Все виды датчиков в робототехнике

Существует множество вариантов, каким образом мы можем классифицировать датчики в зависимости от того, что они измеряют и как они это делают. Как я уже, упоминал, проприоцептивные датчики используются для измерения собственного состояния робота, которое может включать положение с различным числом степеней свободы, температуру, напряжение на каких-либо элементах, потребляемый двигателем ток и так далее.

Датчики также могут быть дифференцированы в зависимости от того, являются они пассивными или активными. Активным является такой датчик, который излучает энергию в окружающую среду, и измеряет свойства среды на основе отклика. Если датчик энергии не излучает — это пассивный датчик. Активные датчики, как правило, более робастны, чем пассивные датчики, так как они, в некоторой степени, управляют измеряемым сигналом. Например, пассивная система стереокамеры должна полагаться на внешний вид просматриваемой поверхности при выполнении согласования для триангуляции, в то время как системы структурированного света с проецированием рисунка на сцену менее чувствительны к характеристикам сцены. Тем не менее, помехи, поглощение и рассеяние излучаемого сигнала могут повлиять на работу активных датчиков.

Проприоцептивные датчики являются, как правило, пассивными и обычно измеряют физические характеристики состояния робота, такие как положение сустава манипулятора, скорость, или ускорение, вращающий момент двигателя, и так далее. Датчики внешней среды, с другой стороны, могут быть разделены на контактные и бесконтактные. Контактные датчики, как правило, используют те же методы, что и проприоцептивные. Бесконтактные датчики используют методы измерений, применяемые для оценки физических свойств на расстоянии, включая интенсивность, дальность, направление, размер и прочее.

Классификация часто используемых в робототехнике сенсоров, в зависимости от цели измерения (датчик внешней среды или проприоцептивный) и метода измерения (активный или пассивный) приведена в таблице.

Источник

Все виды датчиков в робототехнике

Датчики играют в робототехнике одну из важнейших ролей. При помощи различных датчиков робот «чувствует» себя самого и окружающий мир. Это органы чувств — глаза, уши, кожа для роботов.

Сенсорами часто называют более узкий класс измерителей — бесконтактные датчики, но зачастую термины датчик и сенсор используются просто как синонимы.

Датчик, сенсор (от англ. sensor) — термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.

Оценка движения при помощи датчиков

Давайте проведем эксперимент.

Движение робота по квадратному пути

Возьмем небольшого мобильного робота (например, робот-пылесос) и поставим перед ним задачу: необходимо пройти путь, повторяющий квадрат со стороной 4 метра и вернуться в исходную точку. Насколько хорошо мы сможем оценивать движение робота, используя данные одометрии, которые мы получаем с колесных датчиков?

Картина, которую мы увидим, скорее всего, будет выглядеть примерно следующим образом:

Занос робота от идеальной траектории движения

Робота будет, как будто, «заносить». Причиной такого поведения могут являться:

ошибка начального выравнивания относительно осей в неподвижной системе координат (мы изначально поставили робота «криво»);
пробуксовка колес;
некорректная калибровка;
отличия между реальными характеристиками левого и правого моторов;
другие факторы.

Конечно, если будем использовать моторные энкодеры, которые обладают высокой точностью и синхронизируем оба мотора, то ситуация, наверное, улучшится, но, многократно повторяя свой эксперимент, мы не сможем каждый раз получать идеальную траекторию движения.

После проведения тщательной калибровки, попытавшись, тем самым учесть отличия характеристик реального устройства от теоретических параметров, мы увидим, что робот, в среднем, возвращается в исходную точку, но разброс все еще имеется. Мы не смогли исключить неконтроллируемые нами факторы (переменную пробуксовку колес, неравномерность свойств поверхности, по которой движется робот, даже потоки воздуха влияют!). Проведя калибровку, мы устранили систематическую ошибку, но все еще осталась ошибка с нулевым средним.

Устранена систематическая ошибка

Для таких случайных ошибок мы можем построить вероятностную модель. В качестве модели в реальных физических системах хорошо подходит нормальное распределение (или как его еще называют — распределение Гаусса).

Чем дальше робот двигаться вдоль пути, тем сильнее реальное положение робота будет отклоняться в ту или иную сторону от идеальной траектории — дисперсия ошибки будет увеличиваться. Вследствие этого, провести точное интегрирование движения нашего робота, используя данные одометрии невозможно.

Реальная модель движения робота должна учитывать, что траектория, по которой двигается робот зависит от неопределенных помех, присутствует «шум движения». Для учета этого шума, уравнения, которые я приводил в предыдущей статье, перепишем

для прямолинейного движения на расстояние

и для вращательного движения с поворотом на угол

— шумовые составляющие с нормальным распределением, которые имеют нулевое среднее. Эти компоненты описывают, насколько реальное движение может отличаться от движения по идеальной траектории. Добавив шумовые составляющие в уравнения, мы не поможем роботу двигаться точнее, но они станут важны позже, когда мы объедимим одометрию с другими измерениями, используя вероятностный подход.

Проприоцептивные датчики

Проприоцептивные датчики — это сенсоры, которые показывают внутреннее состояние системы. В качестве примеров, можно привести моторные энкодеры, а также датчики силовых воздействий. Этот тип датчиков предназначен для улучшения восприятия роботом собственного внутреннего состояния, а также производимого движения.

Все датчики собирают некоторые числовые показания, или, как говорят измерения.

