Разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create

Разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create

ВВЕДЕНИЕ

Развитие робототехники началось с отраслей, имеющих наиболее жесткую детерминированную среду и процессы, в частности, машиностроения. По мере развития сенсорных средств, систем управления, робототехнические системы стали создаваться и для немашиностроительных отраслей. В первую очередь такие системы требуются в отраслях и областях деятельности человека, где его нахождение или участие опасно для жизни или здоровья. В других случаях использование робототехнических систем позволяет экономить значительные средства на подготовительных роботах, например, в строительстве.

Для работ в недетерминированных условиях в настоящее время развивается особый класс робототехнических систем, называемых в технической литературе "мобильными роботами", отличительной чертой которых является способность к перемещениям в пространстве.

Диапазон применения мобильных роботов чрезвычайно широк:

- роботы используются при исследованиях космического пространства и океанских глубин;

- с помощью роботов проводятся сложнейшие хирургические операции на мозге и сердце. Разработаны роботизированные протезы конечностей и некоторых внутренних органов;

- военная техника становится все умней и самостоятельней - управление движением, контроль обстановки, прицеливание и поражение цели производит машина, а человеку остаются решение тактических задач и техническое обслуживание.

Все это указывает на актуальность исследований в области мобильных роботов, что и определяет направленность данного дипломного проекта [1].

Цель дипломного проекта - разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create.

В дипломном проекте планируется рассмотреть следующие задачи:

- произвести анализ современных мобильных роботизированных систем;

- рассмотреть устройство и функционирование сенсорных систем мобильных роботов;

- разработать программное обеспечение сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create.

Разработка раздела “Безопасность жизни и деятельности человека” необходима для проведения анализа опасных и вредных производственных факторов, в данном случае влияющих на разработчика программного продукта, оценки факторов производственной среды и трудового процесса и приведения этих факторов к норме, для обеспечения оптимального с точки зрения сохранения здоровья и работоспособности взаимодействия людей с техническими средствами и окружающей средой. Помимо вышесказанного, в разделе будут рассмотрены вопросы техники безопасности, производственной санитарии и гигиены труда, пожарной профилактики.

В экономической части дипломного проекта будет произведен расчет трудоемкости разработки ПП и заработной платы исполнителей, затраты на разработку, будет рассчитана отпускная цена одной копии программного продукта, а также коэффициент конкурентоспособности и показатель риска разработчика ПП.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Общие сведения о мобильных роботах

Поскольку в различных источниках информации нет однозначных определений и терминов по мобильным роботам и общепринятой классификации, вначале необходимо ввести несколько определений.

Прежде всего, общее понятие "робот" трактуется отдельными авторами по-разному. Наиболее подходящим является следующее определение: робот - машина с автоматическим или интерактивным управлением; перепрограммируемая или самообучающаяся; манипуляционная или мобильная; имеющая несколько степеней подвижности; используемая как в детерминированных, так и в недетерминированных средах и процессах.

В предлагаемом определении можно отметить следующие особенности:

- к роботам отнесены системы с интерактивным управлением (т.е. управляемые попеременно - то оператором, то автоматически), это позволяет считать роботами не только системы, оснащенные манипуляторами, но и большой класс появившихся в последнее время устройств, называемых мобильными роботами, которые в большинстве случаев имеют именно интерактивное управление (автономные мобильные роботы, т.е. управляемые полностью автоматически, существуют пока только в лабораторных разработках);

- к роботам не отнесены устройства с ручным управлением, это, конечно, не позволяет отнести к роботам часть мобильных систем с дистанционным ручным управлением (управляемых в течение всего времени только оператором и не имеющих автоматического управления), но если не принять это ограничение, то придется относить к роботам все манипуляторы с ручным управлением (а ими можно подсчитать даже портальные краны, экскаваторы и т.п.), что совершенно неприемлемо, необходимо, однако, учитывать, что в источниках информации мобильные системы с ручным управлением все же часто называются мобильными роботами.

Под мобильными роботами предлагается понимать лишь устройства, перемещения которых производятся по неопределенной (заранее не проложенной), неограниченной траектории.

К роботам предлагается относить только машины, обладающие несколькими степенями подвижности. Это объясняется тем, что исторически сложилось считать машины с одной степенью подвижности просто транспортными средствами.

Отмечая, что мобильные роботы могут применяться как в детерминированных, так и в недетерминированных средах (процессах) подчеркивается, что сфера использования роботов неограниченна (в отличие, например, от промышленных роботов).

Термин "мобильный" робот имеет в различных источниках информации следующие определения:

- движущийся робот [2];

- робот, который установлен на подвижной тележке [3].

Такие определения являются определениями с неоднозначными признаками (критериями). Дело в том, что в новом классе машин, появившемся в последнее время и названном мобильными роботами, имеется не просто перемещение робота на какое-то определенное расстояние, а перемещение робота на колесах, гусеницах или ногах на любое заданное человеком или программой расстояние. Это предполагает отсутствие однозначного, заранее проложенного маршрута перемещения (траектории). Такие роботы обычно обладают развитой сенсорной системой, элементами искусственного интеллекта. Признак не только большей или меньшей независимости от человека-оператора, но также и независимости от однозначной, предварительно определенной траектории содержится в самом названии таких роботов, т.е. автономные мобильные роботы - это роботы, управляемые без участия человека.

В результате сказанного выше предлагается следующее определение: мобильный робот (англ.: mobile robot; locomotive robot) - робот, отличительной чертой которого является наличие локомоционной способности (т.е. способности к переместительным движениям системы в пространстве).

Существуют различные подходы к классификации мобильных роботов.

На Рисунке 1.1 приведена классификация мобильных роботов по сферам их применения.

