Управление движением мобильного робота в стесненных условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.01, кандидат физико-математических наук Сербенюк, Николай Сергеевич

  • Сербенюк, Николай Сергеевич
  • кандидат физико-математических науккандидат физико-математических наук
  • 2005, Москва
  • Специальность ВАК РФ01.02.01
  • Количество страниц 133
Сербенюк, Николай Сергеевич. Управление движением мобильного робота в стесненных условиях: дис. кандидат физико-математических наук: 01.02.01 - Теоретическая механика. Москва. 2005. 133 с.

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сербенюк, Николай Сергеевич

введение.

глава i. манёвренность трёхколёсных мобильных роботов.

1.1. Комнатные мобильные роботы.

1.2. Конструкция робота Трикол.

глава ii. исследование особенностей полноприводного движителя.

2.1. Условия согласования скоростей колес при движении.

2.2. Анализ возможных движений робота.

2.3. «Вальсирующее» движение.

2.4. Исследование исполнения движений.

2.5. Результаты.

глава iii. сенсорное обеспечение.

3.1. Конический сенсор.- 38 •

3.2. Обзорная камера.-643.3. Результаты.

глава iv. система управления.

4.1. Система управления движением.- 71 ■

4.2. Организация вычислительных процессов бортовой ЭВМ. - 83 ■

4.3 Результаты.- 95 •

глава v. средства разработки и отладки системы управления роботом.

5.1. Испытательный полигон.

5.2. Система звукового объяснения.

5.3. Система радиосвязи.

5.4. Интерфейс оператора.

Результаты.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Теоретическая механика», 01.02.01 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление движением мобильного робота в стесненных условиях»

За последние десятилетия мировая робототехника и технологии, связанные с ними, развиваются стремительными темпами, приобретая все большую возможность использования роботов в различных областях человеческой деятельности. В первую очередь, это связано с постоянным совершенствованием характеристик двигателей для роботов, источников энергии, вычислительных средств бортовых систем и развития средств сенсорного оснащения.

Создание электродвигателей нового поколения и их микропроцессорных систем управления - вентильных, бесколлекторных, или приводов прямого управления "Direct Drive" - даёт возможность управлять не только скоростью вращения, но и крутящим моментом на валу двигателя (без использования сило-моментных датчиков)[69]. Это позволяет не только улучшить управление движением робота (например, повысить точность), но и создавать системы повышенного уровня адаптивного управления, что открывает новые возможности для использования роботов.

Современные интегральные схемы дают возможность быстро создавать компактные надежные системы управления, на разработку и отладку которых раньше уходило много времени и сил. Программное обеспечение, поставляемое вместе с ними, позволяет создавать алгоритмы управления на языках высокого уровня, а готовые программные наработки позволяют значительно сократить общие трудозатраты. Всё это сокращает время разработки алгоритмов навигации и поведения роботов в сложной окружающей среде.

Большое значение для создания "интеллектуальных" роботов имеет прогресс элементной базы систем технического зрения, крайне необходимых для использования в составе средств сенсорного обеспечения движения.

Кроме этого, современная доступность персональных компьютеров, обладающих большими вычислительными мощностями, расширяет возможности моделирования электронных и механических систем роботов, что ускоряет их развитие. А широкая доступность средств Интернет позволяет коллективам разработчиков роботов активно обмениваться информацией.

Эти обстоятельства всё более превращают робототехнику в быстроразвивающуюся отрасль мехатронного машиностроения.

Среди роботов различных типов нужно выделить отдельную группу автономных мобильных роботов. Их создание во многом ещё требует поиска нестандартных решений в разработке их конструкций, алгоритмического, сенсорного и программного обеспечения. Для всех роботов этой группы свойственны общие признаки, а именно, все они используют: движитель, способный обеспечить передвижение робота в заданной среде (средах); набор необходимых исполнительных механизмов (манипуляторов и др.), зависящих от области применения робота; приводные механизмы движителя и исполнительных механизмов, управляемые, как правило, отдельной системой управления нижнего уровня и имеющие отдельную систему повышенной мощности для энергообеспечения их работы; автономные источники энергоснабжения всех систем робота; набор внутренних датчиков информации, обеспечивающих в системе управления робота возможность регулирования состояния его систем и формирование требуемого движения его приводных механизмов; локальные и дистанционные средства определения характеристик опорных и/или профильных характеристик окружения робота для автономного исполнения процессов принятия решений о требуемом или возможном движении, бортовой вычислитель (вычислители) с программами управления верхнего уровня, формирующими двигательное поведение робота в рамках специфицированных задач; средства телеметрии и/или запоминания "шлейфа" текущего состояния систем робота; интерфейс для взаимодействия с оператором (пульт управления, пульт отображения информации о состоянии систем и т.п.), который может быть удаленным при использовании беспроводных средств связи. Таким образом, автономный мобильный робот это - устройство, способное перемещаться в некоторой области пространства, не связанное кабелем с какой-либо его точкой, и самостоятельно решать двигательные задачи. Условия его двиэ/сения могут быть априорно не определены и/или стесненны препятствиями.