Для проприоцептивных датчиков, измеренное значениеявляется функцией только состояния робота

Состояние робота представляет собой вектор переменных, используемый для описания его текущего состояния (статуса). В случае простого движения на плоскости:

Это вектор линейных координат,и угла повора робота

Измерения, производимые при помощи проприоцептивных датчиков могут зависеть не только от текущего состояния, но и от предыдущих состояний или же от текщей скорости изменения состояния. Например, колесная одометрия дает нам показания, зависящие от разницы между текущим и предыдущим состоянием. Гироскоп выдает показания, зависящие от текущей скорости вращения.

Датчики внешней среды

Без датчиков внешней среды робот движется вслепую. Внешние датчики принимают участие в:

распознавании мест и объектов, которые уже встречались ранее;
определении свободного пространства и планирования в нем движения для того, чтобы избежать столкновений с препятствиями;
взаимодействии с предметами, льдьми и животными;
создании общего представления об окружающей робота среде.

Измерения, производимые датчиками внешней среды, зависят и от состояния роботаи от состояния окружающего его мира

Описать состояние внешнего мира мы можем, например, рядом координат стен, ориентиров.

Состояние может быть либо неопределенным, либо полностью известным.

Вероятностное моделирование датчика

Как и движение робота, измерения которые производят датчики, являются неопределенными. Реальные датчики всегда выдают некоторый разброс значений, измеряют с определенной точностью. В результатах измерений, произведенными тем или иным датчиком всегда присутствует некоторая погрешность.

Мы можем охарактеризовать датчик, построив его математическую модель. Поняв неопределенность, которая присутствует в производимых сенсором измерениях, мы можем построить вероятностную модель измерений. Такая модель будет представлять из себя распределение вероятностей (функцию правдоподобия) вида:

Это распределение имеет вид колоколообразной кривой (вид гауссиана).

Функция правдоподобия показывает, какова вероятность эталонного значения при получении значения

. Используя функцию правдоподобия можно оценить неизвестный параметр при известных результатах (когда используется понятие вероятность, мы, наобоорот, используя значение параметра хотим предсказать результат).

Функция правдоподобия полностью описывает работу датчика.

является функцией и переменных измеренияи эталона

и может быть построена в виде вероятностной поверхности. Например, для датчика расстояния (дальномера), вероятностная поверхность выглядит следующим образом:

Вероятностная модель дальномера

Как же должна выглядеть робастная (устойчивая к шуму) модель датчика?

Чем более пологой является функция правдоподобия, тем больше неопределенности она содержит. Поэтому, чем ярче выражена «пиковость» измерителя, тем меньше неопределенности он содержит в своих показаниях.

Приведу пример. Функция правдоподобия для ультразвукового датчика говорит нам, какова вероятность измерения, полученного датчиком, учитывая, что истинное ожидаемое значение

Устойчивая модель ультразвукового датчика

Это распределение имеет форму узкой гауссовой кривой вокруг ожидаемого значения с некоторым постоянным уровнем

, который отражает фиксированный процент «мусорных измерений».

Источник

Все виды датчиков в робототехнике

Датчики управления перемещением роботов

Характеристика и классификация

Большую часть робототехнических систем, называемых промышленными роботами или роботами с элементами искусственного интеллекта, составляют стационарные, неподвижные комплексы. Как следует из предыдущего, важная роль в робототехнических системах отводится сенсорным устройствам. Хотя нет принципиальных отличий в сенсорных системах стационарных и мобильных роботов, последние имеют ряд специфических особенностей. Например, восприятие внешней среды идентичными системами технического зрения (поиск объекта распознавания на визуальной сцене и положение этого объекта) стационарного и мобильного роботов будет меняться по мере перемещения робота. Это вынуждает повышать быстродействие обработки изображений, что в свою очередь приводит к неточностям в распознавании и ошибочному распознаванию. Если стационарным роботам не требуется знать свое положение и ориентацию, то мобильным роботам эти знания просто необходимы. Учитывая важность проблем сенсорики мобильных роботов, уделим основное внимание специальным датчикам и сенсорным системам, предназначенным преимущественно для мобильных роботов.

Мобильный робот — это «разумный» самоходный механизм. Для того чтобы он был в состоянии обеспечить содержательное поведение и выполнять функционально-законченную работу с помощью своих «интеллектуальных» возможностей, его необходимо оснастить различными сенсорными системами, позволяющими роботу воспринимать окружающую среду и ориентироваться в ней. Так же как для людей и большинства животных, наиболее важным и значительным из этих систем в процессе перемещения робота является визуальный сенсор. Однако неоправданно ожидать появление практически пригодных и высокоэффективных систем технического зрения для мобильных роботов, пока не будет достигнут заметный прогресс в области анализа и распознавания изображений, в развитии способов обработки информации и в вычислительной технологии. Поэтому оправданно использование не только систем технического зрения, но и других сенсоров на современном этапе для обеспечения возможности управляемого перемещения робота. Например, человек при ходьбе на ощупь мобилизует все органы чувств и все резервы нервной системы на помощь мозгу для определения состояния поверхности, по которой ступают ноги, и ориентации в окружающем пространстве. Реализация такого подхода к обеспечению поведения робота требует в первую очередь датчиков и сенсорных систем.

