Продвинутый алгоритм движения по линии. Описание движения мобильного робота

15.01.2012, 18:51

До сих пор в статьях о алгоритмах, использующихся при движении вдоль линии, рассматривался такой способ, когда датчик освещенности как бы следил за левой или правой ее границей: чуть робот съедет на белую часть поля - регулятор возвращал робота на границу, начнет датчик перемещаться вглубь черной линии - регулятор выправлял его обратно.
Не смотря на то, что картинка выше приведена для релейного регулятора, общий принцип движения пропорционального (П-регулятора) будет такой-же. Как уже говорилось, средняя скорость такого перемещения не очень высокая и было сделано несколько попыток увеличить ее за счет незначительного усложнения алгоритма: в одном случае использовалось "мягкое" торможение, в другом, помимо поворотов, вводилось движение вперед.
Для того, чтобы позволить роботу на некоторых участках двигаться вперед, в диапазоне значений выдаваемых датчиком освещенности выделялся узкий участок, который условно можно было назвать "датчик находится на границе линии".
У данного подхода есть небольшой недостаток - если робот "следит" за левой границей линии, то на правых поворотах он как бы не сразу определяет искривления траектории и, как следствие, тратит большее время на поиск линии и поворот. Причем, можно с уверенностью сказать, что чем, круче поворот, тем дольше по времени происходит этот поиск.
На следующем рисунке видно, что если бы датчик находился не с левой стороны от границы, а с правой, то он уже обнаружил искривление траектории и начал бы совершать маневры по повороту.

Поэтому хорошей идеей является оснастить робота сразу двумя датчиками, которые располагались по разные стороны от линии и, соответственно, помогали бы роботу более оперативно реагировать на изменение направления движения.
Теперь необходимо определить, как такое изменение конструкции скажется на программе. Для простоты опять следует начать с простейшего релейного регулятора и поэтому, в первую очередь, интересуют возможные положения датчиков относительно линии:

На самом деле, можно выделить еще одно допустимое состояние - на сложных трассах это будет пересечение перекрестка или какого-то утолщения на пути.
Другие положения датчиков рассматриваться не будут, потому что либо являются производными от показанных выше, либо это такие положения робота, когда он сошел с линии и уже не сможет вернуть себя на нее используя информацию с датчиков. В итоге, все перечисленные положения можно свести к следующей классификации:

• левый датчик, также как и правый - над светлой поверхностью
• левый датчик над светлой поверхностью, правый датчик над темной
• левый датчик над темной поверхностью, правый датчик над светлой
• оба датчика находятся над темной поверхностью

Если в определенный момент времени программа на роботе обнаруживает одно и из этих положений, она должна будет среагировать соответствующим образом:

Если оба датчика над белой поверхностью, то это нормальная ситуация, в которой линия находится между датчиками, поэтому робот должен ехать прямо.Если левый датчик еще над светлой поверхностью, а правый датчик уже над темной, значит, робот заехал своей правой частью на линию, а значить ему нужно поворачивать направо, чтобы линия опять оказалась между датчиками.Если левый датчик оказался над темной поверхностью, а правый еще над светлой, то для выравнивания роботу нужно поворачивать налево.Если оба датчика над темной поверхностью, то в общем случае, робот опять продолжает двигаться прямо.

