В статье рассмотрены управляемые роботами мобильные системы, оснащенные инерциальными сенсорами.
М. Луни
Роботизированные мобильные системы используются вместо человека в тех случаях, когда участие человека либо неэффективно, либо сопряжено с опасностью для его жизни. Такие системы снабжены навигаторами, обеспечивающими управление движением по заданной траектории. Ключевыми факторами, определяющими качество роботизированной системы при выполнении необходимых операций, являются точность позиционирования и управления движением. Для этого мобильные роботы должны содержать набор гироскопов, выполненных по MEMS-технологии, которые управляют исполнительными механизмами. Примером мобильного робота является система “Seekur system” (www.mobilerobots.com/re-searchrobots/seekurugv.aspx), рис. 1.
Рис. 1. Мобильный робот
Движение мобильного робота, как правило, начинается по команде центрального процессора, в памяти которого хранятся координаты траектории движения. Встроенная навигационная система поддерживает передвижение робота по заданной траектории с учетом особенностей движения, например, количества остановок, профиля траектории и т.п. Движение робота контролируется установленными в нем сенсорами, которые вырабатывают сигналы обратной связи, а встроенные контроллеры оценивают степень отклонения реальной траектории движения от запланированной.
Рис. 2. Структурная схема навигационной системы мобильного робота
На рис. 2 приведена типовая структурная схема навигационной системы мобильного робота. Отметим, что управление движением может носить интерактивный характер. Рассмотрим процесс управления движением мобильного робота на примере системы “Seekur system”, функциональная схема которой приведена на рис. 3.
Рис. 3. Функциональная схема навигационной системы мобильного робота “Seekur system”
Мобильный робот представляет собой четырехколесную тележку, каждое колесо которой имеет автономное управление (задание необходимой скорости и угла поворота). Это позволяет использовать подобную систему на складе, в госпитале, при поставке вооружения на военные позиции и т.п. Как уже отмечалось, сигнал рассогласования (сигнал отклонения реальной траектории движения от запланированной) вырабатывается системой инерциальных сенсоров. Этот сигнал поступает в исполнительный механизм (кинематическую вычислительную систему), который задает необходимую скорость или угол поворота для каждого из 4 колес мобильного робота.
Профиль движения каждого колеса вычисляется по уравнениям Аккермана с учетом минимизации трения скольжения, износа шин, расхода электроэнергии и т.п. Каждое колесо через приводной вал связано с коробкой передач и далее – с оптическим датчиком пройденного пути. Рулевое управление также связано с оптическим датчиком пройденного пути.
Навигационная система содержит фильтр Калмана, позволяющий привязать положение робота к цифровой карте на основе анализа данных, поступающих от множества сенсоров. Данные о текущей траектории движения снимаются с оптических сенсоров, которые следят за движением и углом поворота каждого колеса.
Рис. 4. Пример преобразования вращательного движения колес робота в линейное перемещение
На рис. 4 показано, как преобразовать вращательное движение колеса в линейную траекторию движения. Однако определение траектории таким способом не свободно от недостатков, т.к. зависит от геометрии шины, от типа поверхности, по которой движется робот, и формы этой поверхности. Все это приводит к потере точности при измерении траектории движения. Робот “Seekur system” содержит множество сенсоров. В нем имеется лазерный сканер с углом поворота 270°. Сканер позволяет установить форму объекта на пути робота, его размеры и расстояние до него, как показано на рис. 5.
Рис. 5. Применение лазерного сканирования для определения положения мобильного робота
Наличие такого сканера в составе робота позволяет с высокой степенью точности управлять движением робота по заданной траектории. Кроме того, мобильный робот “Seekur system” имеет встроенную GPS-систему, позволяющую измерять его положение относитьельно цифровой карты, которая хранится в памяти навигационной системы робота, рис. 6. Точность определения положения мобильного робота с помощью GPS-системы находится в пределах 1 м. Однако в случае движения робота в туннеле или в здании такая система определения координат практически не работает.
Рис. 6. Применение GPS-навигатора в мобильном роботе
Используемые в мобильном роботе MEMS-сенсоры позволяют непосредственно измерить скорость его поворота относительно вертикальной оси. Точность данного метода измерения не зависит от геометрии шин, формы поверхности и т.п.
Однако ограничивающими факторами являются уровень помех и шумов, чувствительность сенсоров и стабильность их параметров. Кроме того, важным параметром, влияющим на точность измерения положения робота, является погрешность смещения MEMS-сенсоров. Погрешность смещения может быть уменьшена не менее чем на порядок за счет усреднения результатов. В нашем случае – от 0.22 до 0.012 °/с, если в качестве инерциального сенсора используется ИМС ADIS16265.
ВЫВОДЫ
1. Использование в мобильных роботах MEMS-сенсоров наряду с лазерными сканерами и GPS-навигаторами позволяет повысить точность измерения траектории движения.
2. В новом поколении мобильных роботов вместо MEMS-гироскопов будут применяться интегрированные инерциальные системы, имеющие шесть степеней свободы.
Лайкнути
Твітнути