Рисунок 1.1 - Классификация мобильных роботов по сферам применения

Необходимо отметить, что для работы в недетерминированных условиях могут в подавляющем большинстве случаев использоваться только мобильные роботы. Недетерминированные условия - это или недетерминированные среды или недетерминированные процессы.

К недетерминированным средам предлагается относить природные среды и среды, создаваемые аварийными ситуациями, как в природных условиях, так и при разрушениях зданий и сооружений, спроектированных и созданных человеком [4]. К действиям робота в природных средах относятся действия при горных разработках, полевых сельскохозяйственных работах, лесопосадках, разведке на местности, подводных и подземных работах, определениях радиоактивной зараженности местности, военных действиях при разминировании и патрулировании, обслуживании слепых в качестве поводырей на улице и т.п. К действиям робота при разрушениях созданных человеком сред относятся действия по расчистке завалов, спасательных работах в разрушенных сооружениях и т.п.

К недетерминированным процессам относиться каждый процесс, протекание и результат которого не зависит полностью от целенаправленной деятельности человека. Недетерминированными процессами являются все природные процессы (землетрясения, извержения вулканов и т.п.), пожары, взрывы, уборка сельскохозяйственных продуктов и т.п.

Необходимо отметить, что в детерминированных условиях мобильные роботы используются редко. Детерминированные условия - это или детерминированные среды и (или) детерминированные процессы.

К детерминированным средам относят среды, проектируемые и создаваемые человеком (производственные, бытовые помещения и здания, строительные площадки и другие сооружения). К детерминированным процессам относиться каждый процесс, протекание и результат которого полностью зависит от целенаправленной деятельности человека (деятельности по непосредственному осуществлению процесса, управлению процессом и т.п.)

К примерам использования мобильных роботов в детерминированных условиях относится, например, обслуживание атомных электростанций и других сооружений, пребывание в которых опасно для человека; обслуживание людей в быту в качестве роботов-уборщиц, роботов-сиделок и т.п.

По степени независимости от участия человека-оператора в контуре управления все мобильные роботы могут быть классифицированы на две большие группы [5]:

- с автоматическим управлением (автономные роботы);

- с интерактивным управлением (телеоператоры, телероботы).

Мобильные роботы с автоматическим управлением - роботы, управление которыми осуществляется системой управления без участия человека.

Для того чтобы совершать действия без участия человека (обычно в недетерминированной, изменяющейся среде) роботы должны обладать искусственным интеллектом. В связи с этим, в отличие от других роботов, мобильные роботы с автоматическим управлением в источниках информации обычно называются автономными. Автономные мобильные роботы - это роботы, способные сами (в зависимости от сигналов от датчиков) принимать решение в изменяющейся обстановке. Иногда они называются также самообучающимися мобильными роботами.

Роботы с интерактивным управлением следует признать системами более высокого интеллектуального уровня, чем автономные роботы, т.к. возможности человеческого разума на уровне принятия решения в критических ситуациях превосходят в настоящее время самые развитые системы искусственного интеллекта.

Мобильные роботы с интерактивным управлением - это роботы, которые могут работать, и в автоматическом режиме, и управляться человеком-оператором. В отличие от биотехнических систем (систем с ручным управлением), интерактивные системы имеют устройства памяти для автоматического выполнения определенных действий [6].

По функциональному назначению мобильные роботы классифицируются на следующие группы:

- специального назначения;

- для военных и военизированных применений;

- для экстремальных ситуаций, научных исследований;

- для спортивных, промышленных и бытовых применений.

1.2 Структура мобильного робототехнического комплекса

Любой мобильный робот может быть представлен в виде совокупности трех больших систем - транспортной, специальной и управления [7].

Транспортная система представляет собой транспортное средство, предназначенное для доставки специального и технологического оборудования к месту выполнения поставленной задачи.

Транспортное средство состоит из ходовой части, корпуса и энергетической установки. Как правило, система управления устанавливается внутри корпуса. В зависимости от типа среды эксплуатации ходовая часть может быть гусеничная, колесная, колесно-гусеничная, полугусеничная, шагающая, колесно-шагающая, роторная.

Облик наземного мобильного робота в первую очередь определяется типом и конструкцией движителя, служащего для преобразования в процессе взаимодействия с внешней средой усилия, получаемого от двигателя, в тяговое усилие, движущее транспортное средство.

Выбор типа движителя и его размеров является очень сложной задачей. Практически невозможно создать универсальную конструкцию движителя, дающего возможность одинаково уверенно передвигаться в разнообразных условиях окружающей среды. Множество видов и свойств оснований, сложные пересечения рельефа местности, необходимость перемещения по элементам сооружений и внутри зданий являются причиной создания большого числа компоновочных схем роботов с различными типами движителей.

Основное внимание разработчиков уделяется различным вариантам колесного и гусеничного движителей. Несколько меньшее внимание уделено шагающему движителю. И существенно меньшее - другим типам (например, роторно-винтовому, аппаратам на воздушной подушке и др.).

Для каждого типа движителя существует своя область применения. Так, в качестве движителя многофункционального мобильного робота, предназначенного для использования на труднопроходимой местности, выбирают гусеничный движитель как наиболее универсальный. При преимущественном использовании робота на дорогах более предпочтительным является колесный вариант транспортного средства. Применение шагающих машин перспективно лишь в среде, где скорость колесного или гусеничного движителя уступает скорости шагающего движителя (например, в горной местности, в очагах разрушений и т.п.). При конструировании обычных транспортных средств параметры движителя оптимизируются для наиболее характерных условий применения и поверхностей движения. Однако, для мобильного робота такая оптимизация невозможна в силу неопределенности условий движения. Поэтому в настоящее время движители роботов конструируются с возможностью адаптации к поверхности движения.