На схеме выше сразу же показано, как конкретно в программе должно меняться поведение моторов.Теперь, написание программы не должно составить большого труда.Начать стоит с того, чтобы выбрать какой датчик будет опрашиваться первым. Это не имеет большого значения, поэтому пусть будет левый. Необходимо определить, над светлой или над темной он поверхностью:
Это действие еще не позволяет сказать в какую сторону роботу надо ехать. Но оно разделит состояния, перечисленные выше, на две группы: (I, II) для верхней ветви и (III, IV) для нижней. В каждой из групп теперь по два состояния, поэтому необходимо выбрать какое-то из них. Если внимательно посмотреть на первые два состояния I и II, то они отличаются положением правого датчика - в одном случае он над светлой поверхностью, в другом - над темной. Именно это и определит выбор, какое действие предпринять:
Теперь можно вставить блоки, определяющие поведение моторов согласно таблицам выше: верхняя ветвь вложенного условия определяет комбинацию "оба датчика на светлом", верхняя - "левый на светлом, правый на темном":
Нижняя ветка основного условия отвечает за другую группу состояний III и IV. Эти два состояния также отличаются друг от друга уровнем освещенности, который улавливает правый датчик. Значит, он будет определять выбор каждого из них:
Получившиеся две ветви наполняются блоками движения. Верхняя ветвь отвечает за за состояние "левый на темном, правый на светлом", а нижняя - за "оба датчика на темном".
Следует отметить, что данная конструкция всего лишь определяет, как включить моторы в зависимости от показаний сенсоров в определенном месте поля, естественно через мгновение программа должна проверить не изменились ли показания, чтобы соответствующим образом подправить поведение моторов, а через мгновение еще раз, еще и т.д. Поэтому она должна быть помещена в цикл, который будет обеспечивать такую повторяющуюся проверку:

Такая довольно простая программа будет обеспечивать довольно высокую скорость передвижения робота вдоль линии без вылета за ее пределы, если правильным образом настроить максимальную скорость при движении в состояниях I и IV, а также задать оптимальный способ торможения в состояниях II и III - чем круче повороты на трассе, тем "жестче" должно быть торможение - скорость должна сбрасываться быстрее, и наоборот - при плавных поворотах вполне можно применять торможение через выключение энергии или даже вообще через незначительный сброс скорости.

По размещению датчиков на роботе тоже следует сказать несколько отдельных слов. Очевидно, что по расположению этих двух датчиков относительно колес будут действовать те же самые рекомендации, что и для одного датчика, только за вершину треугольника при этом берется середина отрезка соединяющий два датчика. Само же расстояние между датчика тоже должно выбираться из характеристик трассы: чем ближе датчики будут расположены друг к другу, тем чаще робот будет выравниваться (выполнять относительно медленные развороты), но если разнести датчики достаточно широко, то есть риск вылета с трассы, поэтому придется выполнять более "жесткие" повороты и уменьшать скорость передвижения на прямых участках.

9 самых жутких пыток древнего мира

Что форма носа может сказать о вашей личности?

20 Признаков что вы нашли идеального парня

Танцевать как робот – это танцевать в стиле поппинг. В основе танца техника быстрого сокращения мышц и расслабления. Поэтому во время танца создается эффект будто танцор резко вздрагивает. Подобные вздрагивания в сочетании с различными позами и движениями выполняются непрерывно под ритм музыки. Танцоры изображают движения ожившего манекена или робота.

Инструкция

1. Если вы таки решили научиться данному танцу, то следует прислушаться к следующим рекомендациям. Для занятий нужно подобрать музыку. Она должна быть ритмичной, около 100-120 ударов в минуту. Важно чувствовать ритм музыки, соблюдать музыкальность. Обучитесь делать сильное сокращение мышц, это можете телу как бы вибрировать и трястись. Такие движений являются характерной особенностью этого вида уличного танца. В танце эти «вздрагивания» выполняются непрерывно, комбинируются с разными движениями и позами.
2. Помните, что основой этого стиля является удар. Отрабатывайте его грудной клеткой, шеей, руками, ногами в различных вариациях. Выучите 10 базовых элементов и 4-5 типичных связок. Потом до идеала доведите технику исполнения фиксации. Постарайтесь скопировать движения робота, совершайте небольшие остановки в конце каждого сделанного движения, это позволит подчеркнуть резкость следующего элемента.
3. В движениях много жестикуляций, углов, вам следует их освоить. Учтите, что практически все движения в танце робота делаются стоя, однако есть элементы, которые осуществляются с опусканием на колени и лежа.
4. Движения кистями рук и самими руками должны выполняться очень резко. Руки могут быстро и энергично описывать круги, словно кисть рубит воздух, подобные элементы придадут танцу решительность, собранность и силу. Можете делать указывания пальцем. Можно выполнять элементы, создающие иллюзию, словно вы скользите или плывете по полу в различных направлениях. «Пускание» волн по рукам и корпусу. Научитесь скользить ногами по полу, как бы создавая эффект скольжения по воздуху, используя перекатывание стопы с носка на пятку.
5. Все движения необходимо повторять через одинаковые промежутки времени, так у танцора получится создать эффект, что он движется будто под светом стробоскопа.
6. Экспериментируйте, используя уже выученные элементы. Используйте движения и элементы из других направлений, создайте свой стиль, совершенствуйте технику. Чем более непредсказуемый танец, чем разнообразнее движения, тем интереснее зрителю за ним наблюдать.
7. Смотрите видео уроки, представленные в конце статьи, чтобы лучше понять особенности этого танца и научиться его движениям.