Несмотря на конструктивные различия автономных мобильных роботов, перед их разработчиками возникает общий набор связанных между собой задач навигации и управления движением в пространстве. Алгоритмическое обеспечение их систем управления должно:

1. строить внутреннее описание ("карту") текущего состояния той части пространства, в которой осуществляется перемещение робота, с указанием местоположения целей движения и препятствий, мешающих нужным движениям;

2. корректировать траекторию движения на основании априорных и апостериорных сведений, хранящихся в памяти системы и текущих сенсорных данных;

3. осуществлять движение по спланированной траектории.

В зависимости от конструкции робота и его сенсоров формулировка этих задач настоятельно требует разработки алгоритмов навигации и управления движением робота, удовлетворяющих условиям вычислительной сложности и реализуемости на данной аппаратной платформе. Кроме того, и сама конструкция робота, как правило, зависит от алгоритмов решения этих задач.

Исследованием научных проблем управления автономными мобильными роботами и поиском новых конструкторских и алгоритмических решений занимается множество лабораторий по всему миру. Кроме того, проводятся различные соревнования мобильных роботов, имеющие также целью не только поиск новых решений, но и подготовку специалистов -робототехников. Пожалуй, самым выдающимся соревнованием 2005 года следует считать гонки автономных роботов-автомобилей по пересеченной местности под названием DARPA Grand Challenge [142]. 08.10.2005 года двадцать три робота пытались преодолеть 240 километров по пустыне штата Невада. Победителем стал робот Stanly Стэндфордского университета, который автоматически преодолел эту дистанцию за 6ч. 53мин. Ещё четыре робота также смогли успешно финишировать. Эти соревнования продемонстрировали современный уровень возможностей автомобильной автоматики.

Вместе с тем, проведение соревнований на открытых площадках является скорее исключением, чем правилом. Большинство соревнований мобильных роботов проводится на специальных полигонах. Обычно полигон представляет собой помещение с ровным полом, оборудованное специальными ориентирами-маяками. В зависимости от условий соревнований роботы должны решать разные навигационные и двигательные задачи.

Широко известным состязанием роботов являются состязания "RoboCup", созданные в 1993 году [147]. Изначально они были организованы для создания команды роботов, которые смогут играть в футбол с человеком. Но к настоящему моменту организаторы выделили уже три приоритетных направления:

1. роботы для игры в футбол;

2. спасательные роботы;

3. развивающие роботы.

В каждой группе имеются свои подразделения. Например, роботы-футболисты разделены на следующие категории:

-7> Симулятор. Все действия происходят в виртуальном пространстве и служат способом отладки логики игроков;

Малые роботы. Здесь используются мобильные роботы малых размеров, которые не оснащены сенсорами. Команды движения передаются по радиоканалу, а контроль перемещений осуществляется при помощи внешней видеокамеры;

Роботы среднего размера. Роботы в этой группе полностью автономны и независимы;

Роботы на четырех ногах. Типичным представителем этого класса является робот-собака AIBO;

Человекоподобные роботы;

Эти соревнования проходят ежегодно и пользуются большой популярностью.

Другим широко известным состязанием роботов являются соревнования студенческих роботов, проводимых ежегодно в Институте механики МГУ [148] в рамках фестиваля "Мобильные роботы". В этих соревнованиях движение роботов осуществляется на специальном полигоне, оборудованном инфракрасными маяками и контрастной полосой, нанесенной на пол. В 2005 г: соревнующиеся роботы должны были выполнить за кратчайшее время следующие упражнения:

1. движение к поочерёдно зажигающимся маякам (некоторые из них -подвижные) или движение через ворота из двух маяков;

2. движение в форме восьмёрки около двух маяков с неизвестным заранее количеством оборотов;

3. поочерёдное посещение группы одновременно горящих маяков, некоторые из которых подвижные;

4. движение по нарисованной на полу полосе с препятствиями на ней. В таких соревнованиях используются сложные робототехнические системы, предназначенные для перемещения по плоской поверхности стола или пола. Образцы лабораторных роботов создаются для исследовательских целей, но они могут успешно служить и прототипами больших мобильных роботов, предназначенных для перемещения в естественной среде. В качестве примеров готового коммерческого решения в этом направлении можно привести газонокосилки фирмы Friendly Robotics [144].

Среди мобильных роботов в конце прошлого века наибольшее развитие получили автономные мобильные роботы, функционирующие в индустриальной среде, что было вызвано стремлением заменить машиной человека в тяжелой, опасной и ответственной работе. Однако в последнее время возник новый рынок более сложных роботов - роботов для использования в быту. Мировой объем таких "бытовых роботов" составляет уже 1 миллион шт., большинство из которых являются автономными пылесосами, а второе место занимают автономные газонокосилки. По прогнозам специалистов японской организации робототехники, объем рынка бытовых роботов составит 14 млрд. долл. к 2010 г. и 37 млрд. долл. ;— к 2025-му. Специалисты ООН предсказывают семикратный рост числа бытовых роботов к 2007 году [150].

В качестве примера, демонстрирующего всеобщую заинтересованность в развитии бытовой робототехники, можно привести экспозицию Robot Project на всемирной выставке ЕХРО-2005 [143]. В ее рамках было представлено около 100 роботов, сгруппированных по шести основным направлениям деятельности в бытовой сфере:

• уборка полов помещений;

• сбор мусора;

• охрана помещений;

• помощь людям в ориентировании на выставке;

• игры с детьми;

• транспортные роботы-коляски для инвалидов.

