Алгоритмы управления четырехколесным роботом при движении по пересеченной местности

УДК 62-62-519

DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-9-738-741

АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХКОЛЕСНЫМ РОБОТОМ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО ПЕРЕСЕЧЕННОЙ МЕСТНОСТИ

М. И. Евстигнеев, Ю. В. Литвинов, В. В. Мазулина, Г. М. Мищенко

Рассматривается алгоритм управления мобильным роботом в условиях возникновения неизвестных препятствий на пути следования. Идентификация препятствия осуществляется с помощью системы технического зрения. В качестве мобильного робота рассматривается модель на основе четырехколесного шасси автомобильного типа с электроприводом.

Ключевые слова: мобильный робот, идентификация препятствий, техническое зрение.

Для выполнения своих функциональных задач роботы должны уметь автономно перемещаться по траекториям, заданным оператором. Как правило, в современных мобильных роботах (МР) для этой цели используется навигационная система, которая определяет координаты робота, планирует траекторию в текущий момент времени и управляет его движением. Для решения данных задач используются такие технические средства, как дальномеры, видеокамеры с механической обратной связью, стереовидеокамеры, гироскопы [1].

Системный анализ и программное обеспечение, необходимое для обработки данных, поступающих с указанных технических устройств, подразумевает выбор алгоритмов решения задач навигации, реализацию этих алгоритмов в виде программ и сравнение их работы по эффективности и надежности функционирования.

Мобильный робот представляет собой четырехколесную тележку с двумя ведущими задними колесами и двумя передними рулевыми, его схема представлена на рис. 1.

В качестве переменных состояния колесного робота рассматриваются следующие величины: X', Y ' — координаты базовой точки робота; у — угол поворота передних колес; ф — угол поворота центральной линии платформы; v — модуль вектора скорости робота. Кинематическая модель робота описывается следующей системой уравнений:

Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия E-mail: yurl13@yandex.ru

Y

0

Рис. 1

X = v cos ф; Y = v sin ф;

v tg у

ф = ш=-

L

где Ь — расстояние от базовой точки до переднего колеса, ю — скорость вращения платформы вокруг вертикальной оси [2].

Перемещение робота описывается системой линейных дифференциальных уравнений [3]:

х = Ах + Ви,

где А и В — матрицы состояния и управления соответственно, х — вектор состояний, и — вектор управления.

Представим непрерывную гладкую траекторию в дискретном виде, причем время дискретизации М стремится к нулю, а траектория на каждом дискретном участке линейна. Тогда система линейных уравнений (1), в соответствии с [3], может быть представлена в виде

хк+1 = АА хк + ВВ и,

где А = А/А + в, ВВ = AtB, здесь в — ошибка (отклонение от заданной траектории); к — шаг дискретизации.

Согласно [4] уравнение (2) можно представить в следующем виде:

vk+11 yx "1

vk+1 y = 0

„k+1 Ш 0

Г /1 x Аш1

k + BMQ • АШ2

v y А3

„k

Ш АШ4

где матрица управления

В = 2ж

а матрица поворота

0,25 -0,25 1

0,25 0,25 1

0,25 0,25 1

0,25 -0,25 1

2

Г k cos ф k - Sin ф 0

Q = k Sin ф k cos ф 0

0 0 1

здесь г — радиус колес, с — ширина платформы, I — длина платформы. Функциональная схема мобильного робота представлена на рис. 2.

Гироскоп

Компас

Видеокамера

ПК

Wi-Fi

Роутер

УЗ-датчик

Микроконтроллер МР

Источник питания 1

Источник питания 2

Драйвер двигателей

' Л

Двигатель 1 Двигатель 2

Рис. 2

Оператор формирует на персональном компьютере начальную траекторию (программу) движения МР с учетом известных на данный момент препятствий. Программа с компьютера (посредством Wi-Fi роутера) отсылается на микроконтроллер МР. Дальнейшее движение робота полностью автономно. С помощью датчиков (УЗ-датчика, видеокамеры, цифрового компаса, гироскопа) робот получает информацию о состоянии его рабочей зоны. На основе обработки этих данных начинается выполнение соответствующего заложенного в микроконтроллер алгоритма — движение по заданной траектории.

В работе [5] рассматривается алгоритм обнаружения роботом препятствия при движении по плоскости, способы его объезда и возвращения на первоначально заданную траекторию. Применительно к движению по пересеченной местности этот алгоритм следует доработать, так как робот может принять наклонную поверхность за препятствие и начать его объезжать, что потребует дополнительных энергетических и временных затрат (рис. 3).

