Қауіпті және агрессивті ортада белгілі бір операцияларды жүргізу қажеттілігі

Заманауи робототехникада мобильді роботтарды дамыту мәселелеріне ерекше назар аударылады. Мобильді роботтар адамның тікелей қатысуы бар зиянды немесе мүлдем мүмкін емес операциялардың кең ауқымын орындай алады.

Мобильді роботтардың тиімділігін арттыру үшін оларды автономды режимде қолдану ұсынылады. Әдетте, мобильді роботтарды қолдану ортасының детерминацияланбауы салдарынан модельдеудің арнайы техникасын және визуалдауды пайдалану арқылы олардың функционалдық мүмкіндіктерін кеңейту қажет.
Қазіргі уақытта көптеген зерттеушілер мобильді робототехника пәніне жүгінеді. Мұндай себептерге назарды жатқызуға болады:

- адамның және зиянды технологиялық жабдықтардың өзара іс-қимылының күшеюі салдарынан қоғамның азаматтардың денсаулығына алаңдаушылығы;

- кейбір заманауи өндірістер үшін жоғары тиімділікті және өзгермелі қоршаған орта жағдайында әрекет ету қабілетін біріктіру қажеттілігі;

- қауіпті және агрессивті ортада белгілі бір операцияларды жүргізу қажеттілігі.

Бұл талаптарға жауап ретінде мобильді роботтар пайда болды, олар басқа әдістер мен тәсілдер оларды қамтамасыз ете алмайтын жағдайларда тиімді шешімді қамтамасыз етуге қабілетті (құбырларды инспекциялау, қоршаған ортадан зиянды материалдарды жою және т. б.).

Роботтың сенсорлық жүйесі жол датчигінен, базалық шассидің бағдарлау сенсорларынан және телекамераның бағдарлау сенсорларынан тұрады. Сенсорлардан түсетін ақпарат ретінде пайдаланылуы мүмкін: кері байланыс үшін жетектерді басқару контурлары, сондай-ақ орналасу орнын дәл анықтау.

Роботтар әскери салада да қолданылуда. Белсенді түрде робот-минашылар, ұшқышсыз ұшу аппараттары қолданылады. Қауіпсіздік қызметтері мен арнайы қызметтердің танылмаған объектілерді минашылар және инспекциялау үшін және АЭС-да штаттан тыс жағдайларда қолдану үшін мобильді роботтарды қолдануы қызықты әрі маңызды болып табылады. Осындай роботтардың бірі Ресейдегі ядролық реакторлардың бірінде штаттан тыс жағдай кезінде сәтті қолданылды. Сол кезде роботтың белсенді араласуы ауыр адам құрбандарына және қоршаған ортаның ластануына әкелуі мүмкін оқиғалардың жағымсыз дамуын тоқтатуға мүмкіндік берді.

Көптеген мобильді роботтар жартылай автоматты режимде жұмыс деп аталатын жекелеген кезеңдерде болған кезде адам-оператор роботымен белсенді әрекеттесуі.

Мұндай жағдайларда төмен (атқарушы) деңгейдегі операциялар роботты басқару жүйесімен жүзеге асырылады. Олардың ішінде: қозғалысты басқару, сенсорларды басқару, ақпаратты жинау және өңдеу, технологиялық операциялардың орындалуын басқару және т. б. Сонымен қатар иерархияның жоғары деңгейіндегі операциялар (негізінен стратегиялық және тактикалық) оператордың араласуын талап етеді.

Ол роботтан түсетін деректерге негізделе отырып, траектория мен қозғалыстарды жоспарлауды, операцияларды жоспарлауды, жоғары деңгейдегі шешімдерді қабылдауды және т.б. жүзеге асырады. Негізінен оператор-адамның араласуы мобильді робот орналасқан, өзгермеген орта туралы ақпараттың жеткіліксіздігінен, осындай ортаның күрделілігінен және роботтың бортындағы күрделі технологиялық жабдықпен салынатын шектеулерден туындады.