Большое число аппаратов на выставке представляли собой игрушки. Среди них следует обратить внимание на робота-танцора Partner Ballroom Dance Robot [145], который по внешнему виду и одежде похож на балерину.

Способен танцевать с людьми, умеет предсказывать движение партнера и реагировать на давление его тела, вращая плечами, коленями, талией и шеей в нужном направлении. Робот установлен на трёхколёсном шасси, его масса составляет 100кг, а высота 1,65м.

Среди показанных на выставке ЕХРО-2005 роботов, предназначенных для домашнего использования, следует отметить роботы Partner (Toyota) [149] и робот-домохозяйка Wakamaru (Mitsubishi) [146]. Эти роботы уже обладают свойствами многофункциональности. Серия роботов Partner предназначена для широкого круга задач по уходу за домом и людьми, имеются ходячие и колесные модификации этих роботов, оснащенные многофункциональными манипуляторами. Робот Wakamaru оснащен колесным шасси, имеет рост 1м и вес 30кг. Он поступил в свободную продажу на рынок Японии в конце августа 2005 года. Основная функция робота Wakamaru - уход за домом в качестве няни. Он способен узнавать лица 10 человек и вести с ними беседу, обладая словарным запасом в 10 тысяч слов. Другим представителем роботов, предназначенных для использования в быту и уже имеющихся в свободной продаже, является робот-пылесос Trilobite.

Несмотря на сказанное, выставка ЕХРО-2005 (которая была весьма популярна) показала, что разрыв между экспериментальными достижениями робототехники и роботами, доступными на рынке, еще очень велик, и исследования в этой области находятся только на начальном этапе развития. Большинство разработок, проводимых в этом направлении, до сих пор находятся на стадии моделирования или создания прототипов. В частности, довольно трудной задачей является построение и реализация сложных траекторий движения автономных мобильных роботов в помещениях с большим числом предметов, создающих помехи для непосредственного достижения цели. Это требует использования движителей с высокими характеристиками манёвренности движения, что приводит к необходимости увеличивать число их управляемых степеней подвижности. В бытовой обстановке реализация требуемого управления осложняется наличием нестационарных ("динамических") препятствий, значительно ограничивающих априорное знание области, доступной для перемещений робота.

Поэтому решение проблемы организации движения внутри бытовых помещений представляется весьма актуальной задачей. Ее главным содержанием является поиск механических и сенсорных средств и соответствугощих и алгоритмических методов управления маневренным движением мобильного робота в стесненных условиях.

Это делает актуальным, прежде всего, развитие конструкции движителя мобильного робота. Таким движителем, обеспечивающим более свободное передвижение в стесненных условиях, является "полноприводной" трёхколёсный движитель с двумя степенями подвижности ("руль" и "качение") на каждом из колес. Однако такой движитель с его шестью управляемыми степенями подвижности предъявляет достаточно высокие и малоизученные требования к средствам формирования его качественного движения.

Целью предлагаемой диссертационной работы являлось исследование свойств и разработка необходимых методов управления движением в стесненных условиях автономного мобильного робота с трехколесным полноприводным движителем с одновременным созданием необходимых методов информационного обеспечения его безопасного движения. Для достижения этой цели был разработан и исследован лабораторный макет робота (получивший название "Трикол") с многомашинной системой управления, всенаправленным двухкамерным телевизионным зрением и инструментальными средствами и методами создания и отработки алгоритмов системы управления.

Текст диссертации разделён на пять глав следующим образом:

Первая глава диссертации содержит анализ манёвренности трёхколёсных мобильных роботов и обзор литературы, посвящённой решению проблем управления их движением. Далее приводится описание конструкции автономного мобильного робота Трикол.

Во второй главе описаны результаты исследования кинематических свойств полноприводного движителя. Рассмотрены возможные алгоритмические режимы организации его программного движения без проскальзывания колёс, что обеспечивает возможность счисления пройденного пути в интересах навигации. Рассмотрены различные модели движения робота, позволяющие не только осуществлять поступательные движения без изменения ориентации корпуса, но и поворачиваться на месте, а также вальсировать. Проведен анализ динамики вальсирующего движения.

В третьей главе диссертации описывается решение проблем полноты сенсорного обеспечения такого мобильного робота. Основное внимание уделяется алгоритмам обработки сенсорных данных в задачах определения текущего положения робота и требуемого направления его движения. Рассмотрено два различных метода анализа данных сенсора кругового обзора и описывается алгоритм анализа данных телевизионной камеры, позволяющий с высокой вероятностью определить в ее поле зрения отсутствие или наличие препятствия движению робота.

В четвертой главе описывается состав оборудования системы управления, использованный для исследования способов управления движением робота. Подробно описываются алгоритмы навигации и построения маршрута движения, счисления пути и использования сенсорных сигналов. Исследуется влияние особенностей стандартных операционных систем MS DOS и MS Windows как на структуру системы управления, так и на требования, предъявляемые к алгоритмам системы управления.

В последней пятой главе рассматриваются инструментальные методы и средства, необходимые для проверки работоспособности алгоритмических и программных решений. Описываются конструкция специального полигона с навигационными маяками, система речевого объяснения состояния робота в каждый момент его движения, система радиосвязи с роботом и многофункциональный графический интерфейс оператора робота на инструментальной ЭВМ, на которой в ходе работы отображается текущее состояние систем робота. Эти средства позволяют быстро определять недостатки и изменять ключевые параметры используемых алгоритмов, что значительно ускоряет процесс настройки автономной системы управления.

