Интерактивное управление гусеничными мобильными роботами с использованием лазерных каналов связи

УДК 622.232.83:629.055

ИНТЕРАКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГУСЕНИЧНЫМИ МОБИЛЬНЫМИ РОБОТАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ

© 2013 г. Н.А. Глебов, АА. Маркиянов, С.Б. Притчин

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Рассмотрено использование лазерных каналов передачи информации для наведения и управления мобильными роботами в условиях неопределенности. Моделированием исследовано движение мобильного робота при изменениях управляющих и возмущающих воздействий. Разработана система управления движением мобильного робота.

Ключевые слова: мобильный робот; гусеничный движитель; лазерная система; моделирование; управление.

Use of laser transmission channels of information for induction and control of the mobile robot in the conditions of uncertainty is considered. Simulation also is probed movement of the mobile robot in case of changes of managing directors and perturbing influences. A system for mobile robot control is developed.

Keywords: mobile robot; tracked propulsion; laser system; modeling; control.

Интерактивно управляемые роботы и манипуляторы [1] находят самое широкое применение во многих областях деятельности человека. При этом эффективность эксплуатации робота и качество выполняемой им работы определяются во многом степенью его согласования с другим технологическим оборудованием в условиях рабочей зоны. Изменение условий в рабочей зоне требует адаптации самого робота при его программном управлении. Достаточно большую сложность представляет формализованное описание внешней среды рабочей зоны робота, необходимое при программировании действий робота в недетерминированных условиях рабочей зоны. Этим определяется высокая эффективность интерактивного суперви-зорного управления в период проведения нетипичных операций. Применение интерактивной системы позволяет обеспечить оперативную коррекцию программы движения автоматически действующего мобильного робота, которую осуществляет человек-оператор, непосредственно наблюдающий за ходом

работы. На основе выполненных исследований показана целесообразность и эффективность использования для управления мобильными роботами лазерных систем [2, 3].

Мобильная часть робота (рис. 1) представлена гусеничным модулем 1 с независимыми приводами, которые позволяют получать требуемые скорости движения. Двигатели правой-левой гусениц могут быть электрическими или гидравлическими. Технологические операции в автоматическом режиме выполняются при помощи манипуляционного механизма 2. Прием и передача информации по лазерным каналам связи осуществляется аппаратурой 3.

Для исследования управляемости ходовой части мобильного робота, выполненной на гусеничном движителе, как многомерным объектом, была разработана математическая и создана физическая модели. Структурная схема гусеничного мехатронного модуля движения робота, которая использовалась для составления компьютерной модели, приведена на рис. 2.

-К] ÉÎ'I': M ...... ÎM

Рис. 1. Мобильный робот и аппаратура управления

MT

U3i

Km

Tp+1

i

Mm

Ml 1ГП ^ J

Юдв1

Юп

, Vi

U32

Km

T2P+I

MT M2

i

Mm,

J_

J2

Юдв2 -1

k2 kn2 —

V2

Fcr

sin X 1

г> P

cos

X

1 S

X —

P

Рис. 2. Структурная схема гусеничного модуля движения робота

На схеме обозначено: юдаЬ шдв2 - угловая скорость вращения двигателей; J - момент инерции на валу двигателя; Mj, М2 - вращающие моменты; MTb MT2 -моменты трения и сопротивления движению, приведенные к валу двигателя; Мпов1 и Мпов2 - моменты сопротивления повороту; vj - линейная скорость левого борта модуля; v2 - линейная скорость правого борта модуля; Vcp - средняя скорость поворота относительно центра масс модуля; шпов - угловая скорость поворота относительно центра масс модуля; фпов -угол поворота; S - перемещение центра масс модуля по проектной оси; X - отклонение центра масс модуля от проектной оси; U3b из2 - управляющие воздействия; kmj, km2, kej, ke2, kj, k^ kMj, kM2, knj, kn2 - передаточные коэффициенты.

Проведены математическое моделирование и физический эксперимент при различных управляющих и возмущающих воздействиях. На рис. 3 показано изменение основных параметров гусеничного модуля движения («exp» относится к физической модели, «mod» - к математической модели) при одинаковых управляющих воздействиях.

Сравнительная оценка данных, полученных при математическом и физическом моделировании, по критерию Фишера показала адекватность физической и математической моделей.

Как видно из графиков, гусеничный мобильный робот не имеет собственной устойчивости, поэтому необходима система управления его движения. Проведенные исследования позволили определить параметры, необходимые для управления движением мобильного робота. Такими параметрами являются от-

клонение центра масс модуля движения робота Х, угол поворота ф и угловая скорость поворота о>.