Жоғарыда аталған барлық мобильді роботтар қашықтықтан адам басқарады және байланыс арнасы бұзылған кезде және өзінің жұмыс істеуін тоқтатады. Бұл көбінесе күрделі кеңістіктегі мобильді роботты бағдарлау жүйесіне байланысты (немесе навигация). Ең қарапайым жағдайда тиімді пайдалану үшін кеңістікте берілген бағытта автономды жүре алатын мобильді роботтың оған мүмкіндік беретін навигация жүйесі болуы қажет (жабдықталған коридор бойынша). Кеңістікте бір нүктеден екінші нүктеге еркін жылжу кезінде ең күрделі нұсқада (кедергілерсіз тегіс жерде) және де бір нүктеден екіншісіне еркін жылжыту кезінде айналып өту міндетін шешу мүмкіндігімен қиылысқан кедергілер. Кедергіні айналып өту міндетін шешу мүмкіндігі бар қиылысқан аймақтар бойынша бір нүктеден екіншіге еркін жылжу кезіндегі күрделі нұсқада. Бұл міндетті навигацияның кіші жүйелерінің бірі – техникалық көру жүйесіз шешу мүмкін емес.

Шетелдік роботтар ұзақ уақыт бойы автономды түрде қозғалуға, оңтайлы қозғалыс бағыттарын таңдауға, күрделі манипуляцияларды орындауға қабілетті екені белгілі. Алайда, оларды қоршаған ортаны дұрыс қабылдауға үйрету және онда өз орнын табу әлі де қиын.

Бұл жұмыста объектіге дейінгі қашықтықты бағалау үшін бір бейнекамераны (монокулярды) пайдалануға негізделген мобильді роботтың техникалық көру жүйесін (ЖҚЗ) қолдану мүмкіндігі қарастырылады.

1 Автономды мобильді роботтардың бағдарлау әдістерін жүйелік талдау

1.1 Роботтың жалпыланған құрылымы

Технологиялық процестерді кешенді автоматтандыруға және әртүрлі өндірістерде еңбек өнімділігін күрт арттыруға мүмкіндік беретін техникалық құралдардың қатарына өнеркәсіптік роботтар жатады.

Өнеркәсіптік робот - қандай да бір технологиялық операцияларды орындау кезінде адамды толық немесе ішінара ауыстыратын кибернетикалық құрылғы. Заманауи роботтар жасанды интеллект жүйесімен жабдықталған әртүрлі ортада дербес жұмыс істей алады.

Қоршаған ортамен (ОЖ) және адаммен оператормен өзара әрекеттесетін роботтың құрылымдық схемамен (1.1 сурет) оңай бейнеленуі мүмкін. Схемадан көрініп тұрғандай, жалпы жағдайда робот олардың төрт жүйесінен тұрады: Орындаушы (қозғалыс), басқарушы (интеллект), ақпараттық-өлшеу (сенсорлық) және байланыс (тіл) жүйесі.

Орындаушы, немесе қозғалтқыш жүйесі, басқару жүйесі қалыптастыратын басқару сигналдарын өңдеуге арналған. Осылайша роботтың қоршаған ортаға мақсатты әсер ету мүмкіндігі қамтамасыз етіледі. Орындаушы жүйе роботтың динамикалық қасиеттерін, атап айтқанда оның әртүрлі қозғалыстарды жасау қабілетін анықтайды.

Ақпараттық-өлшеу немесе сенсорлық жүйе сыртқы ортаның жай-күйі, оған атқарушы жүйенің әсер ету нәтижелері және басқару жүйесінің қажеттіліктеріне сәйкес роботтың өзінің жай-күйі туралы ақпаратты қабылдау және түрлендіру үшін қызмет етеді. Сенсорлық жүйенің элементтері ретінде теледидарлық және оптикалық-электрондық құрылғылар, лазерлік және ультрадыбыстық алыс өлшеуіштер, тактильді, күш-моменті, түйісу және индуктивті датчиктер, акселерометрлер және т. б. қолданылады.

