Разработка программно-аппаратной системы управления движением для универсальной роботизированной платформы (стр. 1 )

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики

Департамент компьютерной инженерии

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ДЛЯ УНИВЕРСАЛЬНОЙ РОБОТИЗИРОВАННОЙ ПЛАТФОРМЫ

Выпускная квалификационная работа бакалавра по направлению подготовки

«Информатика и вычислительная техника»

студента группы № АП-72

Рецензент ст. преп. _______________	Научный руководитель асс. _______________

Допущен к защите	_____________________
Академический руководитель образовательной программы 230100.62 «Информатика и вычислительная техника»	к. т.н., доц.

Москва 2015

Оглавление:

ВВЕДЕНИЕ. 7

1. Обзор существующих аналогов роботизированных платформ. 9

2. Разработка требований и технических характеристик подвижной части роботизированной платформы.. 21

3. Требование к разрабатываемой системе управления. 25

4. Разработка подвижной части платформы.. 26

5. Разработка алгоритмов управления. 35

6. Описание полученных результатов. 40

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 42

Список литературы.. 43

ВВЕДЕНИЕ

Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка программно-аппаратной системы управления движением для универсальной роботизированной платформы. Работа включает в себя проектирования подвижной части роботизированной платформы и разработку алгоритмов её управления.

В настоящее время робототехника является одной из быстроразвивающихся и перспективных областей науки. Роботизированные механизмы встречаются в различных видах человеческой деятельности. Их используют как для бытовых целей, так и для сложных производственных процессов. Например, в статье [1] описан промышленный робот манипулятор «FANUC M‑20iA». Данный робот может производить разгрузку и загрузку грузов до 20 кг, выполнять сборку разборку различных деталей и выполнять различные работы по обработке материалов. Применение таких роботов на конвейерном производстве, может существенно увеличить качество и скорость производства. В другом источнике [2] описан робот пылесос разработанный компанией «iRobot». Данный робот предназначен для поддержания частоты полов в жилых помещениях. Робот выполняет уборку автоматический без участия человека.

Одним из видов роботизированных механизмов являются подвижные роботизированные платформы. Подвижные роботизированные платформы нашли широкое применение в различных сферах человеческой жизни. Данные роботы используются как для помощи военным, так и для помощи людям с ограниченными возможностями. Например, в статье [3] описана концепция подвижной роботизированной платформы, которая способна применятся в качестве робота помощника для незрячих людей или людей нуждающихся в уходе.

Особенностью роботизированных платформ является их возможность работать в труднодоступных и опасных для человеческой жизни местах. Применение роботизированных платформ для таких целей, как тушение пожаров, нейтрализация взрывных устройств и ликвидация последствий химического или радиационного заражения, способно сохранить множество человеческих жизней.

Все эти факторы делают тему данной выпускной квалификационной работы востребованной и актуальной в настоящее время, а полученные результаты представляют собой практическую ценность, для разработчиков роботов.

1. Обзор существующих аналогов роботизированных платформ

Обзор существующих платформ

Развитие роботизированной техники привело к широкому применению роботизированных устройств в различных сферах человеческой деятельности, от простейших бытовых задач, до сложных производственных процессов. Одним видом из данных устройств являются роботизированные мобильные платформы.

В настоящее время роботизированные платформы широко применяются в различных сферах человеческой жизни. Они могут использоваться для различных бытовых и производственных задач.

Одной из таких платформ является, разработанная компанией «iRobot», роботизированная мобильная платформа «Ava» [4]. Данная роботизированная платформа имеет несколько модификаций, которые заключаются в установленном на платформу, дополнительном оборудовании, которое позволяет подобрать пользователю платформу для своих целей. Среди различных модификаций «Ava» выделяются робот охранник, робот консультант и робот для переноса малогабаритных материалов. Так же есть модификация платформы, с высококачественной камерой на борту, с помощью которой можно контролировать производственный процесс на различных предприятиях.

Стоит также упомянуть разработанного компанией «Honda», робота андроида «ASIMO» [5]. «ASIMO» передвигается на двух ногах, способен переносить грузы, и подниматься по лесенкам. Главной особенностью робота является его способность распознавать человеческие жесты и речь. Благодаря этому робот может использоваться в качестве робота гида на различных мероприятиях.

Также роботизированные мобильные платформы могут быть использованы для выполнения различных работ в труднодоступных и опасных для жизни человека местах.