Рис.3. Графики переходных процессов математической и физической моделей гусеничного модуля робота

Манипуляционный механизм в соответствии с его кинематической структурой (рис. 4) имеет шесть вращательных пар: q1 - региональное вращение вокруг вертикальной оси Y0; q2 - региональное вращение вокруг горизонтальной оси Y1; q3 - региональное вращение вокруг горизонтальной оси Y2; q4 - локальное вращение вокруг горизонтальной оси Х3; q5 - локальное вращение вокруг горизонтальной оси Y4; q6 - локальное вращение вокруг горизонтальной оси Х5; Lь L2, L3 - длины звеньев робота при региональных перемещениях; L4, L5, L6 - длины звеньев робота при локальных перемещениях.

Ф

к

к

Ml

к

M2

к

А Zo,Z1,Zi

X3X4X5X6

Xo

Рис. 4. Кинематическая структура манипуляционного механизма мобильного робота

Координаты центра схвата в системе, связанной со стойкой манипулятора, для региональных перемещений равны:

хс = соб^)(£2 СОБ^2) + L3 cos(q2 + qз));

Ус = )(L2 cos(q2) + Lз cos(q2 + qз));

zc = L1 + L2 sin(q2) - L3 sin(q2 + q3).

Разрешив данную систему уравнений относительно неизвестных q1,q2,q3, получим:

y

q1 = arctg—;

q2 =

А - z

г + arccos

V + Ус2

V - h + V + Ус2 + (А- z)2 Xc2 + Ус2 + (A- Zc)2

h22 -h + Xc2 + yc2 + (¿J-zc)2

q3 =+(л-arccos—-3 c c 1 c

2L2L3

Данная система уравнений является решением обратной задачи кинематики для региональных движений манипулятора.

Решение прямой и обратной задач кинематики для локальных перемещений манипулятора выполняется аналогично.

Дистанционное управление роботами [4] актуально, прежде всего, при выполнении ими сложных операций в экстремальных условиях, требующих участия человека. Форма этого участия в современных робо-тотехнических системах существенно меняется. От задания движений оператор переходит к заданию целей операций и к диалогу с робототехнической

системой. Такой способ управления, в свою очередь, предполагает возможность адаптивного поведения робота, обеспечивающего выполнение поставленных человеком задач в условиях неопределенности. Эта неопределенность, прежде всего, создается условиями внешней среды, которые могут быть априори неизвестны или известны неполностью. Она проявляется как отсутствием полной информации о положении мобильного робота и свойствах объектов манипулирования, так и воздействием на систему случайных факторов в процессе ее работы. В интерактивных робототехнических системах, взаимодействующих с оператором, неопределенность может проявляться и в командах управления, которые требуют интерпретации в соответствии с реальными условиями работы.

Для решения задачи автономного адаптивного управления манипуляционным механизмом мобильного робота предлагается использовать систему управления [5], состоящую из системы визуального контроля, содержащую аппаратные средства захвата и анализа изображений, и системы управления движением. Для захвата изображения рабочей зоны используется WEB-камера, связанная с системой анализа изображений, представляющей собой комплекс программных и аппаратных средств. Система анализа изображений обрабатывает поток, поступающий с цифровой видеокамеры, и преобразует его в набор параметров, на основе которых система управления движением формирует управляющие воздействия исполнительным механизмам робота.

Полученная математическая модель мехатронного модуля движения робота использована при синтезе системы управления методом параметров состояния [6].

c

Синтезом получен алгоритм управления при полной информации: и[(п+1)Т = -РПХ[(п + 1)7], где Х[(п+1)Т - вектор-столбец выходных координат {ю[п|, ф[п], х[п]}Т объекта при п = 0, 1, 2,...; Т- период дискретности; рП - вектор-строка {р1Ь р12, Р13} коэффициентов алгоритма управления при полной информации.

При потере информации от задатчика направления навигационной системы, вследствие запыленности или отказа системы, не все выходные координаты измеряются датчиками, тогда алгоритм управления при неполной информации [7] имеет вид

и[(п + 1)7] = - Р1НХ[(п+1)7] -

- Р2НХ[(п + 1)Т - С1НХ[пТ],

где Р:Н, р2Н, С1Н - векторы-строки коэффициентов системы управления роботом при неполной информации. Структура интерактивной системы управления движением гусеничного мобильного робота приведена на рис. 5, где и - управляющее воздействие на приводы гусеничных движителей робота; о> - угловая скорость поворота робота; ф - угол поворота робота относительно заданной траектории; х - отклонение определенной точки робота. Интерактивная система управления мобильным роботом выполняет следующие функции: задание траектории (прямолинейной или криволинейной) движения мобильного робота; определение расстояния от базовой точки до мобильного робота; контроль положения мобильного робота

в плане и профиле с учетом вращения его вокруг своей продольной оси (крена); выдачу информации о положении робота на экран монитора; обработку сигналов положения робота и выдачу сигналов или рекомендаций по управлению движением посредством лазерного канала связи.