Специальные системы служат для непосредственного выполнения поставленных задач. Специальная система состоит из необходимого набора технологического оборудования, состав которого определяется видом решаемой задачи и назначением МР.

Система управления обеспечивает управление движением и работой технологического оборудования, а также адаптивное управление ходовой частью и энергетической установкой с учетом взаимодействия транспортной системы с окружающей средой.

Система управления движением должна также обеспечивать планирование движения в недетерминированных условиях на основе картографической базы, с учетом непрерывно поступающей информации в систему управления от технических органов чувств и навигационной системы.

Сложность системы управления определяется сложностью решаемой задачи, степенью неопределенности внешней среды и требуемой степенью автономности робота.

Именно развитие систем управления определяет развитие робототехнических комплексов в целом, и, в частности, легло в основу классификации мобильных роботов по поколениям. В общем случае система управления содержат три уровня управления: верхний (стратегический), средний (тактический) и нижний (исполнительный), которые имеют встроенные механизмы адаптации, работающие на основе оценки качества реализации планов различного уровня в реальном физическом мире. Организация взаимодействия уровней управления должна позволять принимать решение на том уровне, который в данный момент обладает наиболее достоверной информацией, без передачи управления на более высокий уровень.

Человек (оператор) является в настоящее время неотъемлемой частью системы управления. Функции человека в системе управления определяют ее сложность.

В роботах первого поколения оператор активно участвует в управлении мобильным роботом на всех трех уровнях, вплоть до непрерывного ручного управления исполнительными механизмами. Это упрощает конструкцию системы управления, но усложняет работу оператора. Основные недостатки дистанционного управления обусловлены наличием телевизионного и радиоканалов связи, их невысокой помехозащищенностью, невозможностью сохранять режим радиомолчания, опасностью неожиданного прекращения связи в зонах радиотени.

В роботах второго поколения управление нижнего уровня возложено на бортовую систему управления роботом. Общим для роботов второго поколения является использование обратной связи как в соответствии с текущим состоянием робота, так и в соответствии с состоянием внешней среды.

Третье поколение роботов оставляет человеку только стратегический уровень: система общения с оператором сводится к выдаче задания и принятию отчета о его выполнении. Платить за облегчение жизни оператора приходится весьма дорого: автоматическая система должна обладать универсальностью, гибкостью и широтой возможностей естественного интеллекта. При этом любая решаемая системой искусственного интеллекта дополнительная задача, а тем более класс задач или ситуаций, требует не только разработки специальных алгоритмов решения, но и специализированных технических средств - новых технических органов чувств, спецвычислителей и исполнительных органов, т.е. каждая такая задача представляет собой сложную научно-технологическую проблему.

1.3 Мобильные роботы специального назначения

Мобильные роботы специального назначения применяются при проведении взрывотехнических работ и антитеррористических операций, а также при охране важных объектов.

При этом применение роботов возможно для решения следующих тактических задач [8]:

- при проведении взрывотехнических работ:

1) поиск и диагностика взрывных устройств;

2) уничтожение или эвакуация взрывных устройств;

3) расснаряжение или обезвреживание взрывных устройств;

4) проведение химической и радиационной разведки объектов и территорий;

- при проведении антитеррористических операций:

1) постановка радиоэлектронных помех, дымовых и специальных завес;

2) доставка и применение спецсредств нелетального действия;

3) скрытое проникновение на захваченные и охраняемые объекты;

4) ведение радиоэлектронной аудио- и видеоразведки объектов и территорий;

5) разрушение преград (двери, стены);

6) ведение отвлекающего огня, выявление огневых точек противника;

- при охране объектов:

1) патрулирование территории или периметра объекта;

2) пресечение попыток проникновения на объект;

3) нейтрализация нарушителей.

Указанные операции проводятся на разных объектах и в разнообразных условиях:

- на объектах общественного транспорта (городской транспорт, железнодорожный, авиационный, морской, автомобильный);

- в местах проживания и жизнедеятельности людей (квартиры, дома, офисы и др.);

- на промышленных объектах (объекты химической промышленности, ядерного технологического цикла и пр.);

- на объектах городской инфраструктуры (канализация, теплостанции, водопровод и т.п.);

- на открытой местности, на сильно пересеченной местности, в лесах и т.д.

Специфика операций, условия эксплуатации и функциональное назначение мобильного робота определяют его конструктивные особенности, степень сложности системы управления, массогабаритные характеристики и состав специального оборудования.

К мобильному роботу предъявляются следующие общие требования:

- робот должен иметь высокие подвижность и проходимость в городских условиях, внутри зданий и сооружений, в зонах разрушений, на пересеченной местности, как на твердых гладких покрытиях, так и на деформируемых грунтовых основаниях;

- робот должен надежно действовать как в неподготовленных естественных условиях, так и в среде, специально приспособленной для обитания человека (внутри домов, в транспортных коммуникациях), вписываться в городские транспортные потоки или двигаться в составе транспортных колонн;

- конструкция робота должна обеспечивать его высокую мобильность и быстрое развертывание при выполнении спецопераций.

Для выполнения вышеуказанных задач спецподразделения имеют следующие основные группы мобильных роботов:

- мобильный робототехнический комплекс (МРК) - универсальные наземные роботы, предназначенные для действий на объектах транспорта, промышленности, городской инфраструктуры и т.д., на открытой слабопересеченной местности;

- малогабаритный дистанционно пилотируемый летательный аппарат (МДПЛА) - воздушный робот для проведения разведки на открытой местности, сильно пересеченной местности, в горах, в городе;

- специальные робототехнические комплексы - роботы, способные перемещаться по вертикальным и наклонным поверхностям промышленных объектов и транспортных средств, а также в трубопроводах и узких местах.

