Базовая платформа автономного интеллектуального робототехнического комплекса (АИРТК)
BASIC PLATFORM OF THE AUTONOMOUS INTELLIGENT ROBOTIC COMPLEX (AIRC)

Базовая платформа автономного интеллектуального робототехнического комплекса (АИРТК) является основным модулем, на который впоследствии могут быть установлены дополнительные блоки/модули, необходимые для расширения функций автономного интеллектуального робототехнического комплекса (АИРТК). Изобретение относится к робототехническим и мехатронным системам и может найти применение в качестве универсального автономного робототехнического комплекса или многофункционального самодвижущегося устройства. Конфигурация мобильной автономной робототехнической платформы предполагает возможность изменения ее структуры за счет сменных модулей, которые определяют сферу применения АИРТК. В частности, устройство способно осуществлять перевозку документов в офисах, сопровождать посетителей в гостиницах и отелях, осуществлять перевозку грузов в аэропортах, вокзалах и складских помещениях, а также использоваться для запуска малогабаритных беспилотных летательных аппаратов. Робототехническая платформа способна буксировать полуприцепы и прицепы, поддерживает установку модуля для очистки территории от снега и листвы, а также может быть использована при выполнении сельскохозяйственных работ при условии использования соответствующего модульного оборудования.
Известно изобретение, патент РФ №2632342 “Автономный мобильный робототехнический комплекс” (АМРК), включающее герметичный корпус и надстройку, силовую, трансмиссионную установки и движитель, аппаратную часть и блок управления комплексом. Аппаратная часть содержит приборы мониторинга окружающей среды, навигационное оборудование и приборы контроля проходимости грунтовой поверхности, размещенные на надстройке транспортного средства. Навигационное оборудование состоит из высокоточного мобильного приемника, имеющего обратную связь с базовой станцией. Приборы контроля проходимости грунтовой поверхности содержат дальномеры, контролирующие глубину колеи по каждому борту транспортного средства, гибкую консоль, на свободном конце которой закреплен измеритель твердости грунта с возможностью передачи показаний на блок управления. Приборы мониторинга окружающей среды содержат метеостанцию, судовую радиолокационную станцию, лазерный сканер и видеокамеры, соединенные с блоком управления. АМРК выполнен с возможностью смены движителя, на надстройке транспортного средства размещены выдвижная вращающаяся платформа, выдвижная мачта и выполнены люки, управляемые дистанционно, навигационное оборудование состоит из высокоточного мобильного приемника, устанавливаемого на АМРК и имеющего обратную связь с базовой станцией. Изобретение обеспечивает дистанционную работу в труднопроходимой местности, проведение необходимых измерений и съемок, надежную защиту и автоматизированную настройку положения его измерительной аппаратуры. Автономный мобильный робототехнический комплекс предназначен для мониторинга прибрежной зоны и прогнозирования морских природный катастроф. Мониторинг окружающей природной среды необходим, прежде всего, в малодоступной (недоступной и опасной) для человека обстановке, на восточных и северных побережьях России, где надо осуществлять постоянный сбор информации о природных процессах, происходящих на морских побережьях и в морях.
Недостаток данного устройства заключается в необходимости дистанционного управления, обеспечивающего связь с базовой станцией управления, отсутствует возможность автономной работы.
Известно изобретение, патент РФ №2730666 “Автономная мобильная робототехническая платформа для очистки снега”, состоящее из самоходной колесной машины, на которой размещен аккумулятор, ходовые двигатели и ковш. Платформа содержит блок управления, который включает промышленный компьютер, к которому осуществляется подключение видеокамер, микроконтроллеров, к которым подключены датчики расстояний, датчики регистрации угла поворота колес. Устройство имеет систему автоматической подзарядки батареи, систему компьютерного зрения. Устройство способно осуществлять работу в автономном режиме. В робототехнической платформе имеется 9 двигателей, из которых 4 двигателя являются ходовыми, 4 двигателя являются поворотными и один двигатель установлен для регулировки ковшом робота-снегоочистителя. Максимальный угол разворота каждого из четырех колес автономной мобильной робототехнической платформы составляет 130 градусов. Изобретение обеспечивает улучшение маневренности робота-снегоуборщика и его автономную работу круглосуточно при любых метеоусловиях. Система беспроводного управления снегоочистителем в этом изобретении устанавливается на транспортном средстве и содержит пульт дистанционного управления, модуль управления ковшом, установленный на снегоочистителе и содержащий соответствующий приемопередатчик.