В Заключение вынесены основные результаты и выводы диссертационной работы.

Похожие диссертационные работы по специальности «Теоретическая механика», 01.02.01 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Теоретическая механика», Сербенюк, Николай Сергеевич

• результаты работы алгоритма анализа данных конического сенсора.

Данный интерфейс был успешно использован на бортовой ЭВМ I и позволял оперативно выполнять настройку основных параметров алгоритма анализа данных конического сенсора во время испытаний. Реультаты его

132112 Поле зрения 1: камера B->S:8 Рс:1 Яя Нл:178.4вг ► ►> | Goxp j Парам | |->8:7 Рс.в.7Sh Ип.и.бйгр Время поилка 0.147993с Параметры поиска ioiKir Контраст | 15 [6 Параметр Пах Пин Угол тр. [ В [ i Длина пке[ Зй | Q Разрывы | 3 | J Плоцади [ 15в [15 Разность ш высот мм.

PESW1 1 || РЕЯЛИ 2 || ЙОГ || ВХВД II жтшш|[ выход |

1Просмотр результатов последнего сеанса намерений

Рис. 49. Интерфейс оператора в MS-DOS. работы, отображаемые на экране позволяли выполнять коррекцию непосредственно в ходе эксперимента. Результаты работы всех алгоритмов системы управления роботом сохранялись на жесткий диск в лог-файл и отладка остальных систем робота выполнялась в после завершения экспериментов. Поэтому применение системы звукового объяснения позволило существенно облегчить отладку алгоритмов навигационной системы.

Для бортовой ЭВМ II был разработан многооконный интерфейс оператора с использованием графических средств ОС Windows. При его разработке были решены задачи отображения данных системы управления и интегрирования средств верификации работы алгоритмов для отладки при движении робота.

Интерфейс оператора состоит из следующих окон:

SCK Сеть Колеса

Привязка

Управление

Мая км

Диалог АКЛ . 24.10.2005 1 8.55:39

Н29

Disconnected horn server

LllBOl Г £топ | Г Отображать данные

It. 83

Рис. 50. Главное окно интерфейса оператора содержит кнопки средства управления системой навигации, общую информацию о системах робота и кнопки доступа к другим окнам.

Главное окно.

При запуске программного комплекса робота главное окно интерфейса оператора отображается на экране и первым получает сигналы от клавиатуры. Его управляющие возможности и объем отображаемой в нем информации играют важную роль для оператора. В первую очередь оно должно содержать информацию о работоспособности системы. Во-вторых, робот может функционировать без монитора, поэтому оператор должен иметь возможность управлять системой «вслепую», т.е. используя лишь клавиатуру. Следовательно, главное окно интерфейса должно иметь простые средства передачи команд системе управления. В предложенной реализации они состоят из кнопок запуска и остановки (Пуск/Стоп) и ячейки, через которую можно передать численный параметр. Средства доступа к окнам отдельных систем выполнены в виде кнопок. В качестве основных параметров жизнеспособности робота были выбраны степень заряда аккумуляторных батарей и состояние соединения с севером по радиоканалу.

Пораметоы поиска яркость ««траст fl20 flQ

Ь0 установи

Вершка '.онуса

Вершина} х fi'i'f"" Принять j У (flfi Не экран Я плиэ кадров! цуск

Устройсво захвата Контраст:115

Свойства j Частота | j25

Яркость i 00 Г" Вычитание келрсг

Последовательность кедров pf" j Загрузить}

JL! bJ J2£fe?.L?.I!ii Бииазриэаци* при зегрузке j'f,.Ч £азность| Ёиьарнмй! ро Список, найденыч пятен jJF"^!

Обработать! Пятен: 0

Г" разность кадров обработанный кадр ;

Коорднаты мышки

Пятно О

Площадь 36 (-1 DUO) размер радиус 72: 70-76 (-1 ООО) угол 6 43 219 43 225.92 (-1.000) напрвление 222 32 на разности кедров 0 000000

Патио J Сладит >

IFГ" Ij

Свернуть j

Для тарировки Вся кадры j р эвпиа> данных в файл

Закрыть файл j

Рис. 51. Окно настройки конического сенсора содержит средства управления оцифровкой видеосигнала, настройки и верификации алгоритма анализа его данных.

Окно данных конического сенсора.

Окно данных конического сенсора (Рис. 51) позволяет осуществлять контроль и настройку параметров самого конического сенсора и алгоритма анализа его данных. С этой целью окно содержит:

• средства управления захватом видеосигнала. Они включают в себя запуск и остановку процесса, выбор устройства, выбор частоты оцифровки, настройку яркости и контраста изображения, и отображение данных в окне;

• средства привязки конического отражателя к изображению, для чего имеется возможность задать положение центра образа конического отражателя;

• средства верификации работы алгоритма анализа данных в реальном времени. Они позволяют просматривать содержимое множеств дуг и объектов, как в численном, так и в графическом виде;

• средства верификации и отладки алгоритмов в режиме offline, которые позволяют сохранять и загружать данные конического сенсора с жесткого диска;

• статистику работы процессов захвата данных конического сенсора и их анализа.

Окно настройки параметров захвата данных обзорной камеры.

