ЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ РОБОТОВ
Рецензент: доктор технических наук, профессор В.В. Цветнов.
Локационные системы роботов: Справ. пособие. - Мн.: Выш. шк 19с.
ББК 32.816я2 А86 УДК 621.86ISBN -7
Рассматриваются назначение, область применения и классификация локационных систем роботов. Приводятся примеры систем и описывается принцип их действия. Дается методика составления математических моделей локационных систем.
Для инженеров, работающих в области робототехники, и студентов старших курсов соответствующего профиля.
Справочное издание
ПРЕДИСЛОВИЕ
Робототехника является многоплановой научной дисциплиной, и в ее разработке принимают участие ученые различных специальностей. Несмотря на то что число публикаций, посвященных робототехнике, непрерывно растет, далеко не все ее разделы глубоко изучены. В настоящее время в связи с возросшим интересом к возможностям использования адаптивных роботов развернулись работы по исследованию систем очувствления.
Существующая по этому вопросу литература в основном посвящена описанию различных схем и конструкций устройств очувствления. Однако научные основы создания подобных систем разработаны и описаны недостаточно.
Локационные системы роботов предназначены для дистанционного измерения координат объектов, с которыми взаимодействует робототехническая система. В предлагаемой книге приводятся сведения справочного характера о принципах построения и методах расчета локационных устройств роботов. Предполагается, что читатель должен знать теорию автоматического управления, радиотехнику, электронику. Практика показывает, что большинство инженеров, работающих в области очувствления роботов, зная основы радиотехники и электроники, хуже владеют теорией автоматического управления. Поэтому автор стремился по ходу изложения материала приводить сведения по основным разделам теории автоматического управления и на этой основе формулировать принципы построения локационных систем роботов, описывать работу отдельных элементов и предлагать методы расчета в различных режимах работы. Для иллюстрации этих методов приводятся примеры.
Цель справочника состоит в том, чтобы читатели-инженеры, занимающиеся вопросами разработки и исследования робототехнических систем, могли самостоятельно познакомиться с принципами действия и методами анализа локационных систем роботов. Теория таких систем в обобщенном виде до сих пор в литературе не излагалась, поэтому читатели приобретут основы знаний и для самостоятельных научных исследований.
Используемый в книге математический аппарат во многом аналогичен тому, который применяется для описания систем управления роботами. В силу этого предлагаемое пособие может служить основой для дальнейшего изучения динамики поведения роботов с локационным очувствлением.
Наличие примеров решения практических задач делает возможным использование пособия студентами, обучающимися в вузах по робототехническим специальностям и выполняющими курсовые или дипломные работы.
Автор благодарит рецензента доктора технических наук, профессора за сделанные рекомендации, способствовавшие улучшению книги.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость комплексной автоматизации производственных процессов в различных отраслях народного хозяйства вызвала бурное развитие робототехники, которое идет по двум направлениям. В производствах с высокой степенью организации рабочей среды нашли применение роботы с программным управлением, требующие априорного описания параметров объектов манипулирования, координат и динамики их изменения. В настоящее время на таких производствах используются роботы так называемого первого поколения с жесткой или частично перестраиваемой программой,
Однако не всегда можно добиться нужной степени упорядоченности рабочей среды, и в таких условиях роботы с программным управлением становятся неэффективными. Подобные примеры можно найти прежде всего в сельскохозяйственном производстве, в области космических и подводных исследований, частично в промышленности. Неупорядоченность рабочей среды и невозможность априорного знания всех координат производственного процесса привели к необходимости создания роботов второго поколения, способных эффективно функционировать при заранее неизвестных условиях работы. Такие устройства получили название адаптивных роботов.
Характерной особенностью адаптивного робота является возможность приспособления его действий в заранее неизвестной или меняющейся обстановке. Для этого робот снабжается системами очувствления, устройствами обработки информации, поступающей от этих систем, и возможностью перестройки программ управления в зависимости от сложившейся обстановки. Диапазон действия роботов второго поколения значительно шире, чем у первых, однако и они не всегда способны эффективно работать в непредвиденных обстоятельствах,
К роботам третьего поколения, так называемым интеллектуальным, относятся системы, которые в процессе работы самостоятельно формируют цель и линию поведения. Это достигается за счет усложнения алгоритмов обработки информации и планирования поведения и иногда требует более совершенных систем очувствления. С их помощью они могут распознавать окружающую обстановку, строить модель внешней среды, самообучаться в процессе функционирования, принимать решения о дальнейших действиях и т. п. Строго говоря, граница между адаптивными и интеллектуальными роботами выражена не очень четко, поэтому не всегда однозначно можно отнести конкретные системы к тому или иному классу.