При движении МР 1 по пересеченной местности возможен вариант, когда УЗ-датчик 3 примет противоположный склон 4 как препятствие (см. рис. 3, а). В этом случае включается видеокамера 2, которая начинает сканирование местности в вертикальной плоскости (рис. 3, б). Далее с помощью алгоритма распознавания образов анализируется последовательность видеокадров и определяются границы возможного препятствия и его наклон. Если препятствие не имеет четких границ, то система технического зрения определяет это не как препятствие, а как подъем местности. Мощности двигателей рассматриваемой модели МР недостаточно для преодоления подъема с углом наклона более 30°. Если данные с гироскопа и видеокамеры превышают это значение, то МР будет идентифицировать впереди лежащую поверхность как препятствие и приступит к выполнению маневра объезда. Иначе, он продолжит движение по заданной траектории.

Таким образом, разработаны алгоритмы анализа окружающей обстановки с использованием системы технического зрения и выработки на их основе команд управления мобильным роботом при движении по пересеченной местности. Проведенное моделирование показало работоспособность предложенного подхода к указанной проблеме.

1. Литвинов Ю. В., Мазулина В. В., Фролов С. Н., Салмыгин И. П., Бушуев А. Б. Использование веб-камеры для обнаружения препятствий на пути движения мобильного робота // Системы обработки информации. Информационные проблемы теории акустических, радиоэлектронных и телекоммуникационных систем. 2013. № 7 (114). С. 24—26.

а)

б)

— - — сигнал ультразвукового датчика ВНННИ — сигнал видеокамеры Рис. 3

список литературы

2. Канатников А. Н., Касаткина Т. С. Особенности перехода к путевым координатам в задаче путевой стабилизации // Наука и образование: МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. 2012. № 7.

3. Караваев Ю. Л., Трефилов С. А. Дискретный алгоритм управления по отклонению мобильным роботом с омниколесами // Нелинейная динамика. 2013. Т. 9, № 1. С. 91—100.

4. Красовский А. А. Справочник по теории автоматического управления. М.: Наука, 1987. 712 с.

5. Мазулина В. В., Литвинов Ю. В., Щаев Е. Г., Мищенко Г. М. Управление мобильным роботом на трассе с препятствиями // Научные достижения XXI века. Достижения и перспективы нового столетия. 2014. Т. 5, № 2. С. 34—38.

Максим Игоревич Евстигнеев Юрий Володарович Литвинов Вероника Васильевна Мазулина Галина Михайловна Мищенко

Рекомендована кафедрой систем управления и информатики

Сведения об авторах

магистрант; Университет ИТМО; кафедра систем управления и информатики; E-mail: makcim269@mail.ru

канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО; кафедра систем управления и информатики E-mail: yurl13@yandex.ru

магистрант; Университет ИТМО; кафедра систем управления и информатики; E-mail: nikasummit@rambler.ru

магистрант; Университет ИТМО; кафедра систем управления и информатики; E-mail: nipleg@mail.ru

Поступила в редакцию 22.04.15 г.

Ссылка для цитирования: Евстигнеев М. И., Литвинов Ю. В., Мазулина В. В., Мищенко Г. М. Алгоритмы управления четырехколесным роботом при движении по пересеченной местности // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, № 9. С. 738—741.

ALGORITHMS OF CONTROL OVER FOUR-WHEEL ROBOT MOVING OVER ROUGH TERRAIN

M. I. Evstigneev, Yu. V. Litvinov, V. V. Mazulina, G. M. Mishchenko

ITMO University, 197101, Saint Petersburg, Russia E-mail: yurl13@yandex.ru

An algorithm of control over mobile robot is considered for the case of unknown obstacles on the route. Identification of an obstacle is carried out with the use of a technical vision system. A model based on four-wheel motorcar-type chassis is used as an example of mobile robot.

Keywords: mobile robot, obstacle identification, technical vision.

Data on authors

Graduate Student; ITMO University; Department of Computer Science and Control Systems; E-mail: makcim269@mail.ru PhD, Associate Professor; ITMO University; Department of Computer Science and Control Systems; E-mail: yurl13@yandex.ru Graduate Student; ITMo University; Department of Computer Science and Control Systems; E-mail: nikasummit@rambler.ru Graduate Student; ITMO University; Department of Computer Science and Control Systems; E-mail: nipleg@mail.ru

Maksim I. Evstigneev —

Yury V. Litvinov —

Veronika V. Mazulina —

Galina M. Mishchenko —

For citation: Evstigneev M. I., Litvinov Yu. V., Mazulina V. V., Mishchenko G. M. Algorithms of control over four-wheel robot moving over rough terrain // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Priborostroe-nie. 2015. Vol. 58, N 9. P. 738—741 (in Russian).

DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-9-738-741