В этой связи датчики мобильного робота целесообразно разделить на следующие четыре группы:

● датчики направления, или курсовые датчики (магнитные, оптические, лазерный датчик курса и др.);

● датчики местоположения и ориентации (гироскопические, дальномерные, датчики определения положения и др.);

● сенсоры внешней среды и положения в ней целевых объектов (визуальные, акустические, тактильные и др.);

● датчики внутреннего состояния и нормального функционирования (датчики углов в шарнирах педипуляторов датчики углов поворота колес и др.).

Из перечисленных четырех групп специфичными для мобильных роботов являются датчики первой и второй групп, не характерные для стационарных роботов. Остальные датчики и сенсоры используются как в мобильных, так и в стационарных роботах без существенного различия, за исключением единичных случаев, в которых особые требования к датчикам или сенсорным системам диктуются особенностями функционирования мобильных роботов. Например, визуальный сенсор такого робота при высокой скорости его перемещения должен обеспечивать обработку информации в более высоком темпе, чем в аналогичном случае стационарный робот, что определяется требованием обеспечения работы в реальном масштабе времени.

Датчики направления, или курсовые датчики

На любых производственных линиях широко используются автоматические транспортные тележки (рис. 5.61). Поскольку последние лишены (или почти лишены) элементов искусственного интеллекта, они, строго говоря, не подходят под определение «робот». Отнести их к категории мобильных роботов позволяет лишь устройство для определения направления и выбора траектории движения. Именно эти немногочисленные в настоящее время датчики можно назвать специфическими для мобильного робота. Такая сенсорика базируется на различных методах слежения — магнитном, оптическом, измерении расхода энергоресурса и др.

Рис. 5.61. Пример автоматической транспортной тележки фирмы Rinsoki

Магнитный метод

Для управления движением транспортной тележки почти повсеместно используется магнитный способ, суть которого в следующем. Под полом помещения, в котором используются такие тележки, на глубине порядка 5-10 мм проложен управляющий провод. По нему идет низкочастотный переменный ток (частоты порядка нескольких килогерц), который наводит электромагнитное поле в окрестности провода. Это поле в свою очередь наводит в двух приемных катушках на тележке э. д. с., которая позволяет обеспечить автоматическое управление движением. Оно достигается работой рулевой машинки, поддерживающей неизменными значения э. д. с. в катушках.

Принцип организации такого автоматического управления показан на рис. 5.62, а. Аналогичные результаты могут быть получены при использовании вместо управляющего провода специальной ленты, уложенной на поверхность пола. Этот способ позволяет определять смещения только в направлении, перпендикулярном управляющему проводу. Для своевременного выявления ухода тележки с осевой линии, задаваемой управляющим проводом, было предложено иное размещение приемных катушек (рис. 5.62, б). На этом рисунке осевая линия катушек S_L1, S_R1 параллельна плоскости пола и перпендикулярна продольной оси тележки, а осевые линии катушек S_L2, S_R2 наклонены к плоскости пола под углом φ и к продольной оси тележки под углом θ. Для наглядности на рисунке показаны смещение x от продольной оси тележки и угол ψ отклонения от курса, задаваемого управляющим проводОхМ,

Рис. 5.62. Магнитный способ отслеживания траектории. а — принцип работы по магнитному способу отслеживания траектории; б — определение смещения тележки и отклонения ее курсового угла. 1 — двигатель рулевого колеса; 2 — устройство управления; 3 — меньшая величина напряжения; 4 — большая величина напряжения; 5 — приемные катушки; 6 — колесо тележки; 7 — управляющий привод; 8 — корпус тележки; 9 — продольная осевая линия тележки

Оптический метод

Принцип работы курсовой системы с оптическим датчиком для автоматической транспортной тележки фирмы Hitachi показан на рис. 5.63. На поверхность проезжей части уложена отражательная полоса (лента нержавеющей стали толщиной 0,03-1 мм) для управления движением по заданной траектории. На транспортном средстве размещены оптические элементы, принимающие отраженный от этой полосы свет, и излучатели светового потока, например люминесцентная лампа. Группа таких приемников, упорядоченных в ряд перпендикулярно направлению движения, образует комбинацию возможных световых сигналов (сигнал есть или нет), что позволяет отслеживать положение транспортного средства относительно отражательной полосы (рис. 5.63). Устройство автоматической транспортной тележки, в которой использован подобный оптический способ управления по курсу, показано на рис. 5.64. При большом числе упорядоченных перпендикулярно направлению движения оптических приемников получают исходные данные для принятия решения (уровень которого может рассматриваться как интеллектуальный). Эта ситуация иллюстрируется примером на рис. 5.65 для случая разветвления пути (рис. 5.65, б) и случая конечного адреса и станции следования (рис. 5.65, в). В первом случае перед местом ветвления с упреждением дается сигнал, указывающий на приближение участка ветвления пути.