Недостатком данного устройства является ограниченность функционала в числе решаемых задач, так как устройство рассчитано только на уборку территории от снега/листвы.
Известно изобретение, патент РФ №2701592 “Роботизированная транспортная платформа”, содержащее бортовой источник питания в виде аккумулятора или двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с генератором, тяговые электродвигатели привода гусениц или колес, бортовые датчики, контроллеры генератора, цифровой вычислитель, обеспечивающий отслеживание окружающей обстановки, определение текущего местоположения платформы путем обработки выходных сигналов бортовых датчиков, а также формирование сигналов управления контроллерами. Платформа может быть оснащена водометными движителями. Ее тяговые электродвигатели выполнены индукторным реактивным или с поперечным магнитным потоком и обеспечивают реализацию максимально возможного по сцеплению тягового усилия гусениц или ведущих колес в расширенном диапазоне скоростей.
Данное устройство имеет значительные габариты, не имеет возможности анализа препятствий и построения карты местности. Также оно не имеет дистанционного управления, из-за чего значительно проигрывает в своей функциональности.
Известны модульные роботы (патенты US20040168837A1, US5100286), позволяющие собирать роботизированные механизмы на индивидуальной основе, что позволяет использовать их при решении комплексных задач.
Известно изобретение CN111972127A для сбора овощей и фруктов. В патенте представлена интеллектуальная движущаяся платформа. Устройство позволяет осуществлять сбор урожая фруктов и овощей в автоматическом режиме, для этого в корпусе платформы установлены трубопроводы нагнетания воздуха, транспортирующие трубопроводы и воздушные компрессоры.
В изобретении CN109676624A представлена интеллектуальная робототехническая платформа, которая использует систему технического зрения, основанную на глубоком обучении для анализа информации о полевых культурах и сорняках.
В патенте WO2021019383A1 представлена модульная платформа, которая служит для установки погрузочно-разгрузочных устройств, включает монолитную ходовую часть; верхняя пластина включает в себя множество стоек для установки погрузочно-разгрузочных устройств, встроенных в верхнюю часть платформы. Нагрузка передается от погрузочно-разгрузочных устройств через стойки и верхнюю пластину на монолитную ходовую часть. Данное устройство имеет достаточно сложную конструкцию, при этом не имеет возможности анализа препятствий и построения карты местности, отсутствует обработка визуальной информации посредством сверточных нейронных сетей в режиме реального времени.
Наиболее близким является изобретение №2704048 “Мобильная автономная робототехническая платформа с блочной изменяемой структурой”. Данное устройство состоит из базовых и навесных блоков. Базовый блок выполнен в виде нижнего уровня, верхнего уровня и расположенного между ними подуровня для лазерного дальномера. Нижний уровень включает в себя основной несущий каркас, модуль шасси, источник питания, приемную часть беспроводного зарядного устройства и опорный модуль лазерного дальномера. При этом к нижней части нижнего уровня крепится модуль шасси, включающий в себя три колеса, три колесных вала со смонтированными на них упомянутыми колесами, три колесные вилки, два электродвигателя, датчик угла поворота первого колеса, датчик угла поворота второго колеса, датчик скорости вращения первого колеса, датчик скорости вращения второго колеса. Верхний уровень закреплен на нижнем уровне базового блока с помощью опорных стоек и включает в себя вычислительную сеть и гироскоп.
Недостаток данного устройства заключается в малой маневренности, невозможности работы в автономном режиме. Конструкция устройства несовершенна, расположение колес может стать причиной проблем с проходимостью. Данное устройство не обладает функцией передвижения в автономном режиме с возможностью применения технологии машинного обучения.
Задачей данного изобретения является разработка базовой платформы автономного интеллектуального робототехнического комплекса (АИРТК). Базовая платформа АИРТК должна обладать универсальностью по назначению и управлению, небольшими габаритами с возможностью установки на базовую платформу АИРТК сменных модулей, выполняющих различный вид задач в управляемом и автоматическом режиме. Основными задачами базовой платформы АИРТК являются автономная работа внутри и снаружи помещения, построение карты окружающего пространства, выбор оптимального маршрута, функционирование в условиях, незащищенных от атмосферных воздействий, работа в дневное и ночное время. Работа базовой платформы АИРТК в управляемом режиме должна осуществляться по сети Wi-Fi. Автономная работа базовой платформы АИРТК должна быть реализована на основе технологии системы машинного обучения и искусственного интеллекта, включать алгоритмы распознавания видеопотока.
