АВТОНОМНАЯ НАВИГАЦИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА НА ОСНОВЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 004.896 АВТОНОМНАЯ НАВИГАЦИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА НА ОСНОВЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ М.О. Костишин, И.О. Жаринов, В.Д. Суслов
Рассматривается задача автономного управления мобильным роботом на основе единичного ультразвукового датчика измерения расстояний. Ключевые слова: навигация, управление движением.
Решение задачи управления в системе автономной навигации мобильной робототехнической системы имеет важное практическое значение. Робототехнические системы применяются при чрезвычайных ситуациях для анализа экологической обстановки в зонах химико-биологического или радиационного загрязнения, при разборе завалов после землетрясений, для формирования рельефа местности после селевых сходов и оползней в зонах бедствия и т.д. Для автономного движения робототехническая система должна обладать системой навигации, на основании результатов измерений которой предотвращаются столкновения робота с препятствиями. Сегодня существуют различные автономные системы навигации, применяемые в робототехнических системах, решающих задачи специального назначения и бытовые хозяйственные задачи (например, роботы-пылесосы) [Л]. Реализуемые в системе навигации бытовых робототехнических систем принципы движения основаны на хаотичном перемещении устройства по обслуживаемой территории. Большинство таких устройств не оснащено измерительными датчиками и интеллектуальной системой обработки, парирующими столкновение робота с препятствиями.
Для организации автономного движения мобильного робота авторами предлагается принцип, основанный на анализе результатов измерений ультразвуковым датчиком расстояний от робота (датчика) до впереди стоящего препятствия как в статическом положении, так и в процессе движения робота. Наличие препятствия в направлении движения робота определяется по времени прихода отраженного радиоимпульса, излученного и принятого датчиком в ультразвуковом диапазоне частот. Расчет дальности осуществляется по формуле x = ct/2, где t – время прихода отраженного радиоимпульса с момента излучения; с – скорость распространения ультразвуковой волны в воздушном пространстве, c = 340 м/с.
В процессе движения робота датчик и измерительная система непрерывно осуществляют измерение расстояния до впереди стоящего препятствия. При достижении минимально допустимого порогового значения (300 мм) от робота до препятствия робот останавливается и производит замер расстояния слева и справа. Если расстояние слева оказывается больше, чем справа, робот движется в направлении наибольшего запаса движения (налево). При отсутствии беспрепятственных направлений движения осуществляется остановка робота и движение робота в обратную сторону. Измерение расстояния слева и справа от робота сопровождается вращением по кругу единичного датчика.
Результатом работы является алгоритм автономного управления мобильным роботом с использованием единичного ультразвукового датчика. Алгоритм реализован на экспериментальном макете робототехнической системы СМАРТБОТ, приведенном на рисунке. Программное обеспечение работы информационно-измерительной системы робота написано на языке С. Управление роботом осуществляется микроконтроллером Atmega-2560. Управление двигателями колесной базы реализовано на основе четырех двигателей постоянного тока. Круговое движение ультразвукового датчика осуществляется сервоприводом FS5106B. В качестве датчика измерения расстояния использовался ультразвуковой датчик ParallaxPing.
Рисунок. Мобильный робот СМАРТБОТ
Данный подход к реализации автономной системы навигации робототехнической системы является перспективным в области автомобилестроения. Применение серии датчиков, установленных по периметру робота, позволяет панорамно оценивать окружающее пространство вокруг робота с целью предотвращения столкновения робота с препятствием или с другими роботами при организации упорядоченного движения в транспортном потоке. Представленный принцип автономной навигации мобильного робота может быть использован при разработке системы автопилота для автомобильного транспорта.
162
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 2 (84)
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
Л. Принцип действия iRobot Roomba (фрагмент). Порядок автоматической уборки [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://irobot-home.ru/about-irobot/principle-of-operation-irobot-roomba/, свободный. Яз. рус. (дата обращения 15.01.2013).