Рис. 5.63. Принцип работы по оптическому способу отслеживания траектории. 1 — сочетание сигналов; 2 — оптический приемник (CdS); 3 — разделители; 4 — проезжая часть; 5 — люминесцентная лампа; 6 — отражательная полоса. ● включено; ○ выключено

Рис. 5.64. Устройство автоматической транспортной тележки с оптической системой отслеживания траектории (фирма Hitachi). 1 — сигнальная лампа; 2 — панель управления; 3 — двигатель привода рулевого колеса; 4 — рулевое колесо; 5 — детекторы; 6 — бампер; 7 — ведомое колесо; 8 — аккумуляторы

Рис. 5.65. Применение оптического способа отслеживания траектории для случаев ветвления возможных траекторий движения и конечного адреса движения по траектории (фирма Hitachi). а — движение по прямой; б — ветвление возможных траекторий движения; в — конечный адрес движения

Можно не использовать нержавеющую сталь для отражательной полосы, а изготавливать ее из лент белого или черного цвета, контрастирующего с фоном поверхности пола. Такая лента использовалась для отслеживания курса по маршруту при исследовании функциональных возможностей автоматической тележки «робот-поводырь слепого» в Научно-исследовательском институте «Кикай гидзюцу» (Япония). Характерной особенностью оптической курсовой системы робота является возможность пересечения им транспортных дорожек. Например, если робот хранит в памяти карту всех маршрутов, он способен отслеживать сравнительно сложные маршруты (с точками ветвления, взаимного пересечения и т. п.), как показано на рис. 5.66. При этом достигается хорошее выделение сигналов на уровне шумов, например способ выделения краев ленты оптическими датчиками.

Рис. 5.66. Примеры дорожных маркеров

Система отслеживания маркерных указателей на поверхности проезжей части с помощью телевизионной передающей камеры

Маркировка проезжей части (рис. 5.67-5.69). На проезжую часть наносятся маркеры в форме геометрических фигур (круг, квадрат, прямоугольник, правильный треугольник, равнобедренный треугольник и т. д.), по которым робот ориентируется в процессе движения. От этих маркеров он также получает сопутствующую движению информацию. В Научно-исследовательском институте «Кикай гидзюцу» для этой цели был использован метод распознавания и классификации геометрических фигур, который нашел широкое применение в машиностроении при автоматической сортировке деталей, Телевизионная передающая камера робота направлена вниз, на поверхность проезжей части таким образом, чтобы распознать маркер заранее, до того как робот на него наедет.

Рис. 5.67. Взаимосвязь положения мобильного робота с изображением, передаваемым телевизионной камерой

Рис. 5.68. Различные типы дорожных маркеров

Рис. 5.69. Пример размещения маркеров на проезжей части

Достоинством такой системы отслеживания является однозначное соответствие конкретной фигуры маркера определенному указанию о характере движения, при этом, например, маркерным треугольникам разной высоты и размера могут соответствовать различные по содержанию указания. В частности, такая система позволяет информировать робот не только о его местоположении, но и о направлении движения, за исключением случаев использования в качестве маркеров круга или концентрических окружностей. Однако при этом выполнение операции распознавания формы дорожного маркера должно осуществляться в течение сравнительно короткого времени, за которое робот еще не успел далеко отъехать от маркера. Это практически исключает возможность использования традиционных процедур обработки изображений с целью их распознавания. Поскольку при такой маркировке допускается изменение площади маркеров, возможна их оперативная обобщенная классификация, выполняемая ЭВМ по формулам вычисления площадей простых геометрических фигур. При равной площади маркерных фигур их оперативная классификация эффективно проводится по методу собственных значений фигур, который является одним из быстродействующих способов распознавания образов. Однако использование такого метода местоопределения робота требует установки на нем телевизионной передающей камеры и сравнительно большой микро-ЭВМ с интерфейсом для этой камеры.

Штриховой код (рис. 5.70). На поверхность проезжей части наносится штриховой код, который воспринимается роботом через неподвижно установленную на нем телевизионную камеру. Код наносится по всему маршруту движения робота. Считывание штрихового кода телевизионной камерой осуществляется стандартным способом, широко используемым в промышленности и в торговле при складировании и хранении изделий. Фирма Nichon Ronsoki (Япония) предложила получать информацию о движении с помощью установленной на мобильном роботе телевизионной камеры, имеющей два поля зрения — ближнее и дальнее. Перед оптической системой камеры установлены два зеркала, обеспечивающие получение информации ближнего поля зрения. Одновременно через пространство между зеркалами в оптическую систему проходит информация дальнего поля зрения. Ближнее поле зрения позволяет получить информацию о режиме движения и управлении роботом (о положении, ориентации робота и другие данные о его движении); дальнее поле зрения — своевременно выявить появление штрихового кода; при его отсутствии в течение заранее определенного времени принимается решение о возникновении непредвиденной ситуации (например, резкое отклонение от траектории маршрута) и остановке робота. Метод штрихового кода обладает всеми достоинствами рассмотренного выше метода путевых маркеров и, кроме того, позволяет осуществить обобщенную оценку окружающей мобильный робот среды.

Рис. 5.70. Выделение информации при сочетании ближнего и дальнего поля зрения кадра

Лазерная курсовая система (рис. 5.71). Автоматическая курсовая система с использованием лазерного луча обеспечивает периодическое сканирование луча в пределах угла 0 в продольно-вертикальной плоскости транспортной тележки. Управление движением робота ведется таким образом, чтобы вертикально сканируемый лазерный луч постоянно попадал в центр горизонтальной линейной решетки оптических приемных элементов. При отклонении лазерного луча от средней части этой решетки (рис. 5.71, б) величина отклонения (после преобразования в цифровой код) определяет угол поворота рулевого колеса для возвращения робота на исходные курс и траекторию движения. Сканирование луча достигается отражением исходного лазерного луча оптического квантового генератора от зеркала, качание которого (с периодом 10 цикл/с) обеспечивается малогабаритным электродвигателем. Расходимость луча газового лазера гелий-неонового типа с выходной мощностью 1 мВт составляет 9 см на расстоянии 100 м, что и определяет это расстояние как максимальное для обеспечения управляемого движения робота от одной лазерной установки.