Окно (Рис. 52) содержит средства управления - запуск и остановку процесса, выбор устройства, выбор частоты оцифровки, настройку яркости и контраста изображения, и отображение графических данных в окне. Статистику работы процесса и средства сохранения данных на жесткий диск для отладки в режиме offline. вск - мтт изображу •ния и на' i вййЯи111 1

Устройсво захвата

JH ZIZ Jd

Сохранить

Уастотв J

Оуск j £топ j

Г Анализ кадров

Контраст 128 Г* На экран

I 1 '"".""""" Свернуть|

J Яркость : 128

2734(0) Экран г Захват 75 Время 0 1

Рис. 52. Окно настройки захвата видеосигнала обзорной камеры.

Окно настройки алгоритма детектирования препятствий.

В (Рис. 53) окне имеется область отображения данных обзорной камеры. Также окно содержит средства верификации и настройки параметров алгоритма для режимов online и offline. Для удобства подбора параметров результаты работы алгоритма отображаются как в графическом, так и в текстовом формате.

Окно состояния системы управления двигателями.

Окно служит для контроля работы системы управления двигателями. Оно содержит текстовую область, в которую отображаются в реальном времени команды планировщика движения и данные, поступающие по СОМ-порту. Также отображается число ошибок, возникших при обмене ботовой ЭВМ с контроллером 0.

Окно ручного управления движением робота.

Окно (Рис. 54) предоставляет оператору возможность ручного управления движением робота от клавиатуры или с помощью мышки. Основное отличие команд этого окна от команд от пульта управления двигателями заключается в том, что они передаются планировщику движения и выполняются на верхнем уровне. Такой подход позволяет сохранять высокую точность счисления пути, а также осуществлять управление таким же пультом через радиоканал.

Рис. 53. Окно верификации алгоритма детектирования препятствий

I управление роботом

PWM 150 ^' г Радиус поворота см. 75 р ч :

Рис. 54. Пульт ручного управления движением робота.

Так как движение робота описывается достаточно большим числом параметров, то управление роботом осуществляется пятью кнопками и двумя уровнями. Верхняя и нижняя кнопки отвечают за подачу ШИМа на двигатели разных знаков, а его модуль регулируется левым уровнем. Средний ряд кнопок задает ориентацию рулей колес: поворот налево, движение прямо, поворот направо. Нажатие на одну из кнопок приводит колеса в стационарное положение, так как нажать мышкой две кнопки на экране одновременно невозможно. Для указания радиуса поворота используется правый уровень.

Управление от клавиатуры осуществляется стрелкам «вправо», «влево», «вперед» и «назад». Для быстрого изменения скорости движения робота или радиуса его поворота, управление уровнями осуществляется при помощи кнопок «F1» и «F2»

Окно настройки словаря системы звукового сопровождения

Окно (Рис. 44)состоит из таблицы, кнопок управления ее содержимым и строки для выполнения теста системы. Таблица отображает содержимое тезауруса системы звукового сопровождения. В левом столбце выводится имя звукового файла, а в правой - соответствующая ему строка. Содержимое таблицы хранится в специальном конфигурационном файле.

Таким образом, разработанный интерфейс предоставляет возможность контроля и отладки всех систем робота. Для каждого алгоритма системы был подобран оптимальный набор отображаемых переменных и управляющих параметров. Экспериментально было установлено, что одновременный вывод данных всех окон приводит к значительной нагрузке на процессор и замедляет работу всей системы в целом. Поэтому при создании подобных интерфейсов необходимо каждое окно должно содержать средства управления отображением данных. А в главном окне должна быть реализована возможность одновременного отключения отображение данных всех систем.

Результаты.

Разработана микропроцессорная система управления испытательным полигоном, реализующая автоматическое и ручное управление маяками.

Разработаны и исследованы средства и методы отладки ботовых систем робота:

- Удобный интерфейс пользователя, который позволяет контролировать работу алгоритмов системы управления в реальном времени.

- Система звукового сопровождения исполнения алгоритма. Она позволяет преобразовывать внутреннее состояние навигационной системы в звук, чем значительно облегчает процесс отладки.

- Информационный обмен и дистанционное управления роботом по радиоканалу WiFi.

Заключение

Результаты диссертационной работы:

1. Построена теория и изучены кинематические свойства движения трёхколёсного полноприводного мобильного робота без проскальзывания колес. Исследованы характеристики так называемого "вальсирующего" движения робота.

2. Реализована зрительная система мобильного робота с использованием всенаправленного сенсора и обзорной камеры. Разработаны и реализованы алгоритмы анализа видеоданных всенаправленного сенсора для управления движением мобильного робота. Разработан и опробован алгоритм детектирования препятствий движению робота на основании данных обзорной камеры.

3. Исследовано влияние формы конического отражателя на проекцию окружающего пространства на ПЗС-матрицу видеокамеры. Предложен метод расчета формы образующей отражающей поверхности всенаправленного отражателя с равномерной разрешающей способностью измерения расстояния до объекта в горизонтальной плоскости.

4. Разработана многопроцессорная система управления автономного мобильного робота с шестью степенями подвижности. Для этой системы разработаны и реализованы алгоритмы навигационного счисления пути и движения в стесненных условиях.

5. Развиты методы верификации алгоритмов системы управления мобильными роботами во время исполнения программы - система звукового объяснения действий робота, система обмена данными по радиоканалу и интерфейс оператора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сербенюк, Николай Сергеевич, 2005 год

1. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. (Автономные системы).-М.: Наука, 1966.