Направление движения робота задается лучом лазерного задатчика, установленного на шарнирном программно-управляемом устройстве. Получение информации о координатах оси мобильного робота осуществляется фотоэлектронным приемным блоком. Определение расстояния между базовой точкой и мобильным роботом, необходимое для точной ориентации лазерного задатчика, производится при помощи цифрового лазерного дальномера. Прием и передача данных при дистанционном управлении осуществляются посредством модуляции-демодуляции лазерного луча, кодирования-декодирования и последующей программной обработки в диалоговом или автоматическом режимах. При движении робота фотоэлектронный блок вычисляет ю[п], ф [п], х[п]. Результат сравнения заданных и полученных значений представляется в виде ошибки сигнала и его производных и поступает на вход первого уровня многослойной нейронной сети прямого распространения нейросетевого блока обработки информации. Три уровня нейросетевой структуры позволяют получить значения параметров состояния системы как при полной информации об объекте (ю[п], ф[п], х[п] - определены), так и неполной информации (какой-либо параметр не определен).

Рис. 5. Структура системы управления движением мобильного робота

Для этого используются законы изменения параметров с последующей аппроксимацией посредством настройки и обучения нейросети. Четвертый уровень нейросети позволяет синтезировать управляющее воздействие на приводы двигателей робота.

Разработанная интерактивная система обеспечивает определение пространственных координат мобильного робота с требуемой точностью, обладает высокой помехоустойчивостью и обеспечивает надежный обмен информацией оператора с роботом на расстоянии до 1 км.

На основе выполненных исследований показана целесообразность и эффективность использования для управления мобильными роботами интерактивных систем с лазерными каналами связи. Разработаны общие подходы к построению эргатических управляющих систем, которые путем адаптации к изменяющим условиям внешней среды являются основой создания систем управления мобильными робототех-ническими комплексами.

Литература

1. Притчин С.Б. Дистанционно управляемые манипуляци-онные, робототехнические и мехатронные системы. Новочеркасск, 2009. 86 с.

Поступила в редакцию

2. Власов С.Н., Левин М.С., Загороднюк В.Т., Глебов Н.А. Лазерная система автоматического контроля положения проходческих щитов // Транспортное строительство. 1970. № 1. С. 17 - 18.

3. Глебов Н.А., Притчин С.Б. Управление движением меха-тронного тоннелепроходческого комплекса // Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. № 8. С. 19 - 23.

4. Воротников С.А., Михайлов Б.Б., Ющенко А.С. Дистанционное управление адаптивными роботами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. № 12. С. 6 - 16.

5. Глебов Н.А., Шошиашвили М.Э., Крапивин Д.М., Духо-пельников В.Д., Притчин С.Б., Бондаренко М.Д., Клее-нин Г.Г. Автоматизированные проходческие и роботизированные трубоукладочные комплексы // Научно-педагогические школы ЮРГТУ (НПИ). История. Достижения. Вклад в отечественную науку: сб. науч. ст. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 2007. Т. 2. С. 135 - 143.

6. Барковский В.В., Захаров В.Н., Шаталов А.С. Методы синтеза систем управления. М., 1981. 162 с.

7. Глебов Н.А., Притчин С.Б., Маркиянов А.А. Лазерные системы управления мобильными роботами в недетерминированных условиях // Материалы Третьей Всерос. науч.-практ. конф. «Перспективные системы и задачи управления». Таганрог, 2008. Т. 1. С. 148 - 150.

20 ноября 2012 г.

Глебов Николай Алексеевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Тел. (8635)25-52-46. E-mail: aprim.srstu@mail.ru

Маркиянов Александр Александрович - ассистент, кафедра «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-46. E-mail: aprim.srstu@mail.ru

Притчин Сергей Борисович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Мехатроника и гидропневмоавтоматика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-46.E-mail: aprim.srstu@mail.ru

Glebov Nikolay Alexeevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Mechatronics and hydropneumo-automatics» South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-52-46. E-mail: aprim.srstu@mail.ru

Markiyanov Aleksander Aleksandrivich - assistant, department «Mechatronics and hydropneumoautomatics», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-46. E-mail: aprim.srstu@mail.ru

Pritchin Sergey Borisovich - Candidate of the Technical Science, associate professor, department of mechatronics and hydropneumoautomatics, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-46, E-mail: aprim.srstu@mail.ru_