Разработка программно-аппаратной системы управления движением для универсальной роботизированной платформы (стр. 3 )

С полностью автономным управлением

Роботизированные платформы с данным видом управления управляются автоматически. Платформы, с полностью автономным управлением обычно имеют на борту компьютер, который способен на основе полученных от датчиков и периферийных устройств данных самостоятельно, без участия человека принять решение о его дальнейших передвижениях и действиях.

Такие платформы используют в областях, в которых участие человека не обязательно. Например, робот пылесос из патента [16] имеет чётко заложенный алгоритм управления и может без помощи человека убирать помещения.

Также можно отметить описанную ранее автономную роботизированную мобильную платформу, на ортогональном шагающем приводе, предназначенную для сбора данных и мониторинга окружающей среды, описанную в источнике [9].

С гибридным управлением

Платформы с гибридным видом управления способны управляться как оператором, так и бортовым компьютером. Такие платформы могут выполнять действия автономно, до тех пор, пока не потребуется помощь оператора.

В источнике [17] описывается роботизированная мобильная платформа «SMSS», разработанная компанией «Lockheed Martin». Данная платформа предназначена для помощи солдатам в переноски вещей и оборудования. Также робот способен заряжать аккумуляторные батареи различных устройств. Платформа оборудована шести колёсным приводом, который позволяет использовать её в условиях бездорожья. Устройство имеет гибридный тип управления. Платформа может перемещаться по местности, используя различные датчики и GPS, самостоятельно, либо при необходимости управляться оператором.

2. Разработка требований и технических характеристик подвижной части роботизированной платформы

Привод

Разрабатываемая роботизированная платформа в основном будет использоваться в помещениях и на ровных уличных площадках в погоду без[RA1]  осадков, поэтому к её приводам предъявляются следующие требования:

-  Умение преодолевать препятствия высотой около 3 см, например дверные пороги[RA2] ;

-  Имение малого радиуса разворота, для хорошей мобильности в узких пространствах, например коридорах.

Для передачи изображения оператору на платформу установлена камера. Так[RA3] же камера необходима для коммуникации робота с людьми и ориентации его в окружающей среде, если платформой будет управлять бортовой компьютер. Поэтому к приводу предъявляются следующие требования:

-  Наличие плавного разгона и торможения, что бы исключить тряску и тем самым получить с камеры более качественные данные для их дальнейшей обработки;

-  Способность развивать скорость примерно равную 3-4 км/ч, чтобы успевать за шагающим человеком.

Дополнительны требования к платформе:

-  Простота в ремонте

-  Простота в обслуживание;

-  Эффективное энергопотребление.

Корпус

При разработке корпуса подвижной части платформы следует учесть следующие требования:

-  Размеры удобные для использования в помещениях и узких пространствах;

-  Наличие достаточного внутреннего пространства для расположения оборудования, необходимого для системы управления и силовой части платформы;

-  Наличие вырезов и отверстий для крепления датчиков и дополнительного оборудования;

-  Быстрый доступ к внутреннему оборудованию для его починки или замены в случае поломки;

-  На корпусе должно быть место для крепления дополнительного оборудования.

Датчики

Для своего позиционирования в пространстве платформа должна иметь следующие датчики:

-  Магнитометр, для определения угла отклонение подвижной платформы от севера;

-  Систему дальномеров, для определения расстояния до различных объектов.

Двигатели

Требования к двигателям платформы:

-  Наличие возможности плавного разгона и торможения;

-  Способность разгонять платформу до скорости равной 3-4 км/ч.

Логическая часть

Для управления двигателями и сбора информации на борту платформы используется микроконтроллер. Микроконтроллер должен соответствовать следующим требованиями:

1.  Иметь все необходимые входы и выходы для подключения необходимых датчиков и драйверов управления двигателями

2.  Иметь интерфейс для подключения к бортовому компьютеру и возможность подключения модулей беспроводной связи, для управления платформой оператором.

Для автономного управления платформой необходимо наличие бортового компьютера. Бортовой компьютер, расположенный на подвижной платформе, должен соответствовать следующим требованием:

-  Иметь Wi-Fi или Bluetooth модуль для беспроводного подключения к компьютеру, за которым будет сидеть оператор;

-  Иметь возможность подключения камеры, для передачи оператору видеосигнала;

-  Иметь интерфейс для подключения к микроконтроллеру, контролирующему двигатели и датчик;

-  Быть достаточно мощным для автоматического управления платформы и возможной обработке видео на борту платформы;

-  Иметь компактный размер, для размещения в корпусе платформы.

