Разработка мобильного робота для технологических процессов в строительстве

УДК 681.511.4

РАЗРАБОТКА МОБИЛЬНОГО РОБОТА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

© 2011 г. А.Г. Булгаков, Т. Бертрам, В.В. Горчаков, А.В. Касаткин

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Представлена система управления автономного мобильного робота. Предложен способ управления роботом с помощью мультиагентов. Приведен анализ и алгоритм процедуры позиционирования робота. Разработана кинематическая модель управления транспортной системой робота. Приведено описание разработки виртуальной сцены для визуализации результатов моделирования процесса перемещения мобильного робота.

Ключевые слова: мобильный робот; мультиагенты; системы управления.

In work the control system of the independent mobile robot is submitted. The way of operating by the robot with the help of multiagents is offered. The analysis and algorithm of procedure of positioning of the robot is resulted. The kinematic model of operating by transport system of the robot is developed. The description of development of a virtual scene for visualization of results of modelling of moving process of the mobile robot is resulted.

Keywords: mobile robot; multiagents; control systems.

Введение

Планирование перемещения мобильного робота является важнейшей проблемой функционирования автономных робототехнических систем и одной из наиболее активно исследуемых областей современного научно-практического знания. Решение задачи планирования перемещения робота охватывает вопросы, связанные с такими научными областями, как искусственный интеллект, вычислительная геометрия, компьютерное моделирование и теория автоматического управления.

Целью управления мобильным роботом является обеспечение его перемещения по желаемой траектории движения, когда он следует по планируемому пути в соответствии с управляющими воздействиями. Большинство исследований, посвященных проблеме планирования перемещения робота без столкновения с препятствиями на его пути на основе применения нейронных сетей и нечеткой логики, проводились в условиях известной окружающей среды. Решение рассматриваемой проблемы с помощью нечеткой логики является общепризнанным, так как в этом случае механизм принятия решения всегда позволяет генерировать ответные движения робота, вызванные появлением препятствия на его пути. В свою очередь, предполагается целесообразным и эффективным использование в рамках данной проблемы сети мультиа-гентов, которая вырабатывает требуемый сигнал без какого-либо обучения, но обеспечивает при этом высокую точность позиционирования рабочих органов робота и точность следования заданной траектории.

Решение данной задачи отражено лишь в небольшом количестве научных работ, что свидетельствует об актуальности этой научно-технической проблемы. Предлагаемая система управления позволит расширить функциональные возможности технологической платформы мобильного робота и сферы его применения на практике.

Элементы конструкции информационно-измерительной системы

Конструкция измерительной системы мобильного робота предусматривает вращающуюся лазерную головку. Лазерный луч попадает на мультиагенты и по каналу связи в систему управления приходит «отклик» мультиагента с информацией о самом датчике (номер агента) и времени отклика. При этом системой фиксируется положение угла вращающейся головки ф. Это значение в дальнейшем используется системой для большинства расчетов.

Излученный из головки луч лазера, отличающийся от обычного света высокой параллельностью пучка, падает на поверхность агента.

Угол падения луча лазера изменяется в зависимости от расстояния до объекта, и таким образом изменяется положение точки лазера на приемнике, который представляет собой фотодиодную линию. Данные с фотодиодной линии считываются интегрированным микроконтроллером. Контроллер ведет точный расчет угла распределения света на фотодиодной линии, и по этим данным определяет расстояние до объекта. Ве-

личина измеренного расстояния до объекта передается по каналу связи, либо конвертируется в соответствующее значение выходного тока. Применение микроконтроллера гарантирует высокую степень линейности и точности выполнения измерений. Комбинированное применение фотодиодной линии и микроконтроллера позволяет подавить интерферирующие отражения луча, и таким образом обеспечивает получение точных данных, даже при критических размерах поверхности измерения.

Датчик автоматически настраивается на различные цвета, что осуществляется опять же микроконтроллером. Одно и то же расстояние Дd соответствует большому изменению угла падения луча лазера, если объект размещен рядом с датчиком, и существенно меньшему изменению угла падения луча при увеличенном расстоянии до объекта. Подобная нелинейность изменения угла падения луча корректируется при помощи микроконтроллера, позволяющего сохранить линейную зависимость выходного сигнала от измеряемого расстояния.