Обратите внимание

Этот танце появился в семидесятых годах двадцатого века. Его продолжительное время танцевали под музыку: электро, фанк и диско. Родиной поппинга является Калифорния. Сейчас движения этого стиля подстраивают под современные мелодии и песни. Частенько его танцуют под новинки электронной музыки и хип-хоп. Он очень популярен среди молодежи. Его элементы встречаются в клипах и фильмах. Даже проводятся соревнования по этому виду танца.

Видео уроки

Одна из ключевых задач мобильной робототехники – это поиск маршрута для движения и его оптимизация. Перемещаясь в рабочей местности, робот должен постоянно оценивать окружающую обстановку, определять свое положение и положение окружающих его объектов. Существует множество различных способов, с помощью которых робот может определять собственное положение и строить маршрут между точками назначения. При перемещениях на улице применяется технология спутниковой навигации, а окружающие объекты обнаруживаются с помощью камер или дальномеров. В случае перемещения внутри помещений с помощью камер и дальномеров строится виртуальная модель пространства, по которой робот ориентируется в дальнейшем. Вышеописанные методы имеют общий характер и применимы в произвольных ситуациях, но из-за этого они очень сложны в реализации и еще не применяются широко в повседневной жизни.

Как правило, автономные робототехнические системы проектируются под конкретные задачи. Такой подход позволяет формализовать требования к системе и разработать все возможные алгоритмы реакции на изменение состояния окружающей обстановки.

Например, одной из достаточно жестко формализованных задач может быть перемещение объектов внутри производственного помещения. Как правило, при перевозке грузов на складах или в производственных цехах роботы преодолевают один и тот же маршрут постоянно. Соответственно данный маршрут заранее известен и для него можно разработать систему управления движением робота.

Ранее цеховые транспортные средства представляли собой тележки, перемещающиеся по рельсам. С ростом науки и техники на смену им пришли робокары – мобильные роботы разных типов и для различных задач, а рельсы, проложенные вдоль цеха, заменила паутина направляющих линий, начерченных на полу.

Мобильные роботы, передвигающиеся в цехах вдоль линии, подобно роботам из предыдущих лабораторных работ оснащаются различными сенсорными устройствами для восприятия окружающей обстановки: ИК-датчиками, камерами, датчиками безопасности и т.п. Но в отличие от рассматриваемых ранее роботов, реальные роботы работают отнюдь не в лабораторных условиях – зачастую направляющая линия может быть повреждена или скрыта за каким-либо объектом, некоторые маршруты могут пересекаться или вовсе прерываться частично.

На реальный маршрут могут накладываться различные ограничения, например: некоторые участки маршрута могут быть запрещены для движения, а некоторые могут быть достигнуты только после проезда через другие.

Становится очевидным, что методы движения вдоль линии, представляющей собой замкнутую траекторию, не совсем приемлемы в подобном случае. С примерами различных алгоритмов движения вдоль линии можно ознакомиться в предыдущих работах, но сразу же можно сделать вывод о том, что ни один из них не учитывает прерывистости траектории движения или наличия на ней пересечений.

Если в процессе движения управляющая программа мобильного робота окажется не в состоянии определить наличие пересечения направляющих линий, это может привести к неоднозначности принятия решения.