Питание

Энергоснабжение платформы должно соответствовать следующим требованиям:

-  Обладать раздельными контурами питания для силовой и логической части платформы. Данное решение помогает предотвратить поломку аппаратной логической части платформы при скачках энергии в силовой части;

-  Время автономной работы ~3 часа;

-  Иметь возможность питания дополнительных устройств;

-  Предоставлять диапазон различных напряжение для питания устройств с различными входными параметрами.

3. Требование к разрабатываемой системе управления

Система управления роботизированной платформы состоит из программно - аппаратного комплекса.

Требования к аппаратной части

Аппаратная часть должна:

-  Содержать микроконтроллер и драйверы, необходимые для управления двигателями;

-  Иметь возможность управления по беспроводной сети оператором;

-  Иметь возможность управления от бортового компьютера.

Требования к программной части

Программная часть должна состоять из следующего комплекса программ:

-  Программа для микроконтроллера, управляемая двигателями;

-  Программа для микроконтроллера, отвечающая за сбор данных с датчиков;

-  Программа для реализации заворотов.

Так же необходимо разработать протокол для обмена командами и данными между микроконтроллером и устройством управления. В качестве устройства управления может выступать бортовой компьютер или компьютер оператора. Данный протокол должен учитывать возможность, как беспроводной связи, для управления оператором, так и по проводному протоколу, для управления платформой бортовым компьютером.

1.  Разработка подвижной части платформы

Привод

Всем отмеченным требованиям, выдвинутым ранее в разделе «2.1 Привод» в главе «2. Разработка требований и технических характеристик подвижной части роботизированной платформы» отвечают два вида приводов: гусеничный и колёсный с бортовым типом разворота.

Для реализации привода был выбран колёсный тип. Данное решение было принято из-за простоты реализации и большей надежности, чем у гусеничного привода.

Привод приводится в движение четырьмя электромоторами, жёстко закреплёнными в корпусе. Данное решение позволяет платформе производить разворот на месте, что позволяет использовать платформу в узких пространствах.

Для платформы были подобраны колёса, таким образом, что бы обеспечить достаточный дорожный просвет. Данные колеса имеют резиновые покрышки, что дает платформе лучшее сцепление с поверхностью.

Корпус

Проектирование корпуса выполнено в программной среде «SolidWorks». Данный программный комплекс предназначен для проектирования твёрдотельных объектов. Так же «SolidWorks» позволяет, провести различные тесты на прочность, посчитать важные характеристики модели, такие как масса, и выполнить геометрическое моделирование схем твердотельных объектов.

Проектирование корпуса выполнено в следующей последовательности:

1.  Разработка корпуса в среде «SolidWorks»;

2.  Подбор материала;

3.  Моделирование нагрузки на дно корпуса с целью проверки его прочности;

4.  Создание чертежей для реализации платформы;

5.  Создание корпуса по чертежам.

На этапе разработке корпуса, проектирование корпуса выполнено с учётом всех вырезов для крепления датчиков и прочего оборудования. Также[RA4]  при проектировании корпуса была учтена возможность доступа ко всем компонентам платформы для их замены или починки. Доступ к оборудованию осуществляется через открытый верх платформы. В рабочем состояние верх платформы прикрывается двумя крышами, которые крепятся по средствам винтов и гаек к специальным уголкам платформы. При необходимости на крыши можно установить дополнительное оборудование. Готовый вид спроектированного корпуса и его крыши приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Результат моделирования корпуса в программе «SolidWorks[RA5] »

Как видно на рисунке 1, платформа имеет форму шестигранной коробки. Для датчиков расстояния в передней части платформы сделаны отверстия. Передняя часть платформы специально изогнута так, что бы датчики расстояния смотрели вперёд, влево, вправо, и вбок под 45 градусов. Так же на рисунке видны уголки, к которым винтами и гайками крепится крыша. Крыша платформы состоит из 3 частей. Внизу платформы проделаны 4 отверстия, по 2 с каждой стороны, для валов двигателей.

Получившиеся модель имеет следующие габаритные характеристики:

-  Длина 408 мм;

-  Ширина 223 мм;

-  Высота передней части платформы 170 мм;

-  Высота задней части платформы 130 мм.

В качестве материала для реализации платформы была выбрана сталь толщиной 1,5 мм. Данное решение обусловлено тем, что сталь является достаточно прочной, чтобы выдержать вес оборудования и не деформироваться. Крышки было решено сделать из пластика толщиной 2,5 мм. Данное решение было принято исходя из того, что пластик легко можно просверлить, или распилить для крепления в нём дополнительного оборудования. Масса смоделированного корпуса и крыши равняется 3,5 кг.