Важнейшей составной частью роботов второго и третьего поколений является система очувствления, в задачу которой входит восприятие информации о состоянии внешней среды и ее обработка. Эти действия сводятся к обнаружению объектов, определению их местоположения, расположения препятствий, распознаванию, оценке параметров, свойств объектов и среды. В зависимости от характера и объема решаемых задач системы очувствления делятся на классы: тактильные, сило-моментные, локационные и технического зрения. Тактильные и силомо-ментные системы относятся к средствам контактного действия и измеряют силы и моменты, действующие на робот при его соприкосновении с объектами среды. Системы технического зрения и локационные являются бесконтактными средствами и предназначены для дистанционного измерения параметров и характеристик объектов.
Системы технического зрения (СТЗ) используются для определения координат объектов, их геометрических параметров, характерных особенностей и свойств. Получаемая от них информация должна быть достаточной для решения задач распознавания, идентификации объектов и построения модели внешней среды. В состав СТЗ, как правило, должны входить быстродействующие вычислительные устройства, способные решать перечисленные выше задачи в реальном масштабе времени. СТЗ используются для управления адаптивными и интеллектуальными роботами и составляют в них отдельную подсистему.
Локационные системы выполняют более ограниченные функции и используются для дистанционного измерения координат объектов в составе адаптивных роботов. На современном этапе развития этого класса роботов роль локационных систем особенно важна. Кроме того, локационные системы могут использоваться в качестве датчиков безопасности в роботах первого поколения.
Научные основы робототехники в настоящее время разрабатываются очень интенсивно. Достаточно указать на фундаментальные работы [8, 15, 18, 23], в которых изложены основы теории различных классов робототехнических систем и расчета их элементов. Полученные в этих и ряде других работ результаты в основном касаются принципов построения робототехнических систем, изучения их кинематических и динамических свойств, способов и алгоритмов управления.
Значительно сложнее обстоит дело с изучением систем очувствления. Несмотря на многочисленные публикации в периодической печати, посвященные описаниям принципов построения и конструкций систем очувствления, единые научные основы теории этих систем до настоящего времени разработаны недостаточно, хотя и имеется ряд удачных и интересных работ [10, 21, 25, 27], в которых системам очувствления уделяется значительное место, однако и в них отсутствуют сколько-нибудь общие способы описания и анализа систем. Прежде всего это объясняется большим разнообразием технических средств очувствления, их конструкций и физических принципов, на которых они построены. Однако по отдельным классам систем очувствления уже сейчас можно говорить о создании общей методологии их исследования, и это в первую очередь касается локационных систем.
Принципы построения локационных систем роботов во многом совпадают с принципами построения локационных систем из других областей: оптической, радио - и звуколокации. Многолетний опыт разработки и исследований в этих областях позволил создать весьма общие методы исследования в первую очередь в радиолокации. Известные фундаментальные труды в этой области [7] стимулировали развитие теории оптической локации, звуколокации, сейсмолокации, которые к настоящему времени достигли высокой степени завершенности. Основываясь на этих трудах, можно с единых позиций рассмотреть и методику исследования локационных систем роботов. Конечно, в этом направлении по сравнению с разработанными имеются свои особенности и трудности.
Прежде всего в робототехнике используется широкий набор средств, работающих на различных физических принципах. Это приводит к необходимости распространения взглядов теории радиолокации и других областей на более широкий класс систем. Оказалось, что у разнотипных локационных систем роботов имеется много общих свойств, что привело к возможности создания единой методологии их описания и исследования.
Локационные системы роботов функционируют в автоматическом режиме и обладают всеми свойствами систем автоматического управления, поэтому разработка методологии исследования должна строиться на основе моделей и методов теории автоматического управления.
И, наконец, еще одна особенность. Работа в области локационных систем роботов требует комплексных знаний основ теории автоматического управления, радиотехники, электроники. В то же время уровень подготовки современных инженеров по различным разделам робототехники не в полной мере соответствует требованиям, необходимым для овладения такой комплексной методологией исследования, и это требует ее изложения в объеме и на уровне, доступном для понимания инженерам и студентам. Автором сделана попытка изложения основ теории и расчета локационных систем роботов в форме справочного пособия, научный и методический уровень которого был бы пригоден для использования широким кругом специалистов в области робототехники, не изучавших ранее теории автоматического управления.