2. Андреев В.П. Трушкин Ф.А. Анализ телевизионных изображений в системе технического зрения мобильного робота кронус. // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского унта, 2001. с 42-53.

3. Белоусов И.Р. Моделирование динамики космического манипулятора в масштабе реального времени. Диссертация. М.: МГУ, мех.мат. факультет, 1993.

4. Богомолов М.Н. Алгоритмы абсолютной и относительной навигации мобильного робота в среде с недостоверными маяками // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского ун-та, 2001. с.84-93.

5. Богомолов Н.Е., Богомолов М.Н. Планирование движения мобильного автономного робота, выполняющего соревновательную программу // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2000». -М.: Изд-во Московского ун-та, 2000. с. 100-113.

6. Богуславский А- А., Соколов С. М Компонентные методы разработки программного обеспечения СГЗ // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 17-18 ноября 2003г.).-М.: Изд-во Института механики МГУ, 2003. с 3549

7. Богуславский А.А, Соколов С.М. Графический интерфейс систем технического зрения на базе персональных компьютеров. Препринт №24 за 1998г.

8. Богуславский А.А., Н.С. Сербенюк, С.М. Соколов СТЗ для навигации подвижного робота по маякам на основе анализа конической проекции окружающего пространства на ТВ-камеру. Препринт ИПМ им М.В.Келдыша РАН №78 за 2001г

9. Горбушина О.А. Девянин Е.А. .Математическая модель системы технического зрения робота Кронус // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского унта, 2001. с 29-41.

10. Гусев Д.М., Кобрин А.И. Моделирование динамики РТС в масштабе реального времени // Труды Международной конференции «Информационные средства и технологии». М.: Изд-во «Станкин», 1997, с.66-71.

11. Девянин Е.А. О движении колесных роботов // Доклады научной школы- конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» Москва, Россия. 1-3 декабря 1998 года. -М.: Изд-во МГУ, 1999. с.169-200.

12. Зенкевич С.Л., Назарова А.В., Лисицын Д.М. Моделирование движения мобильного робота по сложному маршруту // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2000». М: Изд-во Московского унта, 2000. с. 14-27.

13. Исполов Ю.Г., Смольников Б.А. Принципы неголономного разгона подвижных объектов // VII Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Москва, 1991. с.24.

14. Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение. М.: Изд-во «Мир», 2001.

15. Кобрин А.И., Мартыненко Ю.Г., Асимптотическое решение одной нелинейной системы дифференциальных уравнений // Приближенные методы исследования дифференциальных уравнений и их приложения. Межвузовский сборник. -Куйбышев.- 1979.- Вьга.5, с.25-31.

16. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1984.

17. Корянов В.В. Компьютерное моделирование движения мобильного трехколесного робота // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского ун-та, 2001. с. 127131.

18. Литвинов А.С. Управляемость и устойчивость автомобиля. М.: Машиностроение, 1971.

19. Логозинский В.Н., Сафутин И.М., Соломатин В.А. Волоконно-Оптический Датчик вращения с цифровым откорректированным выходом // Гироскопия и навигация, № 3 (34), 2001.

20. Лурье А.И. Аналитическая механика. М.: Изд-во «Физматгиз», 1961.

21. Неймарк Ю.И., Фуфаев Н.А. Динамика неголономных систем. М.: Изд- во «Наука», 1967.

22. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э., Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. М.: Изд-во «Эком», 1998.

23. Новожилов И.В. Качение колеса. // Изв. РАН. Механика твердого тела. 1998. №4. с.50-55.

24. Носков А.В., Носков В.П. Распознавание ориентиров в дальнометрических изображениях // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М.: Изд-во Московского унта, 2001. с. 179-192.

25. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления. М.: Наука, 1986.

26. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации // Гироскопия и навигация. №1 (12), 1996, с.48-55.

27. Писаревский А.Н. Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение). — JL: Машиностроение, 1988.

28. Платонов А. К. Управление поведением мобильного робота // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 2-3 декабря 2002г.).-М.: Изд-во Института механики МГУ, 2002. с 18-33

29. Платонов А.К.,. Сербенюк Н.С Зрительная система объезда препятствий // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 21-25 марта 2005г.).Часть 1.: Изд-во Института механики МГУ, 2005. с. 82-96

30. Платонов А.К.,. Сербенюк Н.С, Выявление с помощью ТВ-камеры препятствий движению робота. // Препринт ИПМ им М.В.Келдыша РАН №71 за 2004г

31. Сербенюк Н. С. Вейвлет-преобразование для конического сенсора // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 2-3 декабря 2002г.).-М.: Изд-во Института механики МГУ, 2002. с 38-49

32. Сербенюк Н. С. Система звукового объяснения мобильного робота Трикол // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы» (Москва, 2-3 декабря 2002г.).-М.: Изд-во Института механики МГУ, 2002. с.50-55

33. Сербенюк Н.С., Экспериментальное исследование свойств конического сенсора. Мобильные роботы и мехатронные системы: Материалынаучной школы-конференции (Москва, 5-6 декабря 2000г.). М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000. 56-65с.

34. Соколов С.М. Определение ориентира и его смещений в поле зрения фотометрической системы. Препринт №97 за 1980г.