Рис. 5.71. Курсовая система по способу сканирующего лазерного луча. а — способ работы курсовой системы; б — расположение оптических приемных элементов на линейной решетке. 1 — автоматическая тележка; 2 — линейная решетка оптических приемных элементов; 3 — оптический квантовый генератор; 4 — сканатор лазерного луча; 5 — курс

При использовании такой системы отслеживания возникают две основные проблемы, связанные с колебаниями нормального уровня освещенности и обеспечением движения по сложным маршрутам с разветвлениями и обходом ограждений края проезжей части. При оптическом отслеживании белой линии, нанесенной на поверхность дороги, изменение уровня освещенности проезжей части практически не влияет на работу системы. В данном случае яркое освещение может привести к нарушениям работы системы, что требует специального программно-аппаратного обеспечения.

Достоинство такого способа управления движением робота состоит в том, что в данном случае не требуется прокладки управляющего провода или отражательной полосы. Однако такая курсовая система обеспечивает отслеживание только строго прямолинейного маршрута. Следовательно, использование сканирующего лазерного луча целесообразно в сочетании с другими способами решения этой задачи.

Способ отслеживания направления боковой поверхности стены

Рис. 5.72. Результаты работы ультразвукового дальномера в процессе движения робота ‘Yamabiko 3.1’ — эхо-сигналы отслеживаемой боковой поверхности (стены) и объекта, находящегося между стеной и роботом. а — поверхность стены в форме выступа; б — стена и цилиндр перед нею; в — стена и ноги человека перед нею

Рис. 5.73. Перемещение автоматической транспортной тележки повышенной маневренности в узком коридоре

Для движения робота вдоль стены необходим датчик отслеживания в реальном масштабе времени отстояния от стены. Широкую известность во всем мире получила игра, в которой малый мобильный робот «Микро-маус» выбирает правильный путь в лабиринте и должен его пройти от старта до финиша за минимальное время. Множество способов отслеживания маршрута игрушечным автомобилем «Микро-маус» можно условно разбить на две группы: способы отслеживания направления стенок-перегородок и отстояния от них тактильными средствами (касанием этих стенок) и способы отслеживания маршрута оптическими датчиками по красной полосе на поверхности лабиринта.

Один из подходов для решения задачи отслеживания заданного отстояния от стены в процессе движения связан с использованием ультразвуковых датчиков-дальномеров. Было проведено исследование возможности передвижения автономного робота «Yamabiko 3.1» с распознаванием окружающей среды с помощью ультразвукового дальномерного датчика. Эксперименты по распознаванию с применением ультразвукового дальномера проводились как для определения отстояния от боковой поверхности, гак и с обнаружением цилиндрообразных образований (например, ноги человека) около этой поверхности. Экспериментальные результаты обследования вертикальной поверхности и типа уступа ультразвуковым дальномерным датчиком на роботе в процессе отслеживания им этой поверхности приведены на рис. 5.72, а. В этом случае ультразвуковой излучатель и приемник были направлены перпендикулярно поверхности стены. На рис. 5.72, б приведены результаты эксперимента для случая, когда между тем же движущимся роботом, отслеживающим боковую поверхность (с левой стороны от робота), и этой поверхностью стоит человек. Тело человека и его одежда обладают свойством поглощения звуковых сигналов. В этой связи характерно, что для отдельных участков ноги не были получены эхо-сигналы, в то время как от цилиндрообразного участка ноги удалось получить сравнительно четкие эхо-сигналы. В результате остаются невыясненными возможности обнаружения роботом наличия какого-либо живого существа в целом (а не отдельных частей его тела).

В Научно-исследовательском институте «Кикай гидзюцу» был проведен ряд экспериментов по исследованию возможности управляемого перемещения автоматической транспортной тележки повышенной маневренности (с возможностью изменения направления движения под любым углом) вдоль боковой поверхности типа стены с закрепленной на ней алюминиевой лентой. Для этой цели в восьми точках боковой поверхности тележки были размещены дальномерные датчики емкостного типа. Как показали результаты экспериментов, тележка с бесконтактными аналоговыми датчиками позволяет отслеживать боковую вертикальную поверхность, в том числе и повороты под прямым углом. Тележка хорошо перемещалась вдоль стенок в очень узких коридорах (рис. 5.73). Недостатками такого способа управления движением являются наличие емкостных датчиков со сравнительно большой площадью металлических пластин и невозможность обеспечения хорошей точности измерения на расстоянии, превышающем 1,5 см. Следовательно, и в этом случае целесообразно использование комбинированных дальномерных систем, включающих датчики как емкостного, так и ультразвукового типа.

Способ целенаправленного перемещения без использования средств навигации

Любому методу или системе определения положения и ориентации мобильного робота в окружающей среде присущи такие недостатки, как

● сравнительно высокая стоимость системы управления по данным текущего местоположения и ориентации робота, а также ее эксплуатационного обеспечения;

● ограничения на маршрут движения робота при любых способах запоминания карты маршрутов с использованием маркерных указателей по этим маршрутам.

