СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ

Полезная модель относится к робототехнике, а именно к устройствам, позволяющим обнаруживать объекты, определять их пространственное положение и изменять положение или пространственную ориентацию оборудования различного назначения в зависимости от пространственного положения обнаруженных объектов.
Известна система автоматического позиционирования подвижного робота (патент РФ RU 2265803, МПК: G01C 23/00, дата публикации 10.12.2005), содержащая установленные в роботе блок анализа и управления, генератор радиосигнала, приемник ультразвуковых сигналов и исполнительные механизмы, подключенные к блоку анализа и управления. Система содержит также установленные в заданных положениях вне робота приемники радиосигналов, соединенные с ультразвуковыми излучателями.
Робот периодически излучает радиосигналы. Приемники радиосигналов принимают излученные радиосигналы и с помощью ультразвуковых излучателей излучают ультразвуковые сигналы. Приемники ультразвуковых сигналов, установленные на роботе, принимают эти ультразвуковые сигналы, блок анализа и управления сравнивает момент времени генерации радиосигнала с моментами времени приема ультразвуковых импульсов от разных ультразвуковых излучателей и определяет по этим данным расстояние до ультразвуковых излучателей и угловое положение робота относительно ультразвуковых излучателей. На основании полученных данных о своем положении робот с помощью исполнительных механизмов поворачивается на заданный угол или движется в нужном направлении.
Недостатком такой системы является необходимость наличия стационарных приемников радиосигналов и ультразвуковых излучателей, что ограничивает переносимость такой системы на другие площадки.
Наиболее близким аналогом заявленной системы является система автоматического позиционирования подвижного робота-уборщика (патент США US 5440216, МПК: A47L 11/40, дата публикации 08.08.1995), содержащая установленные в роботе блок анализа и управления, детектор объекта и исполнительные механизмы, подключенные к блоку анализа и управления. Детектор объекта содержит сервопривод, который содержит вал, на котором установлен ультразвуковой дальномер. Вал сервопривода совершает периодические возвратно-вращательные движения, ультразвуковой дальномер излучает ультразвуковые сигналы и определяет таким образом дистанцию до объекта, который перед ним находится. Если при некотором угле поворота вала сервопривода дистанция до объекта меньше пороговой, объект идентифицируется как мусор и блок анализа и управления подает управляющие сигналы на исполнительные механизмы робота, позволяющие изменять его ориентацию и местоположение в пространстве в зависимости от угла поворота вала сервопривода и дистанции от робота до обнаруженного объекта, измеренной ультразвуковым дальномером.
Заявленная система автоматического позиционирования оборудования также содержит детектор объекта, исполнительный механизм, блок анализа и управления, к которому подключен детектор объекта и исполнительный механизм, детектор объекта содержит первый сервопривод и первый дальномер, первый сервопривод содержит вал, на котором установлен первый дальномер, управляющий вход первого сервопривода подключен к блоку анализа и управления.
Полезная модель характеризуется тем, что исполнительный механизм содержит второй сервопривод, содержащий вал, соединенный с кронштейном, на котором установлено оборудование, управляющий вход второго сервопривода подключен к блоку анализа и управления, система содержит также второй дальномер, соединенный с одним из корпусов сервоприводов и способный определять расстояние между первым и вторым сервоприводом, управляющий вход и выход второго дальномера подключены к блоку анализа и управления, первый дальномер выполнен в виде ультразвукового дальномера, второй дальномер выполнен в виде инфракрасного дальномера.
В развитие полезной модели система дополнительно содержит два электронных компаса, первый электронный компас соединен с корпусом первого сервопривода, а второй электронный компас соединен с корпусом второго сервопривода, управляющие входы и выходы электронных компасов подключены к блоку анализа и управления;
система содержит также элементы световой или звуковой индикации, подключенные к блоку анализа и управления, а также радиопередающее устройство, подключенное к блоку анализа и управления, блок анализа и управления содержит микроконтроллер и модули памяти, оборудование включает в себя камеру в видимом, инфракрасном или рентгеновском диапазоне.
Технический результат, получаемый в результате реализации заявленной полезной модели - повышение точности позиционирования оборудования. У каждого дальномера есть мертвая зона - диапазон расстояний от дальномера до объекта, при которых дальномер не способен определять расстояние до объекта. Тогда при использовании аналогов при приближении объекта к платформе, на которой установлен и дальномер, и позиционируемое оборудование, на расстояние, меньшее границы мертвой зоны, дальномер не может обнаружить объект и правильно позиционировать оборудование на объект, близко расположенный к нему.