Сурет 1.1 – Роботтың жалпы құрылымы

Басқарушы немесе интеллектілік жүйе мынадай функцияларды орындайды: ақпараттық-өлшеу жүйесінен кері байланыс сигналдары негізінде атқарушы жүйені басқару заңын әзірлейді; роботтың адам-оператормен берілген тілде қарым-қатынасын ұйымдастырады; роботтың іс-әрекетін жоспарлайды және мақсатты шешімдер қабылдайды.

Роботтың адаптациялық мүмкіндіктері мен зияткерлік қабілеті негізінен оның басқару жүйесінің алгоритмдік және бағдарламалық қамтамасыз етілуіне байланысты. Роботтардың басқару жүйелері ЭЕМ немесе микропроцессорлар базасында құрылады, ол кіріс (аналог - цифрлы) және шығыс (цифрлық) түрлендіргіштері мен байланыс арналарының кең жиынтығы бар.

Мақсаты мен шешілетін міндеттеріне байланысты роботтар екі үлкен сыныпқа бөлінуі мүмкін: өндірістік және зерттеушіге. Өндірістік роботтар физикалық жұмыстарды, сондай-ақ еңбекті қажет ететін, кернеулі және шаршаған ақыл-ой жұмыстарының жекелеген түрлерін орындауға арналған. Роботтардың бұл класы үшін автоматты қозғалтқыш құрылғыларының болуы тән. Қолданыстағы нақты салаларға сәйкес өндірістік роботтар өнеркәсіптік, көліктік, құрылыс, ауыл шаруашылығы және тұрмыстық және т. б. болып бөлінеді.

Зерттеу роботтары зерттелетін объектілер туралы ақпаратты іздеуге, жинауға, өңдеуге және беруге арналған. Мұндай объектілерге жету қиын немесе адам үшін қауіпті ортада болуы мүмкін. Сәйкесінше зерттеу роботтарының түрлері бар: ғарыштық, суасты, жер асты, радиоактивті аймақтар үшін роботтар, экстремалды, зертханалық жағдайлар және т.б. зерттеу роботтары анықталған, өңделетін және талданатын ақпараттың үлкен көлемдерімен ерекшеленетін салаларда қолданылады.

1.2 Дербес мобильді роботтардың бағдарын қалпына келтірудің белгілі әдістерін жүйелік талдау

Әр түрлі ақпаратты енгізу жүйелеріне негізделген көптеген навигация жүйелері бар, алайда олардың барлығы белсенді және пассивті болып бөлінеді (1.1-кесте). Пассивті жүйелер сыртқы көздерден өзінің координаттары мен қозғалыс сипаттамалары туралы ақпарат алуды болжайды. Белсенді жүйелер бұл үшін өз қаражатын пайдаланады.

Деректерді маяктардан оқу үшін, оның ішінде бейнекамералар пайдаланылуы мүмкін, бірақ мұндай жүйелер бинокулярлық көру жүйесімен ешқандай ортақтығы жоқ, өйткені олар объектілердің кеңістікті сипаттамалары туралы деректерді оқымайды, тек маятниктің жағдайы туралы деректерді оқиды.

Спутниктік жүйелер қазіргі уақытта кең таралған, бірақ олардың дәлдігі мобильді роботтың күрделі маршрут бойынша жылжуы кезінде координаттарын анықтау үшін әрдайым жеткілікті болмайды.