Мобильные робототехнические комплексы применяются при:

- боевом обеспечении спецопераций (заградительный огонь, разведка боем, разрушение заграждений и т.п.);

- проведении разведки;

- проведении взрывотехнических работ (поиск, извлечение, транспортирование и обезвреживание или уничтожение взрывоопасных предметов и неразорвавшихся боеприпасов);

- обеспечении безопасности важных объектов.

По массе (и, следовательно, мобильности) и основному назначению МРК можно разделить на 4 группы:

- сверхлегкие, массой до 35 кг (рис. 1.2);

- легкие, массой до 150 кг;

- средние, массой до 800 кг;

- тяжелые, массой свыше 800 кг.

Мобильный робот МРК-01 предназначен для проведения инспекционных проверок, поиска и уничтожения взрывоопасных предметов, имеет массу 20 кг, поэтому относится к классу сверхлегких МРК. Он имеет следующие технические характеристики: габаритные размеры - 0,570,480,21 м; скорость передвижения - 0-2,5 км/ч; трансмиссия - электромеханическая; движитель - колесный.

В мировой практике наибольшее развитие получили сверхлегкие, легкие и робототехнические комплексы первых трех групп. Это обусловлено их маневренностью, возможной быстрой технической адаптацией к конкретному виду проводимой операции или выполняемых работ, а также относительно небольшими материальными и экономическими затратами на их производство и эксплуатацию. Основное назначение этих роботов - охрана помещений важных объектов, борьба с террористическими акциями, поиск и обезвреживание взрывоопасных предметов.

Изначально заложенный в конструкцию большинства роботов модульный принцип позволяет создавать многофункциональные комплексы, используя единую транспортную систему в качестве базовой и формируя рабочую систему при установке сменного вооружения или рабочего оборудования и требуемой системы управления.

Для роботов массой до 800 кг разрабатываются оригинальные специализированные транспортные модули. Так робот МРК-25, показанный на рисунке 1.2, имеет конвертируемую ходовую часть. Складывание гусеничного обвода дает возможность роботу маневрировать в стесненных условиях (например, разворачиваться на лестничных площадках) и обеспечивает перевозку робота в джипе или микроавтобусе. Этот робот имеет массу 186 кг; габаритные размеры - 0,950,650,9 м; скорость передвижения - 0-1,1 км/ч; радиус действия - 100 м; грузоподъемность манипулятора - 12 кг; усилие захватывания захватного устройства - 200 Н.

Рисунок 1.2 - Мобильный робототехнический комплекс МРК-25 (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Более тяжелые робототехнические системы используют в качестве базовых шасси серийно выпускаемые образцы военной и гражданской транспортной техники. Робот ETODS (США, ОАО) выполнен на базе погрузчика типа “Bobcat” (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Транспортное средство роботизированной системы разминирования ETODS

Конструктивно универсальные мобильные роботы представляют собой малогабаритные самоходные средства, оснащаемые разведывательной аппаратурой, набором сменного рабочего оборудования и инструмента [9]. Рассчитаны на дистанционное управление оператором, ведущим наблюдение непосредственно или с помощью телевизионной камеры. В состав установленных на роботах комплексов приборов и оборудования входят:

- телевизионная аппаратура (на современных образцах, как правило, цветного изображения), включающая телевизионные камеры (до четырех единиц) и портативные мониторы, по которым оператор ведет наблюдение за местностью и управляет работой машины;

- осветительные средства (прожекторы) для подсветки при действиях в темное время суток и низких уровнях освещенности;

- манипуляторы для захвата, перемещения и транспортирования объектов;

- портативная рентгеновская аппаратура для обследования на месте обнаруживаемого объекта и определения степени его опасности;

- оборудование для уничтожения на месте взрывоопасных предметов (наибольшее распространение получили гидродинамические разрушители, используемые для уничтожения самодельных взрывных устройств в неметаллических оболочках, ацетиленовые горелки для сжигания неметаллических мин и гладкоствольные ружья для стрельбы тяжелыми пулями-болванками);

- набор инструмента для разборки, отделения или вывода из строя отдельных компонентов обнаруженного боеприпаса в целях его нейтрализации;

- набор стетоскопов для прослушивания работы часовых механизмов взрывателей замедленного действия, а также зеркал для обследования отдельных компонентов подозрительного объекта, расположенных в труднодоступных местах.

Сами машины выполняются на шасси из алюминиевых сплавов и легированной стали с колесной, гусеничной или сменной (быстро заменяемой с колесной на гусеничную и обратно) ходовой частью. На шасси смонтирован полноповоротный (как правило) манипулятор, приспособленный для установки сменного рабочего оборудования, аппаратуры или инструмента. В качестве энергетической установки чаще всего служат электрические аккумуляторы, их емкости обычно достаточно для работы в течение нескольких часов, однако возможно применение двигателя внутреннего сгорания или питание от внешнего источника электроэнергии. При использовании аккумуляторов привод ходовой части машины и рабочего оборудования обычно электромеханический, а двигателя внутреннего сгорания - гидравлический. Дистанционное управление работой машин осуществляется по радио (на дальности до 4000 м), по волоконно-оптической линии связи (на расстоянии до 400 м), либо по кабелю (на расстоянии до 100 м).

Малые масса и габариты дистанционно управляемых машин допускают их перевозку к месту выполнения работ легкими транспортными средствами, а их выгрузка и погрузка производятся по легким аппарелям своим ходом. Низкое расположение центра тяжести и наличие легких гусениц позволяют машине преодолевать крутые подъемы и спуски, в том числе лестничные марши, проникать в небольшие помещения и работать на весьма ограниченной площади.

Малогабаритные дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА) появились в начале 80-х годов [10]. Это был новый класс беспилотных разведчиков. Пионерами в этой области стали израильтяне, первыми создавшие и с большим успехом применившие миниДПЛА в ходе боев с Сирией в долине р. Бекаа (Южный Ливан) в 1982 г. Вслед за Израилем к работам в этом направлении приступили СССР, США, Великобритания, Франция, Италия, Канада, Китай, Ирак и другие страны, как обладающие развитой авиапромышленностью, так и имеющие лишь авиаремонтную базу.