Следовательно, в идеальном случае мобильный робот должен целенаправленно перемещаться без помощи специальных средств навигации, в частности маркерных, подобно тому как это происходит с животными. Способность управляемого перемещения животных базируется на использовании органов чувств, интеллекта и дополнительных функциональных возможностей, настолько эффективных, что они позволяют животным целенаправленно двигаться без специальных средств отслеживания выбранного маршрута. Кстати, современная робототехника не позволяет обеспечить целенаправленное движение робота полностью без специальных средств навигации и наведения в естественной сложной неупорядоченной среде как раз из-за низкого уровня его сенсорного оснащения и искусственного интеллекта, а также из-за ограниченного набора функциональных возможностей. Таким образом, методы управления движением роботов без специальных средств наведения применимы только в упрощенной, упорядоченной искусственной среде, например в заводском цехе.

К числу методов управления движением без специальных навигационных средств можно отнести:

1. методы, базирующиеся на использовании прецизионных, высокоэффективных сенсоров состояния и функционирования роботов, например гироскопических устройств;

2. методы, базирующиеся на использовании сенсоров внешней среды типа визуального сенсора (системы технического зрения);

3. методы, позволяющие решать задачу местоопределения и ориентации робота без применения навигационных средств путем соответствующего использования комбинации сенсоров внешней среды и внутреннего состояния робота.

1. Ряд успешных экспериментов по управлению движением автоматической транспортной тележки был проведен в Осакском университете и Научно-исследовательском институте «Кикай гидзюцу». Изучалась возможность отслеживания заданной траектории (текущее местоположение и курс тележки) путем счисления пути по измеренным курсовому углу и числу оборотов задних колес тележки с помощью специального кодирующего устройства.

2. Фирма Mitsubishi denki провела исследования возможности управления движением робота без использования средств внешнего наведения. Для этого на автоматической тележке был установлен двухстепенной гироскоп, позволяющий определять текущее значение курсового угла тележки. Вместе с отслеживанием требуемого курсового угла, определяемого заданной траекторией движения, вычислялось пройденное расстояние по числу оборотов и углу поворота колес. При этом естественно, накапливалась ошибка счисления пути по курсовому углу и величине пройденного расстояния. Для устранения этой ошибки на каждой станции (рабочем участке), через которые проезжала тележка, проводилась коррекция значений ее истинного положения и курса с помощью специальных оптических сенсоров (рис. 5.74). Такой сенсор включал светильник, световой поток которого после отражения рт установленного на станции зеркала улавливался оптической системой сенсора. Два таких сенсора позволяли определять на каждой станции реальное позиционирование тележки, с тем чтобы устранить накопленную ошибку счисления пути. Основными недостатками метода управления с использованием гироскопических устройств является их высокая стоимость, а также неизбежная ошибка определения текущего местоположения и ориентации.

Рис. 5.74. Контроль на станции положения и пройденного расстояния. 1 — маршрут; 2 — мобильный робот; 3 — отражательные зеркала; 4 — оптические сенсоры; 5 — станция

3. Сенсорные устройства гироскопического типа дороги. Однако если требуется знать ориентацию мобильного робота или контролировать возникновение непредвиденных (аварийных) ситуаций, го без гироскопических устройств на роботе не обойтись. В этой связи большой интерес вызывают исследования по созданию дешевых гироскопических сенсоров специально для роботов.

В Научно-исследовательском институте «Кикай гидзюцу» был разработан способ дешевого и точного определения угла разворота тележки путем установки со сдвигом по фазе двух бесконтактных потенциометров. Этот способ позволяет сравнительно просто определять истинное положение и ориентацию робота при ограничении его движений только в двух взаимно перпендикулярных направлениях: по продольной оси робота и в направлении, перпендикулярном продольной оси. Такая структура организации ортогонального движения нашла воплощение в управлении роботом-тележкой (способным перемещаться только в двух взаимно перпендикулярных направлениях) без применения каких-либо средств наведения или внешней навигации. Возможность такого ортогонального движения в сочетании с высокой точностью определения углов поворота тележки позволяет легко определять на сравнительно горизонтальной поверхности проезжей части расстояние, пройденное роботом от пункта его отправления.

На рис. 5.75 показаны конструкции тактильного (контактного) датчика потенциометрического типа для определения положения робота в окружающей среде. Датчики такой конструкции сочетают низкую стоимость с высокой точностью и надежностью определения местоположения робота. При выполнении транспортным роботом погрузочно-разгрузочных операций по складированию грузов и их последующей выдаче по требованию, связанных с заездом на рабочие участки (например, приема, выдачи и складирования грузов), необходима высокая точность позиционирования робота на таких участках. Каждый участок захода робота рассматривается как конечный пункт его маршрута (рис. 5.76). В этом случае после выхода робота в точку Р планируемой траектории движения он приближается к рабочему участку в направлении, перпендикулярном предыдущей траектории, и выходит в точку Q. Момент выхода в точку Q определяется по срабатыванию тактильного датчика 23, затем робот вновь меняет направление под прямым углом и въезжает на площадку рабочего участка. Для точного позиционирования робота на участке используется метод отслеживания боковой стенки двумя такого типа тактильными датчиками. При этом используются специально установленные на участке позиционные пластины 20, относительно которых робот точно позиционируется в положении G.