35. Тимофеев А.В. Управление роботами. JL: ЛГУ, 1985.

36. Трапезников Д.В. Кинематически оптимальная траектория движения мобильного робота по замкнутой трассе слаломного типа // Материалы научной школы конференции «Мобильные роботы 2001». М: Изд-во Московского ун-та, 2001. с.132-141.

37. Филиппов В.В., Гусев Д.М. Методы управления колебаниями. Методическое пособие к лабораторным работам по курсу «Теория колебаний и динамика машин». М.: Изд-во МЭИ, 1999.

38. Фролов А.В., Фролов Г.В., Аппаратное обеспечение персонального компьютера. -М.: «Диалог-МИФИ», 1997.

39. Хорн Б.К.П. Зрение роботов. М: Мир, 1989.

40. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Изд-во «Мир», 1993.

41. Черноусько Ф.Л. Динамика управляемых движений многозвенников на плоскости // VIII Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотации докладов. Екатеринбург: УРО РАН, 2001. с.594.

42. Чернухин Ю. В, Лунев А. В., Болюба Г В Система связи мини-роботоп с Управляющей ЭВМ при игре в футбол категории MTROSOT // Доклады научной школы-конференции «Мобильные роботы и

43. Geyer С. and Daniilidis. К. A unifying theory for central panoramic systems and practical applications. inProc. of the European Conference on Computer Vision, pages 445-461, 2000.

44. Chahl J.S. and Srinivasan M.V. Reflective surfaces for panoramic imaging. Applied Optics, 36:8275-8285, 1997.

45. Campion G., Bastin G., D'Andrea'a-Nove B. Structural properties and classification of cinematic and dynamic models of wheeled mobile robots // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1996. vol. 12, N 1. p.47-62.

46. Canals R., Treuillet S., Roussel JI. Target tracking with a pan-tilt camera embedded on an autonomous drone // ENSIB/ISMCR 2002. 12й' International Symposium on Measurement and Control in Robotics, France, 2002.

47. Canudas de Wit C, Siciliano В., Bastin G. Theory of robot control. London: Springer-Verlag, 1996.

48. Champion G., Bastin G., Andrea-Novel B.D. Structural Properties and Classification of Kienimatics and Dynamic models of Wheeled Mobile Robots. IEEE Trans On Rob and Autom. Vol 12 №1 1996. 47-62.

49. Cord T Li S., Hanczak A. Mobile Aulonome Roboter zum Transport fur Containem // Forshungszentrum Informatik (FZI), Abteilung Technischc Expertensysteme und Robotik. AMS-95.

50. Cord Т., Pallmer D. Axiales motion stereo zur abstandsmessung fur mobile roboter//AMS-94, 1994.

51. D. Rees. Panoramic television viewing system. United States Patent, (3,505,465), April, 1970.

52. FIBER OPTIC ROTATION SENSOR VG951. Description & Manual. Fizoptika Co., Moscow. RAEL.402139.008TO.

53. Freund E Mayr R. Nonlinear path control in automated vehicle guidance // IEEE Trans, on Robotics and Automation. 1997. vol. 13. N 1. p.49-62.

54. H. Bakstein and Т. Padjla. Non-central cameras: A review. In Proceedings of Computer Vision Winter Workshop, Ljubljana, Slovenian Pattern Recorgnition Society, pages 223-233, 2001.

55. H. Hua and N. Ahuja. A uniform-resolution panoramic camera. In Proc. Computer Vision Pattern Recognition, pages 960-967, 2001.

56. H. Sidenbladhl, D. Kragi61 and H. I. Christensen A Person Following Behaviour for a Mobile Robot// Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan 1 May 1999 p670-675

57. Ishay Kamon Elon Rimon Ehud Rivlin Range-Sensor Based Navigation in Three Dimensions // Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan 1 May 1999 pi63-169

58. Ishiguron H., Tsuji S. Applying panoramic sensing to autonomous map making a mobile robot. In Proc, 93 International Conference on Advanced Robotics, Nov. 1993. p. 127-132.

59. Isidori A. Nonlinear control system. 3nd edition. Berlin: Springer-Verlag, 1995.

60. J. Gaspar, C. Decco, J. Okamoto Jr., and J. Santos-Victor. Constant resolution omnidirectional cameras. In Proc. of IEEE Workshop on Omnidirectional Vision, pages 27-36, 2002.

61. Jamieson Schulte Charles Rosenberg Sebastian Thrun Spontaneous, Short-term Interaction with Mobile Robots // Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan 1 May 1999 pi63-169

62. K. Yamazawa, Y. Yagi, and M. Yachida. Omnidirectional imaging with hyperboidal projection. In Proceedings of the IEEE International Conference on Robots and Systems, 1993.

63. Kachroo P Tomizuka M. Vehicle traction control and its application // Technical Report UCB-ITS-PRR-94-08. Univ. of California. Berkeley. 1994.

64. Koh K.C Clio H.S. A path tracking control system for autonomous mobile robots: an experimental investigation // Mechatronics. 1994. vol. 4. N 8, p.799- S20.

65. M. Ollis, H. Herman, and Sanjiv Singh. Analysis and design of panoramic stereo vision using equiangular pixel cameras. Technical Report, The Robotics Institute, Carnegie Mellon University, 5000 Forbes Avenue Pittsburgh, PA 15213, 1999.