ДПЛА способны:

- вести воздушную визуальную разведку местности;

- вести радиационную, химическую и бактериологическую разведку;

- обеспечивать ретрансляцию радиосигналов;

- поражать цели, доставлять к цели специальные технические средства.

В настоящее время отсутствует единая и четкая классификация ДПЛА. В частности, принято подразделять беспилотные аппараты по различным признакам:

- в зависимости от применяемой системы управления - на совершающие полет по программе или по радиокомандам (последние часто называются дистанционно пилотируемыми, или телеуправляемыми). Считается, что дальность действия ДПЛА с радиокомандной системой наведения значительно меньше, чем у аппаратов, совершающих полет по программе, поскольку управление ведется, как правило, в УКВ диапазоне и определяется дальностью прямой видимости;

- по стартовому (взлетному) весу и размерам - на малоразмерные (иногда их еще называют миниатюрными), среднеразмерные и крупноразмерные. Судя по сообщениям иностранной прессы, сейчас основные усилия западные специалисты направляют на создание малоразмерных ДПЛА, сравнимых по своим весовым и габаритным характеристикам с радиоуправляемыми моделями самолетов и вертолетов;

- по выполняемым задачам - на разведывательные, радиоэлектронной борьбы и многоцелевые;

- по типу - ДПЛА самолетного типа; вертолетного типа и автожиры; подъемно-привязные системы; газонаполненные аппараты (дирижабли и аэростаты).

В состав воздушных робототехнических средств входят дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА), несколько транспортных средств, обеспечивающих старт, обслуживание и управление.

В качестве силовой установки на ДПЛА применяются авиационные поршневые или турбореактивные двигатели, а для обеспечения их старта (взлета) с земли - пороховые сбрасываемые ускорители. Возвращающиеся с задания беспилотные аппараты спускаются на парашюте или подхватываются в конце глиссады снижения специальной сетью, иногда они производят посадку с помощью шасси.

Состав бортовой аппаратуры определяется главным образом возлагаемыми на ДПЛА задачами: на разведывательных используются аэрофотоаппараты (АФА), телевизионные камеры, инфракрасные (ИК) станции, аппаратура радиотехнической разведки. Аппараты могут нести на борту станции постановки активных помех, устройства выбрасывания противорадиолокационных отражателей и т.д.

В последние годы во многих странах повысился интерес к малогабаритным ДПЛА, обладающим вертикальным взлетом и посадкой. выполненным по вертолетной схеме (рис. 1.4). Подобные МДПЛА характеризуются существенно малой массой (до 50 кг) и габаритами, что позволяет осуществлять их перевозку неспециализированным транспортом и быстрое развертывание на месте применения.

Круг задач, решаемых МДПЛА вертолетного типа, весьма обширен:

- визуальный и технический контроль обширных труднодоступных территорий;

- профилактический контроль местности и объектов;

- поиск людей и объектов;

- доставка медикаментов и грузов.

Рисунок 1.4 - Дистанционно управляемый вертолет

С середины 90-х гг. в США ведутся разработки миниатюрных летательных аппаратов - микроДПЛА (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 - МикроДПЛА (AeroVironment Inc., США)

МикроДПЛА представляют собой дистанционно пилотируемых устройства с габаритами не более 15 см, дальностью полета около 10 км, скоростью 10-20 м/с и временем полета до 1 ч.

В качестве полезной нагрузки используются миниатюрные цифровые камеры, датчики, специальные технические средства.

1.4 Боевые роботы

Боевой мобильный робот (или военный робот) - автоматическое устройство, заменяющее человека в боевых ситуациях для сохранения человеческой жизни или для работы в условиях несовместимых с возможностями человека в военных целях: разведка, боевые действия, разминирование и т.п.

Боевыми роботами являются не только автоматические устройства с антропоморфным действием, которые частично или полностью заменяют человека, но и действующие в воздушной и водной среде, не являющейся средой обитания человека (авиационные беспилотные с дистанционным управлением, подводные аппараты и надводные корабли). Устройство может быть электромеханическим, пневматическим, гидравлическим или комбинированным.

В настоящее время большинство боевых роботов являются устройствами телеприсутствия, и лишь немногие модели имеют возможность выполнять некоторые задачи автономно, без вмешательства оператора [11].

Существуют следующие виды боевых роботов:

- воздушные (БПЛА);

- мобильные робототехнические комплексы;

- морские (надводные или подводные).

В общем случае боевые БПЛА используются для ведения разведки, нанесения ударов по наземным целям, корректировки огня и т.д. Существуют следующие модели БПЛА: Ка-37; Ка-137; ПС-01 «Комар»; Шмель-1 - прототип беспилотного летательного аппарата Пчела-1Т; Пчела-1Т; ВР-2; ВР-3; Ту-123 «Ястреб» (ДБР-1) - cверхзвуковой дальний беспилотный разведчик; Ту-130; Ту-141 «Стриж»; Ту-143 «Рейс»; Ту-243 «Рейс-Д» - дозвуковой разведчик; Ту-300 «Коршун»; «Скат» - дозвуковой ударный; ZALA 421-08; Эльф-Д. Рассмотрим подробнее некоторые из боевых воздушных роботов.

БПЛА «Скат» (рис. 1.6) - разведывательный и ударный беспилотный летательный аппарат. Впервые был представлен на авиасалоне МАКС-2007 в качестве полноразмерного макета, предназначенного для отработки конструкторско-компоновочных решений.