Классификация, состав и функциональные возможности мобильных роботов подробно описаны в технической литературе [1 - 3]. Учитывая изложенные в этих работах материалы, любой наземный мобильный робот может быть представлен в виде совокупности трех больших систем: транспортной, рабочей и системы управления.

Система управления роботом

Функция планирования формирует высший уровень системы управления, процедуры которого должны различаться при навигации в детерминированной и недетерминированной средах. Последовательное управление координирует и контролирует правильное выполнение требований функции планирования и обеспечивает реакцию на состояния ошибок. Таким образом, оно формирует центральную функцию системы управления. Управление движением передает элементарные функции движений, с учетом кинематических и динамических возможностей шасси платформы робота.

Система позиционирования и планирования траектории робота

Для разработки системы управления мобильным роботом с помощью сети мультиагентов были приняты следующие исходные данные: рабочее пространство - бесконечное; положение мультиагентов - произвольное; план контрольных точек.

Основные задачи системы:

1. Формирование рабочего пространства.

2. Определение взаимного расположения муль-тиагентов, мобильного робота, контрольных точек на технологическом участке рабочего пространства.

3. Определение положения (координат рабочей точки) мобильного робота в рабочем пространстве в реальном времени.

4. Планирование траектории мобильного робота с учетом плана контрольных точек.

Алгоритм функционирования системы: 1. Формирование рабочего пространства показано на рис. 1.

Рис. 1. Организация технологического участка Здесь xMR е X; yMR е 7.

Согласно заданию, на бесконечном пространстве формируется технологический участок с требуемой системой координат. Данная система координат будет являться основой для организации системы управления роботом. На практике это может быть поле под строительную площадку, к которой предъявляются требования по ориентированности на местности относительно сторон света, розы ветров и пр. С помощью средств GPS создается «черновая» система координат. В ней, из-за погрешностей системы GPS, определяются приблизительные габариты и ориентация технологического участка.

Следующим шагом идет организация «чистовой» системы координат - с помощью технических устройств в составе мобильного робота осуществляется привязка его рабочей точки (начала системы координат робота) к началу системы координат технологического участка, производится позиционирование робота относительно осей технологического участка.

После этого в произвольном порядке размещаются мультиагенты. Организация системы управления роботом на основе произвольного размещения муль-тиагентов позволит применять его в опасных для жизни людей условиях (например, химически вредные и др.). «Жесткая» привязка мультиагентов к системе координат является частным случаем (в условиях определенного пространства). План контрольных точек привязывается к «чистовой» системе координат и является фиксированным.

2. Определение взаимного расположения объектов По завершению позиционирования робота в системе координат технологического участка осуществляется привязка мультиагентов к системе координат робота. С помощью вращающейся лазерной головки робот «опрашивает» расположенные мультиагенты. При этом система фиксирует положение угла поворота головки ф и время отклика агента t, определяет расстояние до цели a (рис. 2).

Т>2

\МАп\

ХСР1 ХМА2 ХМАп ХСР2 X

Xmr

Позиция робота с ориентированием по агенту МА1 вычисляется через проекции векторов лазерных лучей (зеленый цвет) на оси системы координат (a'1x; a' 1y) и определяется системой уравнений:

Ф 'l =Ф mes (1 "ô) ^Ф 1

a\x = a \ cos(ф '1 -180 + a) ^ a \x ;

a \y = a \ cos

^ a

1 y •

Рис. 2. Привязка мультиагентов

Положение каждого мультиагента в системе координат мобильного робота, а следовательно, и технологического участка будет определяться системой уравнений:

Фi =Фmes (1 -ô) ;

alx = al cos(360 - Ф/ ) ^ xMAl ;

a/y = ai COs(Фl - 270) ^ УМА1.

Система вычисляет положение каждого мультиа-гента относительно системы координат технологического участка через привязку системы координат мобильного робота. Вычисленные значения координат делают мультиагенты фиксированными для системы управления.

Теперь, когда агенты зафиксированы, система управления будет с высокой точностью позиционировать мобильный робот в системе координат технологического участка в реальном времени.

3. Определение положения мобильного робота в рабочем пространстве

Задача системы управления данным мобильным роботом - это приведение его в требуемую контрольную точку для выполнения заданных технологических операций.

Определение положения и позиционирование робота с помощью сети мультиагентов показано на рис. 3.