Рис. 5.75. Аналоговый тактильный датчик. а — наиболее простой аналоговый тактильный датчик; б — пример тактильного датчика с механизмом, обеспечивающим почти прямолинейное перемещение рабочего (контактирующего) конца

Рис. 5.76. Способ контроля перемещения автоматической транспортной тележки повышенной маневренности с помощью простого тактильного датчика, не требующий курсовой системы или специальных навигационных средств. 20 — позиционная пластина для тактильного датчика (имеет кодовую конфигурацию); 21 — мобильный робот; 22 — станция; 23 — тактильный датчик; 24 — выступы-индикаторы положения относительно станции, при котором тележка должна начинать торможение (переход к позиционированию на станции); 25 — реальная траектория движения; 26 — планируемая траектория движения мобильного робота

После завершения работы на одном участке осуществляется переход к следующему участку, при этом точное позиционирование робота на предыдущем участке позволяет избежать накопления ошибки счисления пути. Специфика ортогональной организации движения проявляется в том, что после того, как робот отъехал от участка (под прямым углом к продольной оси тележки) и вернулся на планируемую траекторию, он повторяет весь цикл операций по достижении новой цели движения и т. д. Конфигурация выступов на позиционной пластине позволяет легко информировать робот о его дальнейшей работе и движении (аналогично способу штрихового кода).

Вместо рассмотренных тактильных датчиков могут быть также использованы простые датчики неконтактного типа, например оптические, магнитные и т. д.

В печати были опубликованы результаты исследования мобильною робота, который при движении к цели способен автоматически обходить препятствия. Для этого на роботе использован тактильный сенсор оригинальной конструкции с диском, соприкосновение кромки которого с препятствием инициирует искажения. Эти искажения позволяют определить положение препятствия и курс на него.

В Токийском университете были проведены эксперименты по созданию мобильного робота, целенаправленное движение которого осложнено обходом препятствий (беспорядочно расставленные по пути следования столбики). В этом случае на манипуляторе робота были установлены два визуальных сенсора. Система технического зрения с этими сенсорами обеспечивает объемное восприятие столбиков-препятствий и выбор маршрута их обхода. Использование системы технического зрения на мобильных роботах требует серьезного внимания к быстродействию программно-аппаратных средств обработки визуальной информации. Необходимость такой оперативной обработки иллюстрируется на примере проекта автомобиля-автомата, предложенного в Научно-исследовательском институте «Кикай гидзюцу» (рис. 5.77). Исходная информация для принятия решения об управлении приводами акселератора двигателя, тормозов и переключения скорости такого автомобиля, называемого «интеллектуальным автомобилем», поступает от двух телевизионных передающих камер, установленных на правом переднем крыле одна над другой. При этом обеспечивается покадровая обработка поступающей от них информации (в стандарте передачи телевизионных сигналов). При скорости движения 36 км/ч машина проходит дистанцию в 1 м за 100 мс. Следовательно, из соображений безопасности движения необходимо завершить полный цикл обработки телевизионного изображения, включая ввод видеосигнала и выдачу управляющих команд за время не более 100 мс. В этой связи одной из задач исследования динамики движения автомобиля было обеспечение приемлемой скорости обработки данных. Повышенное быстродействие программно-аппаратных средств обработки видеосигналов достигнуто, в частности, путем использования схемотехнических средств управляющей части устройства и микропроцессоров в арифметических и логических узлах обработки. Для ускорения обработки был применен метод выборки данных из таблиц.

Рис. 5.77. Схема автомобиля-автомата с системой технического зрения. 1 — исполнительный орган управления тормозами; 2 — сервопривод рулевого управления; 3 — телевизионные передающие камеры; 4 — гидравлический насос; 5 — датчик угла поворота рулевой колонки; 6 — исполнительный орган рулевого управления; 7 — устройство принятия решения; 8 — устройство распознавания дорожной ситуации; 9 — устройство управления рулевой системой, ускорением и торможением; 10 — датчик скорости; 11 — кулисный исполнительный орган

Датчики позиционирования

Датчики подобного типа необходимы для определения положения на плоскости и ориентации мобильного робота. Эти датчики характерны именно для мобильного робота, поскольку у обычного стационарного робота, корпус которого неподвижно установлен на фундаменте, пространственное положение и ориентация захвата манипулятора — наиболее важного функционального элемента робота — можно сравнительно легко определить с помощью показаний датчиков обратной связи (например, потенциометров), установленных в шарнирах (сочленениях) звеньев манипулятора.

Помимо отслеживания заданной траектории по данным курсового датчика определить текущее местоположение мобильного робота можно путем:

● использования неподвижного датчика (вне робота), положение которого позволяет дистанционно определять позиционирование мобильного робота в процессе его движения с последующей передачей этих данных на робот по радиоканалу;

● использования опорных маркеров, когда текущее положение робота определяется по группе опорных маркеров во внешней среде. Эти маркеры заранее устанавливаются в известном положении, и по их координатам и известному пункту старта определяется текущее позиционирование робота его навигационно-измерительными средствами;

● определения положения и курса робота без информации о внешней среде.

Первые два из перечисленных способов предполагают применение визуальных сенсоров (телевизионной передающей камеры либо камере с ПЗС-матрицей), ультразвуковых сенсоров или оптоэлектронных датчиков положения. Последние работают с группой маркеров из светодиодов, свечение которых происходит на протяжении коротких интервалов времени и в режиме разделения во времени. После калибровки территории, по которой должен перемещаться робот, его текущее положение и ориентация легко определяются непосредственно роботом методами, сходными с методом триангуляции.

Для датчиков отслеживания траектории характерна, с одной стороны, хорошая эффективность, а с другой — недостаточная универсальность. Датчики позиционирования, напротив, пригодны для многофункциональных роботов, но имеют ограниченное применение из-за высокой стоимости и недостаточной надежности.