Костишин Максим Олегович – Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, job.max@me.com Жаринов Игорь Олегович – ФГУП «СПб ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова», доктор технических наук, доцент, руководитель учебно-научного центра, igor_rabota@pisem.net Суслов Владимир Дмитриевич – ФГУП «СПб ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова», руководитель экспертного совета, postmaster@elavt.spb.ru
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 2 (84)
163
УДК 004.896 АВТОНОМНАЯ НАВИГАЦИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА НА ОСНОВЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ М.О. Костишин, И.О. Жаринов, В.Д. Суслов
Рассматривается задача автономного управления мобильным роботом на основе единичного ультразвукового датчика измерения расстояний. Ключевые слова: навигация, управление движением.
Решение задачи управления в системе автономной навигации мобильной робототехнической системы имеет важное практическое значение. Робототехнические системы применяются при чрезвычайных ситуациях для анализа экологической обстановки в зонах химико-биологического или радиационного загрязнения, при разборе завалов после землетрясений, для формирования рельефа местности после селевых сходов и оползней в зонах бедствия и т.д. Для автономного движения робототехническая система должна обладать системой навигации, на основании результатов измерений которой предотвращаются столкновения робота с препятствиями. Сегодня существуют различные автономные системы навигации, применяемые в робототехнических системах, решающих задачи специального назначения и бытовые хозяйственные задачи (например, роботы-пылесосы) [Л]. Реализуемые в системе навигации бытовых робототехнических систем принципы движения основаны на хаотичном перемещении устройства по обслуживаемой территории. Большинство таких устройств не оснащено измерительными датчиками и интеллектуальной системой обработки, парирующими столкновение робота с препятствиями.
Для организации автономного движения мобильного робота авторами предлагается принцип, основанный на анализе результатов измерений ультразвуковым датчиком расстояний от робота (датчика) до впереди стоящего препятствия как в статическом положении, так и в процессе движения робота. Наличие препятствия в направлении движения робота определяется по времени прихода отраженного радиоимпульса, излученного и принятого датчиком в ультразвуковом диапазоне частот. Расчет дальности осуществляется по формуле x = ct/2, где t – время прихода отраженного радиоимпульса с момента излучения; с – скорость распространения ультразвуковой волны в воздушном пространстве, c = 340 м/с.
В процессе движения робота датчик и измерительная система непрерывно осуществляют измерение расстояния до впереди стоящего препятствия. При достижении минимально допустимого порогового значения (300 мм) от робота до препятствия робот останавливается и производит замер расстояния слева и справа. Если расстояние слева оказывается больше, чем справа, робот движется в направлении наибольшего запаса движения (налево). При отсутствии беспрепятственных направлений движения осуществляется остановка робота и движение робота в обратную сторону. Измерение расстояния слева и справа от робота сопровождается вращением по кругу единичного датчика.
Результатом работы является алгоритм автономного управления мобильным роботом с использованием единичного ультразвукового датчика. Алгоритм реализован на экспериментальном макете робототехнической системы СМАРТБОТ, приведенном на рисунке. Программное обеспечение работы информационно-измерительной системы робота написано на языке С. Управление роботом осуществляется микроконтроллером Atmega-2560. Управление двигателями колесной базы реализовано на основе четырех двигателей постоянного тока. Круговое движение ультразвукового датчика осуществляется сервоприводом FS5106B. В качестве датчика измерения расстояния использовался ультразвуковой датчик ParallaxPing.
Рисунок. Мобильный робот СМАРТБОТ
Данный подход к реализации автономной системы навигации робототехнической системы является перспективным в области автомобилестроения. Применение серии датчиков, установленных по периметру робота, позволяет панорамно оценивать окружающее пространство вокруг робота с целью предотвращения столкновения робота с препятствием или с другими роботами при организации упорядоченного движения в транспортном потоке. Представленный принцип автономной навигации мобильного робота может быть использован при разработке системы автопилота для автомобильного транспорта.
162
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 2 (84)
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
Л. Принцип действия iRobot Roomba (фрагмент). Порядок автоматической уборки [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://irobot-home.ru/about-irobot/principle-of-operation-irobot-roomba/, свободный. Яз. рус. (дата обращения 15.01.2013).
Костишин Максим Олегович – Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, job.max@me.com Жаринов Игорь Олегович – ФГУП «СПб ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова», доктор технических наук, доцент, руководитель учебно-научного центра, igor_rabota@pisem.net Суслов Владимир Дмитриевич – ФГУП «СПб ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова», руководитель экспертного совета, postmaster@elavt.spb.ru
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2013, № 2 (84)
163