Тогда координаты рабочей точки робота будут

XMR = ХМА1 + а \х ; УMR = УМЛ1 + а \у •

Также с помощью мультиагентов система осуществляет контроль за позиционированием робота в контрольной точке с помощью предварительного расчета координат этой точки и контроля процесса перемещения робота к ней (рис. 4).

Рис. 3. Позиционирование робота

Х0Р1 ХМА2 ХМАп ХСР2 X

Рис. 4. Контроль положения робота при позиционировании в рабочей точке

Система отслеживает рассчитанные и измеренные значения и оценивает ошибку позиционирования. Контроль по предварительному расчету позволит в реальном времени внести коррекцию в систему. Как видно, организация системы позиционирования по предлагаемому методу сводится к простому решению задач векторной алгебры или аналитической геометрии при вычислении координат рабочей точки робота.

Контроль и управление положением робота в пространстве и процедура его позиционирования осуществляется с помощью мультиагентов.

Планирование траектории перемещения робота сводится к предварительному указанию и определению координат следующей контрольной точки, задаваемой оператором или программой.

Система распознавания

Распознавание окружающей среды является важнейшей функцией с точки зрения безопасности. При этом собираются сообщения от датчиков внешней и внутренней информации. Собранные данные позволяют преодолевать препятствия в различных точках рабочего пространства, а также способствуют позиционированию робота при выполнении технологических операций.

Предусмотрены следующие режимы работы робота в неопределенной среде: если препятствие движущееся - робот останавливается по команде от датчиков; если препятствие неподвижное - запускается алгоритм его обхода с использованием нечетких блоков и локализацией решения задачи планирования перемещения робота в каждой возникающей конкретной ситуации.

Транспортная система

Для перемещения робота в рабочем пространстве служит транспортная система.

Разработана кинематическая модель движения мобильного робота. Поступающие от контроллера сигналы преобразуются в сигналы на приводы робота. При разработке и исследовании предлагается опираться на синтез математического и имитационного моделирования. Данный подход объединяет в едином информационном пространстве связанные расчетные программы и имитационные модели, описывающие движение МР в реальных условиях работы [4 - 6].

Для моделирования работы МР его конструкция представлена взаимосвязанными блоками, а их взаимодействие определяется разработанной математической моделью управления объектом. Согласно кинематической модели, для регулирования положения в пространстве входными параметрами являются скорости приводных колес МР, а выходными - координаты контрольной точки. Разрабатываемая динамическая модель описывает взаимодействие МР с окружающей средой с помощью датчиков и мультиагентов.

В результате моделирования получены переходные характеристики, в соответствии с которыми определяется максимальное отклонение контрольной точки от заданной траектории и позиции робота.

При построении кинематической модели мобильного робота рассматривается гусеничное шасси, имея в виду, что для колесного шасси все расчеты останутся справедливы (рис. 5).

У

У

VI L & 7у

ШГУ //

X

'X

Рис. 5. Геометрическая модель мобильного робота

Vi + V,

Линейная скорость ТС V = -

2

Вращательная скорость ТС ю =

V - Vr W

Положение ТС в пространстве определяется системой уравнений:

da Vl - Vr dx Tr . Vl + Vr .

— = ю= —--; — = V sin a = —-- sin a;

dt W dt 2

dy v V + Vr

— = V cos a = —--

dt

2

cos a.

Описываем формулы с помощью инструментов Ым№аЬ. Тогда кинематическая модель мобильного робота будет иметь вид, представленный на рис. 6. В данной модели входными параметрами являются скорости левого и правого ведущих колес, а выходными -координаты х и у, угол поворота а.

Рис. 6. Кинематическая модель мобильного робота

Разработка виртуальной сцены

Разработка виртуальной сцены для визуализации и моделирования процесса перемещения мобильного робота описана в работах [7 - 10]. Виртуальная сцена разрабатывалась с помощью инструментов: CAD (SolidWorks) - SimMechanics - MathLab. В SolidWorks создается прототип робота. С помощью модуля Sim-Mechanics вся информация об объекте экспортируется в среду MathLab. Управление роботом осуществляется с помощью кинематической модели (рис. 6), а процесс визуализации отражен на рис. 7.