Справочное пособие позволяет в сжатой форме изложить накопленные к настоящему времени сведения по рассматриваемому вопросу без излишней детализации теоретических положений. Этой попытке способствовало издание нескольких справочников по конструкции роботов и их применению [13, 24]. Думается, что данное справочное пособие будет дополнением к указанным в части описания и изучения локационных систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Артемьев пособие по методам исследования радиоэлектронных следящих систем. — Мн.: Выш. шк., 1984. — 168 с.
2. , Ивановский радиоизотопных систем роботов-манипуляторов // Тез. докл. Всесоюзного совещания по робототехническим системам. — М-: НаукаС. 58-59.
3. , , Козаченко системы манипуляционных роботов. — Мн.: БелИНТИ, 1979. — 60с.
4. , , Мандрыгин влияния нелинейности дискриминационной характеристики на устойчивость и максимальную скорость слежения телевизионной следящей системой на диссекторе с временным дискриминатором // Техника средств связи. Техника телевидения. — 1978. — Вып. 4. — С. 18—20.
5. Бражников фазометрия.— М.: Энергия, 1968 — 112 с.
6. О точности наведения телевизионного датчика на излучатель // Техника кино и телевидения. — 1971. — № 9. — С. 47—48.
7. Вопросы статистической теории радиолокации / , , и др.; Под ред . — М.: Сов. радио, 1963. — 424 с.
8. Управление манипуляционными роботами: Теория и приложения. — М.: Наука, 1985. — 384 с.
9. , Рудашевский методы измерения расстояний и правления. — М.: Энергоиздат, 1981. — 207 с.
10. , Исаев промышленные роботы и их применение в микроэлектронике. — М.: Радио и связь, 1985. — 105 с
11. , Варюшенко СВ. Ионизирующие излучения в авиационной и космической технике. — М.: Атом из дат, 1975. — 110 с.
12. Катыс и анализ оптической информации автоматической системой. — М.: Машиностроение, 1986. — 415 с.
13. Козырев роботы: Справочник. — М.: Машиностроение, 19с.
14. , Письменный система очувствления подводного робота // Технические средства изучения и освоения океана. — Севастополь: Севастопольский приборостроительный институт. — 1981. — С - 63—65.
15. Кулешов B. C., Лакота систем управления манипуляторами. — М.: Энергия, 19с.
16. Лазерные измерительные системы / Под ред. . — М.: Радио и связь, 1981.-455 с.
17. , Менский автоматические системы. — М.: Машиностроение, 1982. — 504 с.
18. Медведев B. C., , С Системы управления манипуляторами. — М.: Наука 19с.
19. , Разевиг анализа срыва слежения. — М.: Сов. радио, 197с.
20. , Басалов теория радиолокации протяженных целей. — М.: Радио и связь, 1982. — 231 с.
21. Петров технического зрения роботов // Итоги науки и техники. Техническая кибернетика. №. ВИНИТИ. — 1984. — Т. 17. — С. 251-294.
22. Попов нелинейных систем автоматического регулирования и управления. - М-: Hayка, 1979.-255с.
23. , , Зенкевич СЛ. Манипуляционные роботы: Динамика и алгоритмы. — М.: Наука, 1978. — 400 с.
24. Пособие по применению промышленных роботов / Под ред. Капухико Нода. — М.: Мир, 19с
25. Промышленные роботы для миниатюрных изделий / Под ред. . — М.: Машиностроение, 1985. — 264 с.
26. , Ящугин условий срыва слежения в нелинейных системах // Автоматика и телемеханика. — 1966. — № 1. — С. 31—35.
27. Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы / Под ред. Е-П. Попова и . — М.: Машиностроение, 1985. — 255 с.
28. Справочник по применению ИК-техники / Под ред. . — Киев: Техника, 19с.
29. Тихонов случайных процессов. — М,: Наука, 1970. — 392 с.
30. , Цаплин очувствления роботов // Промышленные роботы. — Л.: Машиностроение. — 1977. — С. 107—116.
31. Ваmba Т., Maruyama Н., Ohnou Е. Welding sensor uses structured light and 2-D photocell // Japan Sensor ReviewP. 26—29.
32. Blume F., Shaffrath W. Induktiver Sensor fur Schweibindustrierroboter // SchweibtechnikN 32. - P. 317-318.
