Автономная навигация мобильного робота на основе ультразвукового датчика измерения расстояний

УДК 004.896

АВТОНОМНАЯ НАВИГАЦИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА НА ОСНОВЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ М.О. Костишин, И.О. Жаринов, В.Д. Суслов

Рассматривается задача автономного управления мобильным роботом на основе единичного ультразвукового датчика измерения расстояний.

Ключевые слова: навигация, управление движением.

Решение задачи управления в системе автономной навигации мобильной робототехнической системы имеет важное практическое значение. Робототехнические системы применяются при чрезвычайных ситуациях для анализа экологической обстановки в зонах химико-биологического или радиационного загрязнения, при разборе завалов после землетрясений, для формирования рельефа местности после селевых сходов и оползней в зонах бедствия и т.д. Для автономного движения робототехническая система должна обладать системой навигации, на основании результатов измерений которой предотвращаются столкновения робота с препятствиями. Сегодня существуют различные автономные системы навигации, применяемые в робототехнических системах, решающих задачи специального назначения и бытовые хозяйственные задачи (например, роботы-пылесосы) [Л]. Реализуемые в системе навигации бытовых робототехнических систем принципы движения основаны на хаотичном перемещении устройства по обслуживаемой территории. Большинство таких устройств не оснащено измерительными датчиками и интеллектуальной системой обработки, парирующими столкновение робота с препятствиями.

Для организации автономного движения мобильного робота авторами предлагается принцип, основанный на анализе результатов измерений ультразвуковым датчиком расстояний от робота (датчика) до впереди стоящего препятствия как в статическом положении, так и в процессе движения робота. Наличие препятствия в направлении движения робота определяется по времени прихода отраженного радиоимпульса, излученного и принятого датчиком в ультразвуковом диапазоне частот. Расчет дальности осуществляется по формуле х = с/У2, где / - время прихода отраженного радиоимпульса с момента излучения; с - скорость распространения ультразвуковой волны в воздушном пространстве, с = 340 м/с.

В процессе движения робота датчик и измерительная система непрерывно осуществляют измерение расстояния до впереди стоящего препятствия. При достижении минимально допустимого порогового значения (300 мм) от робота до препятствия робот останавливается и производит замер расстояния слева и справа. Если расстояние слева оказывается больше, чем справа, робот движется в направлении наибольшего запаса движения (налево). При отсутствии беспрепятственных направлений движения осуществляется остановка робота и движение робота в обратную сторону. Измерение расстояния слева и справа от робота сопровождается вращением по кругу единичного датчика.

Результатом работы является алгоритм автономного управления мобильным роботом с использованием единичного ультразвукового датчика. Алгоритм реализован на экспериментальном макете робототехнической системы СМАРТБОТ, приведенном на рисунке. Программное обеспечение работы информационно-измерительной системы робота написано на языке С. Управление роботом осуществляется микроконтроллером Atmega-2560. Управление двигателями колесной базы реализовано на основе четырех двигателей постоянного тока. Круговое движение ультразвукового датчика осуществляется сервоприводом Р85106Б. В качестве датчика измерения расстояния использовался ультразвуковой датчик Раг-а11ахР1^.

Рисунок. Мобильный робот СМАРТБОТ Данный подход к реализации автономной системы навигации робототехнической системы является перспективным в области автомобилестроения. Применение серии датчиков, установленных по периметру робота, позволяет панорамно оценивать окружающее пространство вокруг робота с целью предотвращения столкновения робота с препятствием или с другими роботами при организации упорядоченного движения в транспортном потоке. Представленный принцип автономной навигации мобильного робота может быть использован при разработке системы автопилота для автомобильного транспорта.

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,

2013, № 2

Л. Принцип действия iRobot Roomba (фрагмент). Порядок автоматической уборки [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://irobot-home.ru/about-irobot/principle-of-operation-irobot-roomba/, свободный. Яз. рус. (дата обращения 15.01.2013). Костишин Максим Олегович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, job.max@me.com

Жаринов Игорь Олегович - ФГУП «СПб ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова», доктор технических наук, доцент, руководитель учебно-научного центра, igor_rabota@pisem.net

Суслов Владимир Дмитриевич - ФГУП «СПб ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова», руководитель экспертного совета, postmaster@elavt.spb.ru

УДК 681.324

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ АРХИТЕКТУРЫ ПЕРСПЕКТИВНЫХ БОРТОВЫХ ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В АВИОНИКЕ Е.В. Книга, И.О. Жаринов, А.В. Богданов, П.С. Виноградов

Рассматриваются основные принципы построения перспективных бортовых цифровых вычислительных систем в авиационном приборостроении. Приводится структурная схема перспективной бортовой вычислительной системы. Ключевые слова: интегрированная модульная авионика, вычислительные системы, архитектура.