Рисунок 1.6 - БПЛА «Скат»

Этот летательный аппарат выполняет ведение разведки, нанесение ударов по наземным целям авиабомбами и управляемыми ракетами Х-59, уничтожение радиолокационных систем ракетами Х-31.

ZALA 421-08 - сверхмалый беспилотный летательный аппарат. Этот робот предназначен для наблюдения, целеуказания, корректировки огня, оценки ущерба.

Весь комплекс состоит из системы управления и двух аппаратов. Полевая комплектация предусматривает компактный ручной электрогенератор для зарядки аккумуляторов. В качестве сменной полезной нагрузки в стандартном варианте на борту установлены две цветные камеры: одна смотрит вниз и вперёд, вторая поворотная по крену смотрит вниз-вбок.

Весь комплекс состоит из системы управления и двух аппаратов. Полевая комплектация предусматривает компактный ручной электрогенератор для зарядки аккумуляторов. В качестве сменной полезной нагрузки в стандартном варианте на борту установлены две цветные камеры: одна смотрит вниз и вперёд, вторая поворотная по крену смотрит вниз-вбок. В качестве дополнительных полезных нагрузок выступает тепловизор и фотокамера. Маршрут БПЛА можно изменять в реальном времени. Если оператора интересует какой-то объект более подробно, он просто нажимает пальцем на сенсорный экран ноутбука, и выбирает например фигуру «круг влево» и ZALA 421-08, закладывая левый вираж, начинает делать «воронку», непрерывно удерживая цель в объективе бортовой камеры. Запускается ZALA 421-08 с рук. Метод посадки - автоматически с парашютом.

Следующий вид боевых роботов, которые необходимо рассмотреть - это мобильные робототехнические комплексы. Ознакомимся более подробно с некоторыми из моделей современных боевых МРК.

МРК Guardium (рис. 1.7) - беспилотный военный автомобиль. Создан израильской фирмой G-NIUS, принадлежащей израильским оборонным компаниям «Эльбит Маарахот» и «Таасия Авирит». Предназначен для патрулирования, сопровождения автоколонн, ведения разведки и охраны. Guardium построен на базе четырехколесного багги, обеспечивающего повышенную проходимость на пересеченной местности. Поступил на вооружение Армии обороны Израиля в начале 2009 года.

МРК Swords (сокращение от Special Weapons Observation Reconnaissance Detection Systems) - специальная боевая система наблюдения и разведки.

Создан компанией Фостер-Миллер TALON Робот. По утверждению производителя робот предназначен для действий в городе, способен предолевать песок, воду и снег (до 30,48 м глубины), а также осуществлять подъем по лестнице.

Рисунок 1.7 - Беспилотный военный автомобиль Guardium

Он рассчитан на 8,5 часов работы от батарей в нормальном эксплуатационном режиме - ожидания до 7 суток. Контролируется оператором на расстоянии до 1000 метров. Он весит около 45,36 кг или 27,22 кг в версии для разведки.

Есть целый ряд различных видов оружия, которые могут быть размещены на SWORDS: винтовки M16, 5,56-мм SAW M249, 7,62 мм пулемет M240, винтовки Барретт M82.50, шестиствольный 40-мм гранатомет или четырехствольный 66 мм M202A1 FLASH.

1.5 Бытовые мобильные роботы

Изначально роботы появились в наших домах в виде роботов-игрушек. Одним из первых примеров удачной массовой промышленной реализации роботов-игрушек стала собачка AIBO корпорации Sony (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 - Робот-собака AIBO

Она имеет множество модификаций, первая модель была выпущена в 1999 году. AIBO умеет ходить, «видеть» окружающие его предметы с помощью видеокамеры и инфракрасных датчиков расстояния, распознавать команды и лица. Робот является полностью автономным: он может учиться и развиваться, основываясь на побуждениях своего хозяина, обстановки, или другого AIBO. Несмотря на это, он поддаётся настройкам с помощью специальных программ. Существует программное обеспечение имитирующее «взрослую собаку», которая сразу использует все свои функции и программное обеспечение имитирующее «щенка», который раскрывает свои возможности постепенно.

Однако сейчас самыми распространенными бытовыми роботами являются роботы-пылесосы. Существуют такие модели этих устройств - Roomba (производитель - iRobot), Trilobite (производитель - Electrolux), Karcher RC3000 (производитель - Karcher).

Roomba - роботизированный пылесос, разработанный и продаваемый iRobot (рис. 1.9). Устройство представляет собой диск 34 см в диаметре и менее 9 см в высоту. Большой контактный сенсор установлен в передней части устройства, с инфракрасным датчиком по центру в верхней передней части. Для работы Roomba использует внутренние аккумуляторы и нуждается в регулярной подзарядке от настенного модуля. Новые модели третьего поколения имеют возможность поиска зарядного устройства, связываясь с ним через инфракрасный датчик. Roomba имеет небольшую высоту. Он достаточно низкий, чтобы пройти под кроватью или другой мебелью. Если он поймет, что застрял, он перестанет двигаться, и начнет подавать звуковые сигналы, помогающие владельцу его обнаружить.

Рисунок 1.9 - Робот-пылесос Roomba

Другой класс устройств - сторожевые или охранные роботы. iRobot Corporation представила универсального домашнего робота-тележку iRobot-LE, управлять которым можно из любой точки мира через любой web-браузер.

Для этого робот оборудован всем необходимым: видеокамерой, микрофонами, движителем, позволяющим даже самостоятельно подниматься по стандартным лестницам, бортовым компьютером класса Pentium II, беспроводным доступом в Интернет, датчиками и сенсорами, предотвращающими столкновения и даже позволяющими почувствовать запах гари. В качестве бортовой операционной системы используется Linux.

2. ДАТЧИКИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1 Сенсорные системы

Сенсорные системы предназначены для получения информации о внешней среде и положении робота в ней. В отдельных системах роботов имеются также различные чувствительные устройства - датчики, необходимые для функционирования этих систем (например, датчики обратной связи в приводах, во вторичных источниках питания и т.п.) [12]. Эти устройства, ориентированные на внутренние параметры робота, не специфичны для него в целом и не относятся к сенсорным системам робота.

Но выявляемым свойствам и параметрам сенсорные системы можно разделить на следующие 3 группы:

– системы, дающие общую картину окружающей среды с последующим выделением отдельных объектов, значимых для выполнения роботом его функций;

– системы, определяющие различные физико-химические свойства внешней среды и ее объектов;

– системы, определяющие координаты местоположения робота и параметры его движения, включая его координаты относительно объектов внешней среды и усилия взаимодействия с ними.

К сенсорным системам первой группы относятся системы технического зрения и различного типа локаторы. Вторая группа сенсорных систем наиболее многообразна. Это измерители геометрических параметров, плотности, температуры, оптических свойств, химического состава и т.д. Третья группа сенсорных систем определяет параметры, относящиеся к самому роботу. Это измерители его географических координат в пространстве от спутниковых систем до использующих магнитное поле Земли, измерители угловых координат (гироскопы), измерители перемещения и скорости, в том числе и относительно отдельных объектов внешней среды вплоть до фиксации соприкосновения с ними.

В составе робота все эти сенсорные системы ориентированы на обслуживание двух исполнительных систем - передвижения и манипуляции.

Это определяет и основные требования к сенсорным системам - дальность действия, точность, быстродействие и т.д.

Сенсорные системы, используемые в системах передвижения робота, подразделяются на системы, обеспечивающие навигацию в пространстве и системы, обеспечивающие безопасность движения (предотвращение столкновений с препятствиями и опрокидываний на уклонах, попадания в недопустимые для робота внешние условия и т.п.).

Сенсорные системы, обслуживающие манипуляторы, тоже образуют две подгруппы: системы, входящие в контур управления движением манипулятора, и системы, очувствления его рабочего органа. В число последних систем часто входят размещенные у рабочего органа манипулятора системы технического зрения и измерители усилий.

Важным параметром сенсорных систем является дальность действия. По этому показателю сенсорные системы роботов можно разделить на контактные, ближнего, дальнего и сверхдальнего действия.

Контактные сенсорные системы применяются для очувствления рабочих органов манипуляторов и корпуса (бампера) мобильных роботов. Они позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды (тактильные сенсоры), измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия (силомоментные сенсоры), определять проскальзывание объектов при их удержании захватным устройством. Контактным сенсорным системам свойственна простота, но они накладывают существенные ограничения па динамику и прежде всего на быстродействие управления роботом.

Тактильные сенсоры помимо получения информации о контакте применяются и для определения размеров объектов (путем их ощупывания) [13]. Они реализуются с помощью концевых выключателей, герметизированных магнитоуправляемых контактов, на основе токопроводящей резины ("искусственная кожа") и т.д. Важным требованием, предъявляемым к этим устройствам, является высокая чувствительность (срабатывание при усилии в единицы и десятки грамм), малые габариты, высокая механическая прочность и надежность.

Сенсорные системы ближнего действия обеспечивают получение информации об объектах, расположенных в непосредственной близости от рабочего органа манипулятора или корпуса робота, т.е. на расстояниях, соизмеримых с их размерами. К таким системам относятся оптические локаторы, дальномеры, дистанционные измерители плотности грунта и т.п. Такие бесконтактные устройства технически сложнее контактных, но позволяют роботу выполнять задание с большей скоростью и заранее выдавать информацию о различных объектах до соприкосновения с ними.

Сенсорные системы дальнего действия служат для получения информации о внешней среде в объеме всей рабочей зоны манипуляторов роботов и окружающей среды мобильного робота.

Сенсорные системы сверхдальнего действия применяются главным образом в мобильных роботах. К ним относятся различные навигационные системы, локаторы и другие сенсорные системы соответствующей дальности действия. Эти устройства находят применение и в стационарных роботах при работе с подвижными объектами, чтобы заранее предвидеть их появление в рабочей зоне.

В бесконтактных сенсорных системах для получения требуемой информации используются излучаемые ими специальные сигналы (оптические, радиотехнические, ультразвуковые и т.д.) и естественные излучения среды и ее объектов. В зависимости от этого различают активные и пассивные сенсорные системы. Активные сенсорные системы имеют передатчик, излучающий первичный сигнал, и приемник, регистрирующий прошедший через среду прямой сигнал или вторичный сигнал, отраженный от объектов среды. Пассивные системы имеют, естественно, только приемное устройство, а роль излучателя играют сами объекты внешней среды. Поэтому пассивные сенсорные системы обычно технически проще и дешевле активных, но менее универсальны. Для некоторых применений важна также скрытность действия пассивных систем. Заметим, что все органы чувств человека являются пассивными. Однако у некоторых животных (летучие мыши, дельфины), поскольку подобные системы и, прежде всего, зрение не обеспечивают их необходимой информацией, существуют и активные сенсорные системы.

Наконец, сенсорные системы роботов можно разделить на системы с фиксированным направлением восприятия и с переменным (сканирующие).

В настоящее время для очувствления роботов наиболее широкое применение получили системы технического зрения, локационные, силомоментные и тактильные.

2.2 Датчики роботов и их интерфейсы

2.2.1 Датчики соударений и наклона

Как правило, датчик соударений представляет собой выключатель, подающий информацию логического типа. Выключатель может находиться в одном из двух положений - разомкнутом или замкнутом. Может показаться, что эту информацию легко преобразовать для использования в программе.

В физическом смысле датчики соударений представляют собой выключатели концевого типа, или кнопки [14].