Поставленная задача решается тем, что базовая платформа автономного интеллектуального робототехнического комплекса (АИРТК) содержит корпус, аккумуляторные батареи, контроллер аккумуляторных батарей, четыре мотор-колеса, модули управления мотор-колесами, вычислительный графический модуль для работы с изображениями, видеокамеры, камеру глубины, главный блок управления с компьютером и автопилотом, лазерный дальномер, датчики расстояний, датчики состояния окружающей среды, бампер, внутри которого установлены концевые выключатели, Базовая платформа АИРТК отличается от прототипа и аналогов тем, что на передней части ее корпуса расположены камера глубины, на передней и задней части базовой платформы АИРТК располагаются верхние ультразвуковые датчики расстояний, которые могут располагаться под углом и нижние ультразвуковые датчики расстояний с фиксированным положением, на передней и задней части базовой платформы АИРТК закреплены блоки с ультразвуковыми и инфракрасными датчиками для дальней дистанции, на передней и задней части закреплены блоки с ультразвуковыми и инфракрасными датчиками для ближних дистанций, на правой и левой стороне базовой платформы АИРТК располагаются дополнительные блоки с ультразвуковыми и инфракрасными датчиками для средних дистанций, для регистрации препятствий с правой и левой стороны базовой платформы АИРТК. Ультразвуковые и инфракрасные датчики расстояний на базовой платформе АИРТК подобраны таким образом, чтобы области их измерений перекрывали друг друга. Датчики окружающей среды для определения температуры, влажности и давления располагаются в корпусе базовой платформы АИРТК. Внутри корпуса базовой платформы АИРТК располагается главный блок управления, который содержит промышленный компьютер, GPS-приемник, автопилот управления, лидар. К главному блоку управления подключены микроконтроллеры, осуществляющие сбор данных с датчиков расстояний, датчиков окружающей среды и концевых датчиков, расположенных на бамперах базовой платформы АИРТК, способных регистрировать столкновение робототехнической платформы с препятствиями. Управление ходовыми двигателями (мотор-колесами) осуществляется с помощью модулей управления колесами независимо. Колесная формула базовой платформы АИРТК 4х4. В изобретении выбран тип однобортного управления мотор-колесами базовой платформы АИРТК, такое управление называется «танковый ход», так как зачастую применяется при конструировании танков. В ходовой части этого типа, мотор-колеса на правой стороне и мотор-колеса на левой стороне приводятся в действие отдельно. Эти колеса фиксируются в положении «вперед/назад», и их рулевое управление не осуществляется. Управление поворота базовой платформой АИРТК обеспечивается за счет изменения скорости вращения каждой из сторон привода. Ходовая часть этого типа может выполнять поворот нулевого радиуса, когда робот поворачивается на месте, не продвигаясь при этом вперед. При выполнении поворота нулевого радиуса, точка поворота находится в центре робота.
Корпус базовой платформы АИРТК выполнен в виде параллелепипеда, с плоскими поверхностями, что позволяет устанавливать на него сменные модули, которые способны выполнять выбранный тип задач в автоматическом режиме, причем сменяемые модули могут быть расположены на верхней части корпуса базовой платформы АИРТК. Базовая платформа АИРТК обладает функцией управления передвижения дистанционно с помощью пульта управления с возможностью видео регистрации пути следования робота. Базовая платформа АИРТК обладает функцией автоматического передвижения на местности или площадке, специально не адаптированной для передвижения роботов. Базовая платформа АИРТК обладает функцией автоматической корректировки пути перемещения в зависимости от наличия препятствий или объектов, которые находятся в непосредственной близости от нее. Базовая платформа АИРТК обладает функцией передвижения в автономном режиме с возможностью самообучения, построения карты местности, определения расстояния до препятствий, выбора оптимальной траектории до места назначения, содержит базу данных изображений препятствий.
