Компьютерное моделирование движения мобильного колесного робота с учетом рельефа местности

УДК 681.3

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО КОЛЕСНОГО РОБОТА С УЧЕТОМ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ

Т.А. Акименко, А.А. Тароватов, Е.В. Филиппова

Разработано программное обеспечение, позволяющее избежать расходов на проведение натурного эксперимента, ориентированное на российского пользователя без определенных навыков программирования.

Ключевые слова: робот, рельеф местности, тип дороги, кинематическая схема, движение мобильного робота.

Любое конструктивное решение связано со вполне определенными материальными затратами, которые, как правило, возрастают при увеличении сложности изделия и расширении его потребительских свойств. Поэтому на этапе проектирования целесообразно определиться с предельными условиями эксплуатации мобильных колесных роботов (МКР), в частности, с характеристиками рельефа и микронеровностей, по которым будет перемещаться транспортное средство; с характеристиками существующей транспортной базы робота, в частности, с его кинематической схемой и возможностями механики по амортизации и демпфированию случайных воздействий дороги.

Любая дорога, по которой перемещается МКР, характеризуется двумя аспектами: профиль дороги, задаваемый функцией высот hz(x,y), и микронеровности, задаваемые местными превышениями рельефа h(x,y) относительно функции высот. Для определений условий эксплуатации МКР необходимо определять как первый, так и второй аспекты.

Одновременно с выполнением движения мобильный колесный робот делает снимки или записывает видео с помощью разнообразных камер наблюдения. В зависимости от скорости и типа дороги происходят колебания платформы а, следовательно, происходит и ухудшение качества передаваемой информации.

Проведены опыты по получению изображения с камеры, закрепленной на движущемся мобильном колесном роботе по местности с учетом неровностей.

Получение изображения было проверено экспериментально с помощью видеокамеры Panasonic HDC-SD80 с объективом, имеющим фокусное расстояние 2,38 - 81мм. Физический размер матрицы 1/5.8"

Результаты съемки с учетом рельефа местности со скоростью 15 км/ч представлены на рисунках 2 - 4.

м

Panasonic FULL 1“#£Э igE’Dx/OBO

HDC-SD80

3.0 MEGA^PiXfiLS

AVCHD "

Рис.1 Видеокамера, используемая при эксперименте

Рис. 2. Результаты съемки. Дорога первого класса: а - спокойное состояние; б - скорость 15 км/ч

а б

Рис. 3. Результаты съемки. Дорога второго класса. а - спокойное состояние; б - скорость 15 км/ч

Рис.4. Результаты съемки. Дорога третьего класса. а - спокойное состояние; б - скорость 15 км/ч

124

Как видно из результатов съемки данная скорость оптимальна лишь на дорогах первого класса. На дорогах второго и третьего класса качество изображения сильно ухудшается, и становится непригодным для анализа. Для улучшения качества изображения уменьшим скорость до 10 км/ч (рис.

5).

а

б

Рис. 5. Результаты съемки. Скорость 10 км/ч а - дорога второго класса; б - дорога третьего класса

Как видно из результатов съемки, изображение, полученное на дороге второго класса, становится пригодным для анализа. Изображение местности третьего класса по-прежнему имеет непригодное качество. Для улучшения качества снизим скорость до 5 км/ч (рис. 6.).

Рис. 6. Результаты съемки. Дорога третьего класса. Скорость 5 км/ч

Как видно из рис. 6. изображение стабилизировалось и стало пригодным для анализа. Таким образом, при выборе типа местности следует принимать следующие рекомендации:

- скорость для дорог первого класса - не более 15 км/ч;

- скорость для дорог второго класса - не более 10 км/ч;

- скорость для дорог третьего класса - не более 5 км/ч.

При компьютерном моделировании учитывалось влияние неровностей рельефа пересеченной местности на движение мобильного колесного робота, разработан программно-вычислительный комплекс.

125

Программа написана на языке Бе1рЫ 7 и состоит из 6 окон, в которых задаются различные параметры, 1 окна, в котором происходит движение робота, и от 1 до 5 окон, выбираемые пользователем для выведения тех или иных графиков.

Первое окно - описание модели робота. В данном окне происходит выбор компоновки ходовой части, габаритов робота и параметров двигателя.

Рис. 7. Окно - Описание модели робота

Второе окно - программа робота. В данном окне происходит задание области обследования, а также настройка анализаторов.