В статье [6] описана мобильная роботизированная платформа «Варан». Данная платформа используется для нахождения и нейтрализации взрывных устройств. Управление роботом происходит по радиоканалу, либо по кабелю, если использовать радиоканал не возможно. При использовании радиоканала робот может управляться и передавать информацию с бортовой камеры на расстояние до 1000 м. Данная особенность позволяет оператору, управляющим платформой, обезвреживать взрывчатые вещества на безопасном для его жизни расстоянии. «Варан» может быть оснащён манипулятором и специальным контейнером для вывоза бомбы, что позволяет поднять на борт и вывезти взрывное устройство, если его невозможно взорвать на месте из-за угрозы жизни людей и разрушений. На базе платформы возможно создания различных модификаций, например робота для ликвидации последствий пожаров, химических и радиоактивных заражений. Время непрерывной работы платформы от автономного источника питания составляет 4 часа.

Так же стоит отметить роботизированную платформу «MVF-5», которая была разработанная Хорватской компанией «DOK-ING» [7]. Данная роботизированная платформа предназначена для тушения пожаров в труднодоступных и опасных для жизни зонах. Платформа оборудована захватом для удаления опасных объектов с пути платформы. «MVF-5» оснащена двумя резервуарами для перевозки воды и пожарной пены, что позволяет оператору тушить пожары как только водой и пеной, так и их сочетанием. Управление платформой осуществляется оператором с помощью специального пульта управления. Управление по радиосвязи работает на расстояние до 1500 м, что позволяет оператору тушить пожары в опасных для его жизни районах. На борту «MVF-5» расположена видеосистема из шести камер, которая отправляет видео данные с места положения робота на пульт управления оператора. Благодаря установленному впереди платформы бульдозерному ковшу, платформа может расчищать себе дорогу, убирая с неё объекты весом до 10 т. Роботизированная платформа может развивать максимальную скорость равную 7 км/ч.

Классификация роботизированных подвижных платформ по типу привода

Наиважнейшей частью робота является его подвижная платформа. Именно она определяет, насколько робот будет мобилен и пригоден для передвижения, в тех или иных условиях. Условно среди наземных роботизированных подвижных платформ можно выделить следующие типы приводов:

-  Шагающие платформы;

-  Гусеничные;

-  Колёсные;

-  Гибридные.

Шагающие платформы

Шагающие платформы, используют в качестве движителя различные конечности. Данная особенность позволяет роботу быть более устойчивым на поверхности с трудным рельефом. Существует множество реализаций подвижных платформ с таким видом движителя, например четырёхногий робот «BigDog» [8]. Данный робот разработан для переноски снаряжения и помощи солдатам на труднопроходимых участках местности, по которым передвижение обычного транспорта не возможно. Подвижная платформа робота состоит из четырёх конечностей, которые приводятся в движение гидродвигателями питаемые гидронасосом. Приводом для гидронасоса является одноцилиндровый двигатель. Благодаря конструкции своей подвижный платформы, робот может преодолевать крутые наклоны и передвигаться по местности с трудным рельефом. За равновесием системы отвечает бортовой компьютер, который обрабатывает информацию с различных датчиков, установленных в ногах и корпусе робота. «BigDog» так же может передвигаться по льду и, не падая восстанавливаться от сильных ударов по корпусу.

В статье [9] описывается автономная роботизированная мобильная платформа на ортогональном шагающем приводе. Данная платформа предназначена для сбора данных и мониторинга окружающей среды. Особенностью данного робота является устройство его привода. Конструкция привода состоит из двух похожих на ножки стола корпусов, которые связанны электродвигателем. Движение платформы происходит за счёт попеременного выдвигание корпусов в сторону движения. Данный привод помогает роботу преодолевать различные препятствия, например ямы, без потери скорости.

Подвижные платформ использующие для передвижения конечности в зависимости от конструкции имеют хорошую проходимость, что позволяет роботу, передвигается по местности со сложным рельефом. Возможна реализация платформы, которая смогла бы разворачивается на месте, что обеспечивает хорошую мобильность в узких пространствах. При поломке одной из конечностей возможно дальнейшее движение по другому алгоритму, в котором она не участвует. В статье [10] была предложена концепция алгоритма, который при поступлении информации о поломке в какой либо важной движущей части платформы запускает генерацию новых алгоритмов передвижения, и на основе полученных данных подбирает наиболее подходящий для его нынешней конфигурации алгоритм передвижения. Так же можно выделить описанного в работе [11] четырёхконечного робота «Starfish». Главной особенностью данного робота является, то, что в него не заложено чётких изначальных инструкций управления. Зная, из каких частей, состоит его передвижная платформа, робот начинает пробовать, как работает каждая из частей и моделировать алгоритмы его передвижения. Данная особенность позволяет роботу в случае поломки смоделировать новый алгоритм передвижения, в котором исключаются использование выведенных из строя частей подвижной платформы. Благодаря моделированию новых механизмов передвижения, робот «Starfish» может при поломке продолжить свою работу без помощи человека.