На фиг. 1 представлен общий вид и внешние элементы базовой платформы автономного интеллектуального робототехнического комплекса (АИРТК): а) вид сбоку, б) вид спереди, в) вид сверху. Конструкция обладает симметрией, которая отмечена осевой линией на рисунке фиг. 1 (а, б). На рисунке приведены основные элементы конструкции, которая включает: (1) - корпус базовой платформы АИРТК, (2) - алюминиевый профиль, (3) – мотор-колеса базовой платформы АИРТК, (4) – бампер базовой платформы АИРТК, (5) - лотки для груза, (6) - видеокамера, (7) - камера глубины, (8) – передний центральный верхний ультразвуковой датчик (УЗ-ПЦ), который может располагаться под углом, (9) – передний центральный нижний ультразвуковой датчик (УЗ-ПЦ), (10) – передние правые/центральные/левые концевые датчики (КД-ПП/ПЦ/ПЛ), установленные непосредственно в бампер АИРТК, которые необходимы для контроля за столкновениями с препятствиями, (11) – блок с ультразвуковым и инфракрасным датчиками для дальней дистанции (ИК-ПД, УЗ-ПВ) с правой и левой стороны корпуса, (12) – блок с ультразвуковым и инфракрасным датчиками для ближних дистанций (ИК-ПБ, УЗ-ПН) с правой и левой стороны корпуса, (13) – блок с боковым ультразвуковым и инфракрасным датчиками для средних дистанций (ИК-ПС, УЗ-ПБ), для регистрации расстояний до препятствий, расположенных с правого и левого борта базовой платформы АИРТК, (14) – лазерный дальномер, который позволяет построить карту окружающего пространства АИРТК.
Внутри корпуса базовой платформы АИРТК располагаются:
- аккумуляторные батареи. В качестве аккумуляторных батарей могут быть использованы батареи LiitoKala;
- BMS-контроллер, необходимый для осуществления зарядки и балансировки многобаночного аккумулятора, также реализующий функции мониторинга текущего состояния аккумулятора и защиты от превышения предельно допустимого тока, в том числе, защиту от короткого замыкания;
- бортовой вычислительный комплекс на основе промышленного компьютера, который обеспечивает решение задач взаимодействия с оператором и высокоуровневого управления (планирование траектории, обход препятствий);
- графический вычислительный модуль, который обеспечивает решение задач обработки изображений в реальном времени, необходимый для проектов с искусственным интеллектом;
- система автопилотирования с открытым исходным кодом, которая обеспечивает решение задач непосредственного управления платформой и определение ее пространственного положения. Для определения положения базовой платформы АИРТК на местности к автопилоту осуществляется подключение GPS приемника;
- микропроцессорные модули управления мотор-колесами, обеспечивающие непосредственное управление ключами коммутации обмоток мотор-колес, снятие показаний токов обмоток, обсчет в реальном времени модели электропривода и реализующие таким образом векторное управление мотор-колесами;
- дополнительные микроконтроллеры, решающие задачи работы с первичными преобразователями и управления исполнительными устройствами.
Ключевая роль в разработке базовой платформы АИРТК отведена применению технологии машинного зрения. Данная технология позволяет реализовать возможность автономного движения робота, в помещениях и на открытых пространствах, специально не адаптированных для движения роботов. Для этой цели используются видеокамера (6) и камера глубины (7).
На фиг.2 представлена общая схема расположения основных элементов базовой платформы АИРТК. Система управления базовой платформы АИРТК состоит из аккумуляторных батарей, контроллера BMS, модуля работы с изображениями (содержит вычислительный модуль и видеокамеру), главного блока управления (содержит GPS-приемник, автопилот, промышленный компьютер в качестве бортового вычислительного комплекса, лидар, камеру глубины), микроконтроллеров, связанных с датчиками расстояния и окружающей среды, а также модулей управления мотор-колесами.
Питание с аккумуляторных батарей подается на BMS-контроллер аккумуляторных батарей, после чего питание подается на модуль работы с изображениями, главный блок управления роботом, на модули управления мотор колесами (МУ-ПП, МУ-ПЛ, МУ-ЗП, МУ-ЗЛ).
Модуль работы с изображениями взаимодействует с главным блоком управления и включает в себя высокопроизводительный графический вычислительный модуль, используемый для обработки визуальной информации посредством сверточных нейронных сетей в режиме реального времени. На графический вычислительный модуль поступают данные с видеокамер. В качестве графического вычислительного модуля может быть использован Jetson AGX Xavier.