Примеры использования оптических датчиков

Фирма Tochiba предложила способ позиционирования мобильного робота по трем маркерным источникам света (ртутным лампам), установленным в различных местах помещения, где перемещается робот. Согласно этому способу, частоты мигания каждого источника света заранее известны и отличны друг от друга. Оптический приемник, установленный на роботе, определяет углы, при которых получены отражения мигающих источников света. По этим углам после их идентификации по частоте можно определить положение и ориентацию робота методом триангуляции (рис. 5.78, 5.79). Научно-исследовательский институт «Кикай гидзюцу» предложил использовать для этой цели штриховой код, нанесенный на стенах помещения. Код считывается телевизионной передающей камерой, установленной на роботе, при этом угол поворота камеры позволяет определять позиционирование робота в процессе его движения (рис. 5.80, 5.81). Штриховой код А, В, С, нанесенный на трех различных участках стен помещения, принимается телевизионной камерой через вращающееся зеркало. Соответствующие углы поворота зеркала пересчитываются методом триангуляции в данные позиционирования робота. Точность позиционирования в этом случае составляет около ±1 см при нанесении штрихового кода в вершинах предполагаемого равностороннего треугольника с длиной стороны 7 м.

Рис. 5.78. Способ определения положения и ориентации робота по трем маркерным источникам света (ртутным лампам)

Рис. 5.79. Способ получения одним оптическим приемником (на роботе) угловых координат от трех маркерных источников света

Рис. 5.80. Пример применения способа определения позиционирования мобильного робота с помощью телевизионной передающей камеры

Рис. 5.81. Способ определения позиционирования мобильного робота по навигационным данным от телевизионной передающей камеры и длине пройденного пути. 1 — зеркало; 2 — ось светового луча; 3 — призма; 4 — импульсный двигатель; 5 — оптопрерыватель; 6 — телевизионная передающая камера; 7 — дешифратор; 8 — измеритель пройденного пути на колесе; 9 — проезжая часть территории

В рассмотренных выше способах позиционирования мобильного робота на один чувствительный элемент проецируются изображения не менее трех маркеров. Для фокусировки изображения на этом чувствительном элементе, ось которого перпендикулярна оси луча, несущего изображение маркера, используется поворотная призма или отражающее зеркало, соосные с оптической системой телевизионной камеры. Поэтому на ввод изображений трех маркеров с помощью поворотной призмы требуется некоторое время, за которое робот успеет пройти определенное расстояние. Это означает, что положение робота, определенное методом триангуляции, будет не совсем корректным и точным. Чтобы обойти это затруднение было предложено в процессе движения робота контролировать его положение по одному маркеру, а отслеживание заданной траектории вести по показаниям датчика пройденного пути на колесе робота и углу поворота на этот-маркер (рис. 5.81). Накапливающуюся ошибку счисления пути по этому способу приходится обнулять путем специальных остановок робота, в течение которых определяется точное положение робота по всем маркерам.

Ультразвуковой способ

Научно-исследовательский институт «Кикай гидзюцу» предложил использовать для самопозиционирования робота три пары ультразвуковых датчиков, установленных на роботе соосно, причем каждая пара может поворачиваться независимо от двух других пар. В трех участках помещения, по которому перемещается робот, установлены ультразвуковые излучатели с частотной модуляцией, настроенные на различную частоту. Каждая из трех пар ультразвуковых приемников на роботе в процессе его движения автоматически удерживает направление на соответствующий ультразвуковой излучатель (на частоту которого он настроен), что позволяет в реальном масштабе времени знать углы ориентации приемников на соответствующие опорные излучатели. Соосная конструкция трех пар ультразвуковых приемников приведена на рис. 5.82, а блок-схема автоматического управления ориентацией каждой пары приемников относительно соответствующего излучателя — на рис. 5.83. Схема работает по принципу сравнения по фазе принимаемых частотно-модулированных ультразвуковых сигналов. При одинаковом удалении обоих приемников от излучателя (чему соответствует перпендикулярность поворотной рейки с приемниками к направлению на излучатель) фазы принимаемых сигналов совпадают; незначительное отклонение рейки от этого положения приводит к появлению разности фаз. По методу триангуляции через углы ориентации реек (на три излучателя) относительно корпуса робота можно вычислить положение и ориентацию робота.

Рис. 5.82. Приемное устройство (опущены датчики-ограничители угла поворота по каждой оси)

Рис. 5.83. Блок-схема следящей системы для ультразвукового датчика определения позиционирования ‘MELODI’. 1 — усилитель; 2 — излучатель; 3 — генератор низкочастотного сигнала; 4 — частотный модулятор; 5 — генератор высокочастотного сигнала; 6 — приемник; 7 — датчик-ограничитель угла поворота; 8 — потенциометр; 9 — полосовой фильтр; 10 — схема выделения амплитуды; 11 — демодулятор частотно-модулированного сигнала; 12 — детектор разности фаз; 13 — коммутатор

Достоинством данного способа является возможность вычисления положения и ориентации робота в реальном масштабе времени в процессе движения робота, поскольку можно независимо управлять разворотом каждой пары приемников. На рис. 5.84 приведен пример поля ошибок — результаты измерения положения робота в сравнении с его истинным положением.

Рис. 5.84. Результаты измерения позиционирования робота ультразвуковым датчиком. + истинное положение; -○- измеренная величина положения (величина отклонения от истинного положения приводится с десятикратным увеличением)

Источник