В заявленной полезной модели ультразвуковой дальномер, обнаруживающий объект, и оборудование размещены на разных сервоприводах, поэтому как бы близко объект ни находился от позиционируемого оборудования, ультразвуковой дальномер всегда сможет его обнаруживать. Чтобы объект не оказался в мертвой зоне ультразвукового дальномера, последний может быть удален от зоны, где может перемещаться объект. Чтобы иметь возможность менять расстояние между сервоприводами и при этом правильно учитывать это расстояние, установлен второй дальномер, измеряющий расстояние между сервоприводами. Если использовать для этого ультразвуковой дальномер, то ультразвуковые импульсы, излученные первым ультразвуковым дальномером, могут отражаться от объекта, оборудования или корпуса сервопривода, на котором установлено оборудование, и попадать в приемный ультразвуковой датчик второго ультразвукового дальномера, что приведет к ложному срабатыванию второго дальномера и, соответственно, некорректному измерению расстояния между сервоприводами. Чтобы избежать этого, второй дальномер используется в виде инфракрасного дальномера.
Так что при использовании двух дальномеров разных типов (ультразвукового и инфракрасного) позволяет исключить влияние импульсов одного дальномера на второй дальномер и надежно измерять как расстояние до объекта, так и расстояние между сервоприводами, причем при любом расстоянии от объекта до оборудования на платформе, что не достижимо при использовании аналогов.
В дальнейшее развитие полезной модели радиопередающее устройство выполнено способным по сигналу от блока анализа и управления излучать радиосигналы заданного формата;
первый дальномер содержит первый ультразвуковой датчик, способный генерировать направленный ультразвуковой сигнал, второй ультразвуковой датчик, способный принимать отраженный от объекта сигнал;
второй дальномер выполнен в виде инфракрасного датчика, способного генерировать направленный инфракрасный сигнал, принимать отраженный сигнал;
блок анализа и управления выполнен в виде контроллера и содержит микроконтроллер, модули флеш-памяти для хранения алгоритмической программы и модули SRAM-памяти для хранения переменных величин, используемых алгоритмической программой при ее выполнении, микроконтроллер выполнен способным выполнять алгоритмическую программу, хранящуюся в указанной флеш-памяти.
Контроллер содержит управляющие выходы, а также измерительные входы, управляющие входы дальномеров и компасов подключены к управляющим выходам контроллера, выходы дальномеров и компасов подключены к измерительным входам контроллера, управляющие входы сервоприводов подключены к управляющим выходам контроллера.
Оборудование может включать в себя сканер в видимом, инфракрасном, рентгеновском или гамма-диапазоне либо изотопный детектор либо химический или спектральный анализатор.
На фиг. 1 показана структурная схема заявленной системы;
на фиг. 2 показана схема работы системы (вид сверху)
Показанная на фиг. 1 система автоматического позиционирования оборудования содержит детектор объекта, состоящий из сервопривода 1, содержащего вал 2, и ультразвукового дальномера 3, исполнительный механизм, состоящий из сервопривода 4, содержащего вал 5 с установленным на нем кронштейном 6, блок анализа и управления в виде контроллера 7, содержащего микроконтроллер 8, модули памяти 9 (модули флеш-памяти и модули SRAM-памяти).
Электронный компас 12 соединен с корпусом сервопривода 1, а электронный компас 13 соединен с корпусом сервопривода 4. С корпусом сервопривода 1 также соединен инфракрасный дальномер 14. Камера наблюдения 11 (видеокамера) установлена на кронштейне 6 и способна поворачиваться вокруг оси 15 вала 5 вместе с кронштейном 6. Ультразвуковой дальномер 3 содержит первый ультразвуковой датчик, способный генерировать направленный ультразвуковой сигнал, и второй ультразвуковой датчик, способный принимать отраженный от объекта ультразвуковой сигнал. При этом ультразвуковой дальномер 3 способен поворачиваться вокруг оси 16 вала 2 вместе с валом 2. Камера наблюдения 11 может быть в видимом или инфракрасном диапазоне. Вместо камеры наблюдения 11 может быть установлен сканер в ультразвуковом, рентгеновском или гамма-диапазоне либо изотопный детектор либо химический анализатор.