Бортовые цифровые вычислительные системы (БЦВС) современного летательного аппарата (ЛА) представляют собой сложные технические объекты проектирования, решающие в составе ЛА различные функциональные задачи: определение пилотажно-навигационных параметров в режиме взлета, горизонтального полета, посадки ЛА; слежение за техническим состоянием бортового оборудования; координация работы всех бортовых подсистем; сбор, хранение, обработка и выдача пилоту на средства индикации объективной информации, получаемой как от информационно-измерительной системы ЛА, так и от органов управления информационно-управляющего поля кабины пилота.

Работы по проектированию архитектуры БЦВС для перспективных типов ЛА в настоящее время проводятся рядом предприятий Российской Федерации: ФГУП «СПб ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова» (Санкт-Петербург), ВНИИРА (Санкт-Петербург), МИЭА (г. Москва), НПО «Полет» (Нижний Новгород), ФГУП «НИИ авиационных систем» (г. Москва), ОАО «РПКБ «Раменское» (г. Москва) и др. Достигнутые в настоящее время разработчиками результаты защищены патентами [1-5]: RU 2413280 C1; RU 2413655 C2; RU 108868 U1; RU 106404 U1; RU 88462 U1 и др.

Общими техническими решениями в предлагаемых разработчиками архитектурах перспективных БЦВС являются 4 принципа - открытости архитектуры, модульности, унификации и стандартизации, функциональной и аппаратной интеграции. Однако есть и отличия, влияющие на эффективность применения различных вариантов архитектур БЦВС в решении прикладных бортовых задач.

Существенным для показателей качества БЦВС является тип примененного в них внутрисистемного интерфейса. В проектах известных сегодня отечественных образцов БЦВС [4-6] в качестве внутрисистемного интерфейса используются интерфейсы ARINC664 (Gigabit Ethernet 1000Base-SX, AFDX), CompactPCI (PICMG 2.0, D3.0), PCI Express, RapidIO, VME64x и др.

Построение БЦВС на основе последовательных внутрисистемных интерфейсов типа ARINC664 с высокой скоростью передачи данных требует включения в состав БЦВС специализированных устройств сопряжения (контроллеров), обеспечивающих взаимодействие быстродействующих компонентов БЦВС с менее производительными бортовыми интерфейсами. Построение БЦВС на основе параллельных внутрисистемных интерфейсов типа CompactPCI, PCI Express, RapidIO (LP-LVDS), VME64x с большим количеством проводников во внутрисистемном интерфейсе сегодня не может обеспечивать высокую отказоустойчивость БЦВС при работе интерфейса в гигагерцовом диапазоне частот и, следовательно, отказобезопасность работы БЦВС в целом.

Таким образом, тип внутрисистемного интерфейса является определяющим в выборе архитектуры БЦВС. Очевидно, перспективная архитектура БЦВС базируется сегодня на сетевых технологиях с применением высокоскоростных последовательных внутрисистемных интерфейсов, допускающих коммутацию электрических межмодульных соединений и, следовательно, возможность построения динамически реконфигурируемых вычислительных структур. Одним из путей практической реализации перспективных БЦВС является построение БЦВС с применением технологии коммутируемых высокоскоростных интерфейсов SpaceWire. Структурная схема перспективной БЦВС, разработанной в ФГУП «СПб ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А.Ефимова» [2, 7], представлена на рисунке. БЦВС построена на основе унифицированных конструктивно-функциональных модулей (КФМ). В качестве КФМ выступают разные по назначению модули:

- вычислительные модули, производящие сложные расчеты для управления полетом ЛА;

- модули ввода-вывода, обеспечивающие функции обмена информацией по последовательным каналам (ПК), по мультиплексным каналам обмена (МКИО), обмен разовыми командами (РК);

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 2