GPS. NAVSTAR GPS (англ. NAVigation Satellites providing Time And Range; Global Positioning System — уақыт пен қашықтықты өлшеуді қамтамасыз ететін навигациялық жерсеріктер; жаһандық позициялау жүйесі) - жаһандық позициялау жүйесі, жиі GPS деп аталатын спутниктік навигация жүйесі. Жердің кез келген жерінде (полярлық облыстарды қоса алғанда), кез келген ауа райы кезінде, сондай-ақ планетаның жанындағы Ғарыш кеңістігінде объектілердің орналасуы мен жылдамдығын анықтауға мүмкіндік береді.

Жүйені пайдаланудың негізгі принципі — белгілі координаталары бар нүктелерден объектіге дейінгі қашықтықты өлшеу арқылы орналасқан жерді анықтау. Қашықтық спутникті жіберуден GPS қабылдағышын қабылдағышқа дейін сигнал таратуды кідірту уақыты бойынша есептеледі. Яғни, GPS-қабылдағыштың үш өлшемді координаттарын анықтау үшін үш жерсерікке дейінгі қашықтықты және GPS жүйесінің уақытын білу қажет. Осылайша, координаталар мен қабылдағыштың биіктігін анықтау үшін кем дегенде төрт жерсеріктен сигналдар пайдаланылады.

Робот кедергілерді сезіп және алдын ала карта жасай отырып, бөлменің барлық ауданы бойынша қозғалады және одан әрі оның негізінде жұмыс істейді.

Осыған ұқсас навигация жүйелерінің кемшіліктері – жергілікті жердің картасын алдын ала жасау қажеттілігі, өз координаттарын анықтаудың дәлдігі төмен және картаны жасағаннан кейін пайда болған кедергілерді есепке алудың мүмкіндігі жоқ екендігі.

Оптикалық дальномерлер (лидарлар). LIDAR (ағылш. Light Detection and Ranging, лидар) - өңдеу технологиясы жарықтың шағылысу және оның мөлдір және жартылай мөлдір ортада шашырауы құбылыстарын пайдаланатын белсенді оптикалық жүйелердің көмегімен қашықтағы объектілер туралы ақпаратты алу.

Лидар аспап ретінде, кем дегенде, оптикалық диапазонның белсенді қашықтық өлшеуіші болып табылады. Машиналық көру жүйелеріндегі сканерлеу лидарі қоршаған кеңістіктің екі өлшемді немесе үш өлшемді бейнесін қалыптастырады. "Атмосфералық" лидарлар тек ашық емес шағылыстыратын мақсаттарға дейінгі қашықтықты анықтауға ғана емес, сонымен қатар жарықты шашырататын мөлдір ортаның қасиеттерін талдауға да қабілетті. Атмосфералық лидар түрлері атмосфераның әр түрлі қабаттарында ауа ағындарының қозғалу бағыты мен жылдамдығын анықтайтын доплерлік лидарлар болып табылады.

- 1550 нм-адамның көзінде көрінбейтін инфрақызыл сәуле. Көздің іс жүзінде зақымдану қаупі көрінетін жарық сәуле шығарғыштарына қарағанда жоғары - себебі көз ИҚ сәулеленуге жауап бермейді, онда адамның табиғи қорғаныс рефлексі де жұмыс істемейді;

- 1064 нм-көрінетін емес жақын инфрақызыл сәуле көзге көрінбейтін, бірақ түнгі көру құралдарымен анықталатын иттербиді лазерлер;

- 532 нм-неодимді лазердің жасыл сәулеленуі, судың массасын тиімді "тесетін";

- 355 нм-жақын ультракүлгін сәуле.

Қоршаған ортаның кеңістіктік сипаттамаларын алу үшін бейнекамераларды пайдаланатын навигация жүйелері ең әмбебап болып табылады. Теориялық тұрғыдан, мұндай жүйелер роботты тұйық кеңістікте жылжыту кезінде де, ашық ауада жылжыту кезінде де бірдей тиімді пайдаланылуы мүмкін. Бірақ олар әртүрлі кедергілерге (дірілдеу, атмосфералық бөгеуілдер), берілетін және өңделетін ақпараттың үлкен көлеміне, сондай – ақ алынған ақпаратты талдау кезіндегі күрделілігіне байланысты сенімділіктің төмен дәрежесіне ие - бұл, ең алдымен, бейнекамерадан алынған объектілердің бейнелерін тану проблемасына байланысты. Мұндай жүйелердің құрылғысы, әдетте, адамның көруіне ұқсас. Робот кеңістіктің екі нүктесінен (бинокулярлық жүйелер) алынған бейнелерді салыстыра отырып, кедергілерді алып тастау және көлемі туралы барлық ақпаратты алады [6].