Контроллер 7 может быть выполнен в виде контроллера Arduino UNO с микроконтроллером 8 типа ATmega328p, флеш-памятью объемом 32 кбайт и SRAM-памятью объемом 2 кбайт.Сервоприводы 1 и 4 могут быть типа FS5106B или FS5109M, ультразвуковой дальномер 3 - типа HC-SR04, инфракрасный дальномер 14 - типа SHARP GP2Y0A21YK0F. Электронный компас 12 и 13 может быть типа GY-271 HMC5883L.
Контроллер 7 содержит управляющие выходы и измерительные входы, управляющие входы дальномеров 3 и 14 и электронных компасов 12 и 13 подключены к управляющим выходам контроллера 7, выходы дальномеров 3 и 14 и электронных компасов 12 и 13 подключены к измерительным входам контроллера 7; управляющие входы сервоприводов 1 и 4 подключены к управляющим выходам контроллера 7.
Система может содержать также элементы световой или звуковой индикации, подключенные к контроллеру 7. Элементы световой индикации могут выполнены в виде светодиодов, включающихся при обнаружении объекта, а также при штатной работе инфракрасного дальномера 14.
Система может также содержать радиопередающее устройство, подключенное к контроллеру 7, например, в виде модуля GSM или Blue Tooth, который по сигналу от контроллера 7 может излучать радиосигналы заданного формата.
Модули памяти 9 включают в себя модули флеш-памяти (Flash) и модули памяти SRAM Модули флеш-памяти используются для хранения алгоритмической программы, которую выполняет микроконтроллер 8, а модули SRAM используются для хранения переменных величин, используемых алгоритмической программой при ее выполнении. Алгоритмическая программа записывается во флеш-память при подключении к контроллеру 7 программатора или компьютера, на котором предварительно создается исходный, а затем объектный код программы.
На фиг. 2 показана схема обнаружения объекта 21. Инфракрасный дальномер 14 периодически по сигналу от контроллера 7 излучает направленный инфракрасный сигнал 17 в сторону корпуса сервопривода 4 и принимает отраженный инфракрасный сигнал 18. Контроллер 7 сравнивает момент времени излучения сигнала 17 и момент времени приема сигнала 18 и определяет расстояние между сервоприводами 1 и 4. Также периодически контроллер 7 запрашивает у электронных компасов 12 и 13 их азимут, который соответствует ориентации каждого из сервоприводов 1 и 4 относительно направления на север. Сравнение азимутов электронного компаса 12 и электронного компаса 13 с учетом расстояния между сервоприводами 1 и 4 позволяет контроллеру 7 вычислять угол поворота вала 5 в зависимости от угла поворота вала 2 для наведения камеры наблюдения 11 или другого оборудования на объект 21 в направлении 24.
Контроллер 7 периодически подает управляющие сигналы на сервопривод 1 для поворота вала 2 на некоторый угол в диапазоне от 0 до 180 градусов, который с каждым шагом либо монотонно увеличивается, пока не достигнет 180 градусов, либо монотонно уменьшается, пока не достигнет 0 градусов. Когда фактический угол поворота вала 2 достиг 180 градусов, угол поворота вала 2, рассчитываемый контроллером 7, начинает монотонно уменьшаться до 0 градусов. Когда фактический угол поворота вала 2 достиг 0 градусов, угол поворота вала 2, рассчитываемый контроллером 7, начинает монотонно увеличиваться до 180 градусов.
После каждого изменения угла поворота вала 2 ультразвуковой дальномер 3 по сигналу от контроллера 7 излучает направленный ультразвуковой сигнал 22 в направлении, в котором на момент излучения сигнала направлен дальномер. Если в этот момент на этом направлении находится объект 21, то ультразвуковой сигнал 22 отражается от объекта 21 и ультразвуковой дальномер 3 принимает отраженный ультразвуковой сигнал 23. Контроллер 7 сравнивает момент времени излучения сигнала 22 и момент времени приема сигнала 23 и определяет расстояние от сервопривода 1 до объекта 21. Если эта дистанция меньше заданного порога, идентифицируется наличие объекта, на который должна быть наведена камера наблюдения 11 (направление 24). Для этого контроллер 7 подает сигнал на сервопривод 4 для поворота его вала 5 на угол, который контроллер 7 рассчитывает в зависимости от угла поворота вала 2 сервопривода 1 и расстояния между сервоприводами 1 и 4. Объектом 21 может быть тело человека или животного, транспортное средство или какое-либо препятствие, если заявленная система установлена на платформе другой системы, способной перемещаться.