Главный блок управления включает в себя промышленный компьютер, к которому осуществляется подключение автопилота, данные с лидара и данные с камеры глубины. Для определения положения АИРТК на местности к автопилоту осуществляется подключение GPS-приемника. В качестве автопилота может быть использован CUAV X7. Главный блок управления взаимодействует с микроконтроллерами, на которые поступает информация, полученная от различных типов датчиков. Мощность промышленного компьютера должна быть достаточной, чтобы осуществлять управление робототехнической платформой, обрабатывать информацию с датчиков и микроконтроллеров.
Микроконтроллеры обеспечивают контроль обработки сигналов, поступающих с датчиков, расположенных на базовой платформе АИРТК. Каждый микроконтроллер отвечает за работу со своей группой датчиков.
Первый микроконтроллер осуществляет обработку данных с 8-ми передних центральных/верхних/нижних/боковых ультразвуковых датчиков (УЗ-ПЦ, УЗ-ПВ, УЗ-ПН, УЗ-ПБ), 6-ти передних правых и левых инфракрасных датчиков для определения дистанции на дальних/средних/ближних дистанциях (ИК-ПД, ИК-ПС, ИК-ПБ) и 6-ти передних правых/центральных/левых концевых датчиков (КД-ПП, КД-ПЦ, КД-ПЛ).
Второй микроконтроллер осуществляет обработку данных с 8-ми задних центральных/верхних/нижних/боковых ультразвуковых датчиков (УЗ-ЗЦ, УЗ-ЗВ, УЗ-ЗН, УЗ-ЗБ), 6-ти задних правых и левых инфракрасных датчиков для определения дистанции на дальних/средних/ближних дистанциях (ИК-ЗД, ИК-ЗС, ИК-ЗБ) и 6-ти задних правых/центральных/левых концевых датчиков (КД-ЗП, КД-ЗЦ, КД-ЗЛ).
Третий микроконтроллер осуществляет обработку данных с датчиков окружающей среды, например, температуры, влажности, давления и осуществляет контроль за работой габаритных огней базовой платформы АИРТК.
Контроль работы правых/левых передних двигателей базовой платформы АИРТК (мотор-колеса ДХ-ПП, ДХ-ПЛ) и правых/левых задних двигателей (мотор-колеса ДХ-ЗП, ДХ-ЗЛ) осуществляется с помощью модулей управления двигателями передних правых/левых и задних правых/левых соответственно (МУ-ПП, МУ-ПЛ, МУ-ЗП, МУ-ЗЛ) для каждого мотор-колеса отдельно.
Разработан опытный образец базовой платформы АИРТК. На фиг. 3 представлен силовой каркас базовой платформы автономного интеллектуального робототехнического комплекса (АИРТК). На фиг. 4 представлен габаритный чертеж базовой платформы автономного интеллектуального робототехнического комплекса (АИРТК). Из чертежа видно, что общая высота базовой платформы АИРТК составляет 0.73 м, габаритная длина 0.79 м, габаритная ширина 0.55 м. Небольшие размеры АИРТК позволят эффективно управлять конструкцией на местности и проходить препятствия с малым радиусом поворота.
Опытный образец базовой платформы АИРТК, содержит бортовой вычислительный комплекс на основе компьютера на базе Intel Core i5 с 16 GB ОЗУ и жестким диском 512 GB SSD, вычислительный модуль Jetson AGX Xavier, GPS приемник и автопилот CUAV X7, аккумуляторные батареи LiitoKala (3.2V, 100Ah 16 штук). Мощность промышленного компьютера должна быть достаточной, чтобы осуществлять управление робототехнической платформой, обрабатывать информацию с датчиков и микроконтроллеров.
В результате опытный образец базовой платформы АИРТК доставлял небольшие грузы на заданное расстояние (более 200 м). Скорость передвижения опытного образца базовой платформы АИРТК составляла не менее 5 км/ч. Опытный образец осуществлял выполнение поставленной задачи в управляемом/автономном режиме на территории площадью более 30 кв.м. Максимальная дистанция передачи сигналов от оператора к опытному образцу и обратно составляла не менее 500 м. Радиус сканирования местности на наличие препятствий или других объектов составлял более 3м. Грузоподъемность базовой платформы АИРТК составляла более 20 кг; время автономной работы опытного образца составляло около 3-x часов и зависело от условий эксплуатации. Масса базовой платформы АИРТК не превышает 200 кг. Габариты базовой платформы АИРТК составляют не более 1x1x1 м.
На фиг. 5 представлен общий вид базовой платформы автономного интеллектуального робототехнического комплекса (АИРТК). Приведено оптимальное расположение основных узлов и агрегатов.