Ие Edit Vov bmubton Far rust Togls Help

D áfli 1M2 C:|   рол ¡Nonrai ~3 fSsED^i-- fc © is <£>

Рис. 7. Модель процесса визуализации

Виртуальная сцена дает возможность визуального контроля функционирования проектируемой системы.

Выводы

Для исследуемого объекта были проведены следующие работы:

1. Приведено общее описание функционирования мобильного робота.

2. Приведены предложения по практической реализации системы управления мобильным роботом и ее подсистем.

3. По результатам анализа предложенной системы управления на основании сети мультиагентов становится очевидным, что система не нуждается в большом количестве агентов: их количество обеспечит повышение точности, но приведет к нецелесообразному увеличению математических операций. Тогда о системе невозможно будет говорить как о компактной структуре.

4. В результате моделирования получены переходные характеристики, в соответствии с которыми определяется максимальное отклонение контрольной точки от заданной траектории и позиции робота

Литература

1. Koch M. Chances, obstacles and a possible trend of automation in construction from the point of view of the German construction industry // Proceeding of the 17th ISARC 2000, Taipeh, Taiwan September 18-20, 2000.

Здесь кинематическая модель управления роботом организована в подсистему. Выходные параметры подсистемы передаются в модуль визуализации VR Sink через конверторы.

Полученные видеофайлы показывают: - прямолинейное перемещение при V = Vr:

Ш \

Ш_i

End Pos.

Start Pos.

- вращение вокруг вертикальной оси при Vl = -Vr:

Y

Start Pos

End Pos.

2. Koch M. A mobile robot system for assembly operations at interior finishing // Proceeding of the 15th ISARC 98. Munich, March 31 April 1. 1998. P. 93 - 102.

3. Ciabanu L., Thirer N. Modeling vehicles and mobile robots // IEEE Xplore. 2009.

4. Demick Boyden F., Velinsky Steven A. Dynamics modeling of wheeled mobile robots for high load applications // Advanced Highway Maintenance & Construction Technology Research Center, University of California, CA. 2008.

5. Looking inside VRwave: The Arcitecture and Interface of the VRwave VRML97 Browser / K. Andrews [et al.] // Proseedings of VRML'98 Simposeum. - Monterey. California, 1998.

6. Die Entwiklung von SGML zu XML / www.dpunkt.de.

7. Demick Boyden F., Velinsky Steven A. Dynamics modeling of wheeled mobile robots for high load applications // Advanced Highway Maintenance & Construction Technology Research Center, University of California, CA. 2008.

8. Domínguez D. VRML and Simulink Interface for the Development of 3-D Simulator for Mobile Robots // Proceedings of world academy of science, engineering and technology. 2007. November Vol. 25.

9. Internet: Matlab. Using Matlab, The MathWorks, Inc.

10. Ziemniak P., Stania M., Stetter R. Mechatronics engineering on the example of an innovative production vehicle // International conference on engineering design, ICED'09, 24 - 27 August 2009. Stanford University, Stanford, CA, USA. 2009.

Поступила в редакцию 19 сентября 2011 г.

Булгаков Алексей Григорьевич - д-р техн. наук, профессор, Технический университет, г. Дрезден, ФРГ. Тел. 8-961-271-25-23. E-mail: a.bulgakow@gmx.de

Бертрам Торстен - д-р техн. наук, профессор, Технический университет, г. Дортмунд. Тел. (+49)231-755-27-60. Fax: (+49)231-755-27-52.

Горчаков Вячеслав Владимирович - канд. техн. наук, ООО «Научно-производственное предприятие «Интор», г. Новочеркасск. Тел. 8-988-547-68-67. E-mail: gor-intor@yandex.ru

Касаткин Артем Вадимович - соискатель, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-951-508-03-56. E-mail: artkasat@mail.ru

Bulgakov Aleksey Grigorievich - Doctor of Technical Sciences, professor, University of Technology, Drezden, Ph. 8-961-271-25-23. E-mail: a.bulgakow@gmx.de

Bertram Torsten - Doctor of Technical Sciences, professor, University of Technology, Dortmund. Ph. (+49)231-755-27-60. Fax: (+49)231-755-27-52.

Gorchakov Vjacheslav Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences. Ph. 8-988-547-68-67. E-mail: gor-intor@yandex.ru

Kasatkin Artem Vadimovich - competitor of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-951-508-03-56. E-mail: artkasat@mail.ru