Они используются в качестве бамперов мобильных роботов на колесах, а также для остановки вращения оси, пришедшей в положение соприкосновения с ограничительным упором.

На рисунке 2.1 представлены схемы интерфейса для датчиков такого типа.

Как правило, в состоянии покоя выключатель находится в разомкнутом положении, но это необязательно. Важным является то, что, когда датчик находится в состоянии покоя, в центр управления подается верхний уровень напряжения, определяемый нагрузочным резистором. Это необходимо по двум причинам. Первая заключается в потребляемом токе, так как предполагается использование датчика только в определенные моменты, а вторая - в том, что резистор зачастую устанавливается на плате управления, вблизи физических входов процессора.

Рисунок 2.1 - Интерфейс для датчика соударений

У этих датчиков имеется серьезный недостаток: контакт не замыкается сразу. Появляется эффект дребезга контакта, который может быть неправильно интерпретирован центром управления. Решение этой проблемы заключается во введении в программу достаточно длительной задержки, перекрывающей интервал времени дребезга контакта, между двумя интервалами времени чтения этих входов. Такое решение используется в программах, имеющих узел реального времени.

Датчики наклона предназначены для использования на пересеченной местности, но не просто найти модель, указывающую наклон с большой точностью до двух градусов наклона и более.

Положение датчика очень важно во избежание получения ложной информации. Малейшее ускорение робота вызывает срабатывание датчиков. Необходимо установить несколько датчиков для проверки истинности полученной информации и дождаться остановки робота для прочтения их значения.

Интерфейсы датчиков наклона идентичны интерфейсам, предназначенным для датчиков соударений.

2.2.2 Оптические датчики

Оптические датчики включают в себя фоторезисторы, фототранзисторы, фотодиоды, пироэлектрические датчики и видеокамеры. Выбор того или иного типа зависит от таких параметров, как длина волны оптического спектра излучения или скорость считывания показаний датчика. Длиной волны определяется цвет источника света, который может меняться от ультрафиолетового до инфракрасного, проходя через видимую область спектра. На рисунке 2.2 показаны области известных источников света.

Рисунок 2.2 - Длины волн оптического спектра излучений

Время срабатывания представляет собой важный фактор времени расчета для подтверждения информации. Фотодиоды и фототранзисторы являются самыми быстрыми, а фоторезисторы и видеокамеры - более медленными.

Эти датчики могут оснащаться как простыми электронными интерфейсами подобно датчикам соударений, так и сложными интерфейсами, необходимыми, например, для видеокамеры. Данные, получаемые от датчика, могут быть аналоговыми или цифровыми в зависимости от выбранного интерфейса. Для улучшения чувствительности при конкретном применении может понадобиться дополнительный источник света. Например, кодированное ИК-сообщение информирует робот-пылесос о местонахождении разъема для зарядки батареи.

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещенности, при уменьшении которой его сопротивление увеличивается. Очень просто изготовить интерфейс для данного компонента с аналоговым входом для подключения платы управления. Достаточно всего одного резистора в паре с фоторезистором. При помощи резистора мы создаем делитель напряжения, выходное значение которого зависит от освещенности (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 - Интерфейс для фоторезистора

Этот датчик очень чувствителен к видимому свету, соответственно, данная информация может быть очень полезна для управления роботом. Подобно человеку датчик должен быть способен различать градации света: темноту, затемненные зоны и изменения яркости света.

ИК-датчиками являются фототранзисторы или фотодиоды.

Фототранзистор и фотодиод обладают максимальным покрытием ИК-области спектра, но их также можно применять и в красной области спектра. Фотодиод имеет более быстрое время срабатывания, чем фототранзистор.

Фотодиоду отдают предпочтение, когда необходимо обнаружение кодированного сообщения, например, при приеме сигналов пультом дистанционного управления телевизора. Но для усиления принятого сигнала необходим интерфейс, и, соответственно, фотодиод не может подключаться непосредственно к плате управления.

Фототранзистор используется в качестве замены фоторезистора для обнаружения быстрых перепадов освещенности окружающего пространства. Как и фоторезистор, фототранзистор подключается непосредственно к плате управления при помощи простого интерфейса (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 - Интерфейс для фототранзисторов и фотодиодов

Фототранзисторы часто используются совместно с излучателем фотонов - источником света, например светодиодом (французское обозначение - Del, английское обозначение -Led). Эти совместно работающие компоненты называются оптопарой и в зависимости от ориентации могут образовывать датчик отражения или оптокоммутатар. Схема включения неизменна для обоих типов датчиков (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 - Интерфейс для датчика отражения и оптокоммутатора

Для сведения к минимуму влияния окружающего света на датчик используется ИК-модель светодиода. Светодиод настраивается на оптимальное значение светового излучения при помощи переменного резистора, которым регулируется количество излучаемых фотонов. Это позволяет избежать насыщения приемника, в результате которого приемник становится непригодным для использования. Сопротивление нагрузки фототранзистора зависит от модели. Оптимальное значение сопротивления подбирается опытным путем.

Датчик отражения используется для обнаружения градаций монохромного (черно-белого) цвета на плоской поверхности. Темная поверхность поглощает излученные фотоны, и транзистор остается в закрытом состоянии. Светлая поверхность отражает свет в направлении фототранзистора, в результате чего происходит его насыщение - транзистор переходит в другое, открытое, состояние.

Таким же образом возможно обнаружение и других цветов, например зеленого. Оптимальное расстояние обнаружения составляет порядка 5 мм. При изменении этого расстояния характеристики датчика заметно ухудшаются.

2.2.3 Детекторы приближения

Очень полезно уметь уклоняться от столкновения с неподвижным или мобильным препятствиями. Столкновение может привести к неожиданным последствиям. Итак, данное умение - очень ценное преимущество робота.