Бір бейнекамерамен жұмыс істейтін жүйелер (монокулярлық жүйелер) әдетте көмекші болып табылады және әдетте алдыдағы кедергілердің көлемі мен жойылуы туралы ақпарат алмайды. Алайда монокулярлық жүйелердің көмегімен осындай ақпаратты алу мүмкіндігі бар.

Монокулярлық жүйелер қазіргі уақытта жеткіліксіз зерттелген және олардың потенциалы толық ашылмаған [7]. Сонымен бірге олар потенциалды түрде талап етіледі, өйткені жүйенің құнын төмендетеді және қайталанатын жүйе ретінде әрекет ете алады (мысалы, камералардың бірі бинокулярлық жүйеде істен шыққан кезде), сондықтан бұл бағыт жеткілікті перспективалы болып табылады және одан әрі зерттеулерді талап етеді.

1.3 Мобильді роботтың математикалық моделін құру

Мобильді роботты басқару жүйесін жобалау кезеңдерінің бірі

-математикалық модель құру. Модель басқару алгоритмін таңдап, оны тексеру және нақты машина құрамына қосылғанға дейін күйге келтіруге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, модельдеудің арқасында қозғалтқыш, редуктор таңдалды, ток пен кернеу шамалары, күштік электроника схемалары анықталды. Модель нәтижелердің жеткілікті шынайылығын қамтамасыз етуі тиіс. Сонымен қатар, есептеулер үшін өте қарапайым болу. Жобалау кезінде жеке режимдерді көрсететін бірнеше үлгілерді алу қажет. Мысалы, берілген жылдамдыққа жету, бұрылу, маягқа бағыттау. Олардың барлығы басқару ерекшеліктерін ғана емес, сонымен қатар энергетиканы, жүктемені анықтауға мүмкіндік береді. Мобильді роботтың динамикалық моделі қолданыстағы күштер мен динамикалық параметрлердің (жылдамдық, үдеу, траектория) өзара байланысын анықтауға мүмкіндік береді. Оның құрамына электромеханика, көру және контроллердің кешігуімен байланысты түзетулер енгізу қажет.

Для простоты некоторые элементы, с малыми постоянными времени, не вводятся, их постоянные времени суммируются с постоянными других звеньев. Вывод математической модели движения робота осуществляется при условии отсутствия скольжения ведущих колес. Динамика носового колеса не учитывается, предполагается, что оно является абсолютно скользкой неинертной опорой.

Қарапайым болу үшін кейбір элементтер аз тұрақты уақытпен енгізілмейді, олардың тұрақты уақыты тұрақты басқа буындармен қосылады. Робот қозғалысының математикалық моделін шығару жетекші дөңгелектердің сырғанауы болмаған жағдайда жүзеге асырылады. Алдыңғы дөңгелектің динамикасы ескерілмейді, ол абсолютті тайғақ емес тірек болып табылады деп болжанады.

Динамикалық модель декарттық координаттарда құрылады. Координаталардың абсолюттік жүйесі енгізіледі және роботтың корпусымен қатты байланысты. Демек O,y1,y2 - абсолютті координаттар жүйесі, ал, С,z1,z2 - байланысты көз жұмды (сурет 1.4)

Конструкциясы екі жетекті және бір флюгерлік дөңгелектері бар платформадан тұратын дөңгелекті роботты қарастырайық.