І Г Описание модели робота Программа робот а | Оснащение робота | Генератор ландшафта | Настройка имитации | Выкс * М

и и.'гаи і о ииі-лсдиоапии М аксимальное удаление от базы 12000 Максимальный путь по одному вектору |50 Величина азимутального поворота 120 Автоматическая остановка после 115000

и,

п аи і рииіча апси їй за і ирис, і Интервал сканирования |5 * Программное определение расстояния Г Определение расстояния дальномером

ТулГУ Акименко Т.А.. Тароватов А.А.

Рис. 8. Окно - Программа робота

Третье окно - оснащение робота. В данном окне, в зависимости от цели моделирования, пользователь может выбрать один из следующих анализаторов: камера, тепловизор, дальномер, фотокамера, ИК-подсветка.

Рис. 9. Окно - Оснащение робота

Четвертое окно - генератор ландшафта. В данном окне пользователь может задать тип местности, параметры генерации вершин и впадин.

Описание модели робота | Программа робота . Оснащение робота Генератор ландшафта Настройка

Т ип местности С Дороги первого класса (• Дороги второго класса С Дороги третьего класса

Параметры генерации впадин М инимальный радиус |5

Максимальный радиус 150

1 Минимальная глубина

Максимальная глубина ;5

Параметры генерации вершин Минимальный радиус [б

Максимальный радиус Минимальная высота ! 3

Максимальная высота [14

ТулГУ Акименко ТА., Тароватов А.А.

Рис. 10. Окно - Генератор ландшафта

Пятое окно - настройка имитации. В данном окне задается начальное положение и ориентация робота, а также длительность работы.

Программа робота | Оснащение робота | Генератор ландшафта Настройка имитации Выходные параметры *

Стартовые данные

Первоначальное положение X [2000

Первоначальное положение У 12000

Ориентация робота [74

Параметры имитации

Длительность работы 6

ТулГУ Акименко Т.А., Тароьатов А.А.

Рис. 11. Окно - Настройка имитации

Шестое окно - выходные параметры. В данном окне настраиваются параметры изображения движения робота, файл, в который будут записываться исследуемые данные, а также выводимые графики.

Программа робота | Оснащение робота | Генератор ландшафта | Настройка имитации Выходные параметры Маршрут

Интервал записи маршрута [l Г* Добавлять в отчет моментальную скорость Карта маршрута

(• формат JPEG Размер картинки по X j 2048

С формат ВМР Размер картинки по Y ; 2048

С Формат TIFF Масштаб (точек в метре| [То

Имя файла ;robograf Iv добавлять дату и время имитации к имени файла

Графики

Г” Координата X Г" Координата У Г” Скорость Г” Угол поворота колес Г” Управляющий сигнал

ТулГУ Акименко ТА.. Т ароватов А А.

Рис. 12. Окно - Выходные параметры

128

Такое структурирование алгоритма дает возможность оценить динамику движения мобильного колесного робота и при необходимости прервать работу программы с целью корректирования дальнейшего вычислительного процесса, начиная с первого шага. Кроме того, возможно оперативно проводить качественный анализ движения мобильного колесного робота.

Список литературы

1. Бурдаков С.Ф., Миротттник И.В., Стельмаков Р.Э. Системы управления движением колесных роботов/ Серия «Анализ и синтез нелинейных систем». СПб: Наука, 2001. 227 с.

2. Краснощеков П.С., Петров А.А. Принципы построения моделей. М.: Изд-во МГУ, 1983. 264 с.

3. Фаронов, В.В. Система программирования Delphi/ В.В. Фаронов. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 912 с.

Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры робототехники и автоматизации производства, tantan72@mail.ru, Россия, Тула, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»,

Тароватов Андрей Андреевич, магистр техники и технологии, Россия, Тула, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»,

Филиппова Екатерина Вячеславовна, аспирант, kisskin@bk.ru. Россия, Тула, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

COMPUTER SIMULATION OF A MOBILE WHEELED ROBOT WITH ACCOUNT

OF THE RELIEF

T.A. Akimenko, A.A. Tarovatov, E. V. Filippova

Developed software that allows you to avoid the cost of a natural experiment, focused on the Russian user without specific programming skills.

Key words: robot, terrain, road type, kinematics, movement of the mobile robot.

Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical science, docent, docent of Robotics and Automation department, tantan 72@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Tarovatov Andrei Andreevich, master of Engineering and Technology, Russia, Tula, Tula State University,

Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, post-graduatestudent, kisskin@bk.ru, Russia, Tula, Tula State University