66. M. Srinivasan. A new class of mirrors for wide-angle imaging. In Proc. IEEE Workshop on Omnidirectional Vision, 2003.

67. Matthias Strobel Navigation in Partially Unknown, Narrow, Cluttered Space // Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan 1 May 1999 p 21-34

68. Micaelli A Samson С Trajectory Tracking For Two Steering Wheels Mobile Robots // Prepr. 4th 1FAC Symposium on Robot Control. Capri, Italy. 1994. p.249-256.

69. Murray R.M Zexiang I.L Sastry S.S. A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation. Boca Raton: CRC Press, 1993.

70. Paul E. Rybski, Richard M. Voyles Interactive Task Training of a Mobile Robot through Human Gesture Recognition // Proceedings of the 1999 IEEE international Conference on Robotics & Automation Detroit, Michigan 1 May 1999 p664-669

71. Pegard C., Mouaddib E.M., A mobile robot using panoramic view. IEEE International Conference on Robotics & Automation, Minneapolis, Minnesota, p. 89-94.

72. P. Greguss. Panoramic Imaging Block for Three-dimensional space. United States Patent, (4,566,736), January, 1986.

73. R. A. Hicks and R. Bajcsy. Catadioptic sensors that approximate wide-angle perspective projections. InProc. Computer Vision Pattern Recognition, pages 545-551,2000.

74. R. A. Hicks and R. Perline. Equi-areal catadioptric sensors. In Proc. of IEEE Workshop on Omnidirectional Vision, pages 13-18, 2002.

75. R. A. Hicks and R. Perline. Geometric distributions and catadioptric sensor design. InProc. Computer Vision Pattern Recognition, pages 584-589, 2001.

76. R. A. Hicks. Differential methods in catadioptric sensor design with applications to panoramic imaging. arXivpreprint cs.CV/0303024, http://www.arxiv.org/abs/cs.CV/0303024, 2003.

77. R. Swaminathan, S. Nayar, and M. Grossberg. Framework for designing catadioptric projection and imaging systems. In IEEE International Workshop on Projector-Camera Systems, 2003.

78. R. Swaminathan. Non-perspective imaging systems. Doctoral Thesis, Department of Computer Science, Columbia University, 2003.

79. R.A. Hicks. Foundations of catadioptric sensor design: the vector field method, in preparation, 2003.

80. Rupp T. Absolute Lokalisation mobiler Roboter durch Codierungen mil Landmarken // Dissert Fakultat Informatik der Universitat Stuttgart. 2001.

81. S. Baker and S. Nayar. A theory of catadioptric image formation. In Proc. International Conference on Computer Vision, pages 35-42, 1998.

82. S. Bogner. Introduction to panoramic imaging. In Proceedings of the IEEE SMC Conference, pages 3100-3106,1995.

83. S. Gaechter and T. Pajdla. Mirror design for an omnidirectional camera with space variant imager. In Proc. of the Workshop on Omnidirectional Vision Applied to Robotic Orientation and Nondestructive Testing (NDT), Budapest, 2001.

84. S. Nayar. Catadioptric omnidirectional camera. InProc. Computer Vision Pattern Recognition, pages 482-488, 1997.

85. Т. Conroy and J. Moore. Resolution invariant surfaces for panoramic vision systems. In Proc. International Conference on Computer Vision, pages 392397, 1999.

86. Thrope C., et al., Vision and navigation for the Carnegie-Mellon Navilab. IEEE Trans. PAMI-10(3), 1988. p. 362-373.

87. Turk, M. et al. VIST-A vision system for autonomous vehicles navigation. IEEE Trans. PAMI-10(3), 1988. p. 342-360.

88. V. Nalwa. A true omnidirectional viewer. Technical Report, Bell Laboratories, Holmdel, NJ 07733, USA, 1996.

89. Waxman A.M., LeMoigne J.J., and Scinvasan В., A visual navigation system for autonomous land vehicles. IEEE J. Robotics and Automation 1987.3(2): p. 124-141.

90. Y. Yagi and S. Kawato. Panoramic scene analysis with conic projection. In Proceedings of the International Conference on Robots and Systems, 1990.

91. Y. Yagi. Omnidirectional sensing and its applications. IEICE Trans, on Information and Systems, E82-D(3), pages 568-579, 1990.

92. Yachida M., Ichinose Т., and Tsuji S. Model-guided monitoring of a building environment by a mobile robot. In 8th IJCAI 1983.

93. Yagi Y., Kawato S. and Tsuji S., Real-time omnidirectional image sensor (COPIS) for vision—guided navigation. IEEE Trans. On Robotics & Automation Vol. 10, № 1, 1994.

94. Yagi Y., Kawato S., Panorama scene analysis with conic projection. IEEE International workshop on intelligent Robots & Systems. IROS'90

95. Yagi Y., Sato K., Yachida M. Evaluating effectively of map generation by tracking vertical edges in omnidirectional image sequence, in Int. Conf. Robotics and Automation 1995 IEEE.

96. Yamazawa K.,. Yagi Y, and Yachida M. Obstacle detection with omniderectional image sensor hyperoomni vision. In Int. Conf. Robotics and Automation 1995 IEEE.

97. Zuoliang L. Cao Sung J. Oh, Ernest L. Hall. Omnidirectional dynamic vision positioning for mobile robot. Optical engineering, Dec. 1986. Vol. 25 №12.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.