают собой факты и законы.

Операторная схема определяется наименованием, списком параметров и описаниями в виде ППФ языка логики производных первого порядка: условий применения действий и результат действий. Результат действий, в свою очередь, содержит список вычеркиваний и список добавлений. Операторы порождают разные модели мира путем генерирования новых фактов. Цель системы также подается в виде ППФ тое же самой логики, то есть она является желанной ППФ системы.

В системе STRIPS поиск начинается с попытки вывести целевую формулу с выходящей модели мира . Для этого программа доказательства теорем осуществляет поиск противоречий во множестве дизъюнкций . Если такое противоречие найдено, то выходящее задание решается на этом шаге тривиальным способом, то есть выходная модель удовлетворяет цели . Если же указанное противоречие не соглашается, формируется так называемый незавершенный вывод . Этот вывод подается набором дизъюнктов, соответствующих противоречию формуле цели, плюс всех их производных, минус тех дизъюнктов, что исключаются благодаря применению ограниченных стратегий.

Незавершенный вывод принимается разницей между и , сто связывается с данным узлом. Дальше происходит поиск операторов, которые подходят для уменьшения полученной разницы. При поиске оператора, который подходит, значение его параметров поддаются частичному или полному перебору.

Поиск оператора состоит из двух шагов. На первом шаге составляется упорядоченный список операторов - кандидатов. Выбор которых основан на простом сравнении первообразных с разницы с первообразными из списка дополнения операторов. Второй шаг состоит в применении программы доказательства теорем для определения того, есть ли в указанном списке дополнений дизъюнкты, которые могли бы продолжить вывод после применения этого оператора. Если этот шаг прошел успешно, оператор - кандидат с соответствующими значениями параметров рассматривается как подходящий для уменьшения разницы .

Когда таким образом оператор - кандидат найден, условия его применения принимаются как новые подцели системы.

Иерархию целей, подцелей и моделей, порожденную в процессе поиска, можно представить в виде дерева поиска. Каждая вершина такого дерева имеет вид и соответствует заданию достижения модели целевого списка с указанной модели окружения. Пример дерева поиска приведен на рисунке 2.2.

35

Рисунок 2.2 - Дерево поиска в системе STRIPS

2.3 Реализация систем планирования

Практическая реализация систем планирования включает такие компоненты: модель мира, операторные схемы и цель системы. В частности языком Prolog модель мира, соответствует рис. 2.1 может быть описана набором утверждений:

is_a(room1,room,always)

is_a(room2,room,always)

is_a(room3,room,always)

is_a(door12,door,always)

is_a(door23,door,always)

is_a(box1,object,always)

is_a(box2,object,always)

is_a(box3,object,always)

connects(door12,room1,room2,always)

connects(door23,room2,room3,always)

stands(door12,opened,now)

stands(door23,opened,now)

is_in(box1,room1,now)

is_in(box2,room2,now)

is_in(box3,room3,now)

is_in(robot,room2,now)

is_at(robot,door12,now)

Не тяжело понять содержание базы данных. Она формируется соотношениями: is_a - принадлежность объекта класса, connects - объединение двух объектов третьим, stands - состояние объекта, is_in - местоположение объекта; is_at - общее расположение одного объекта возле другого.

Нужно отметить, что такое описание должно включать противоречия, для чего необходимо обеспечить специальную процедуру.

Операторные схемы системы планирования фактически представляют описания действий, что могут выполнятся в рамках описанной модели мира. Для мобильного робота это могут быть действия: открыть (закрыть) двери, перейти в другую комнату перейти к объекту, переместить его к другому объекту и т.д.

Каждая операторная схема практически содержит в себе:

а) утверждение результата реализации операторной схемы - действия, которые обеспечивает операторная схема;

б) тест выполнения - проверка отсутствия реализованного целевого факта;

в) тест валидности - проверка принадлежности операторной схемы для обеспечения цели системы планирования;

г) список предусловий: постановление (и выполнение) условий, что предшествуют выполнению действий операторной схемы;

д) список исключений - список событий, что устарели на момент выполнения операторной схемы;

е) список добавлений - список событий, что вносятся операторной схемой.

Задания в системе формируются как желанный факт состояния системы. Если такой факт не находится в базе данных, вызывается решебник, что реализует поиска решений. Поиск решения предвидит:

а) поиск предикативной схемы, которая соответствует поставленному заданию;

б) выполнение списка предусловий

в) выполнение списка удаления;

г) выполнение списка добавления.

Среди перспектив развития систем планирования интеллектуальных роботов необходимо отнести, во-первых, расширение проблемной отрасли. Такое расширение ведет к увеличению операторных схем и их усложнению. В случаях, когда одна цель может быть достигнута несколькими путями, возникает необходимость предварительной оценки сложности операторной схемы. При этом каждой схеме с набора, что обеспечивает одинаковые цели, соответствует коэффициент, а сам набор будет нечетким множеством. Во-вторых, функционирование роботов в реальном времени будет требовать улучшения процедур нахождения адекватных операторных схем, в том числе м учетом алгоритмов «отката», обновления предварительного состояния предметной отрасли. В-третьих, расширение проблемной отрасли будет определяться увеличением круга операций, выполняемых роботом, а последовательность выполнения операций будет определять стратегию действий робота.

2.4 Сегментация изображений для ИМР

С помощью системы технического зрения можно автоматизировать разнообразные технологические процессы - распознавание промышленных деталей, их сортировку, контроль размеров, укладку продукции в тару, контроль установки сверла или сварочной головки в заданное место контактной площадки и ряд других. Для решения подобных задач повсеместно проводится анализ трехмерных сцен с помощью двухмерных проекций - изображений, получаемых с помощью СТЗ.

Страницы: 1, 2, 3