При переезде пересечения линий система управления мобильного робота получит данные, свидетельствующие о том, что направляющая линия находится одновременно и справа и слева относительно робота. Соответственно процесс принятия решения о последующих маневрах будет нарушен.

Для того распознавания пересечений направляющих линий может применяться множество различных способов, например в подобных целях достаточно часто применяются камеры. Но обработка изображений требует большой производительности бортового компьютера робота, поэтому такие решения не всегда применимы. В данной работе рассматривается способ управления мобильным роботом с помощью информации, поступающей от массива ИК-датчиков. С помощью массива из семи датчиков S1-S7 становится возможным определить местоположение пересечений линий. Поскольку вариантов наиболее вероятных пересечений достаточно много, следует настраивать управляющую программу робота на максимально возможное количество допустимых вариантов, определенных на основании показаний ИК-датчиков.

Выполнение маневров вблизи перекрестков

В процессе движении вдоль маршрута, представляющего собой пересекающуюся линию, помимо отслеживания линии необходимо осуществлять выбор направления движения на каждом из перекрестков. Прохождение правильной последовательности перекрестков дает возможность проехать заданный маршрут верным образом.

В рамках данной работы предлагается разработать программу следования вдоль заданного маршрута. В качестве примера рассмотрим базовый маршрут, приведенный на рисунке. Чтобы разработать программу для движения вдоль данного маршрута на нем необходимо выделить особые точки, являющиеся пересечениями маршрута или его разрывами. Для того чтобы робот доехал до финиша, он должен следовать вдоль линии и пройти четыре указанные точки.

Движение по заданному маршруту определяется алгоритмической последовательностью, которая задает один из маневров в каждой из ключевых точек. В частности, в приведенном примере на первом пересечении маршрута робот продолжает движение в прямом направлении, на втором поворачивает налево, а на третьем – направо и следует до финишной черты.

Аналогичным образом можно разработать программу движения робота вдоль любого из более сложных маршрутов. Для этого всего лишь необходимо задать последовательность движения робота через пересечения маршрута.

Управляющая программа сводится к поочередному поиску каждой из точек заданной последовательности. Каждая из точек описывается собственной функцией, с помощью которой она распознается, а также скоростью прохождения данного участка, которая определяется на стадии инициализации программы.

Текст программы представляет собой последовательность поочередных вызовов функций, задающих требуемое движение. Для того чтобы варьировать направление движения робота вдоль линии, необходимо всего лишь поменять очередность вызова функций.

Вышеуказанные функции можно разделить на два основных типа:

1) Функции, осуществляющие поворот робота на Т-образных и Г-образных перекрестках.

2) Функции, с помощью которых робот движется до ближайшего перекрестка без каких-либо действий.

В первом случае функция состоит из двух отдельных операций – вызова функции движения вперед и вызова функции поворота в заданном направлении.

Функция l_node_l_turn предназначена для осуществления поворота налево на ближайшем левом пересечении. Функция состоит из двух других функций: l_node_forward отвечающей за движение до ближайшего Г-образного перекрестка с поворотом налево, и pivot_left, за сам отвечающей за поворот налево.

Функция l_node_forward в бесконечном цикле ищет точку пересечения траекторий с помощью функции l_node_detect. Во время поиска робот постоянно следует линии с помощью функции follow_line. После обнаружения точки пересечения маршрутов робот совершает кратковременный рывок вперед, ограниченный временем таймера, для того чтобы слегка сместиться для дальнейшего поворота налево. Данное перемещение крайне важно, для того чтобы после маневра робот оказался по центру направляющей линии. Особое внимание следует уделить процессу распознавания точек пересечения маршрута. Очевидно, что в процессе движения робота по маршруту могут возникнуть различные ситуации, но большинство из них можно описать формальными признаками, например по срабатыванию ИК-датчиков.

Рассмотрим процесс движения робота через участок маршрута с левым поворотом. Очевидно, что в процессе движения робота часть ИК-датчиков попадет на черную линию и возникнет одна из ситуаций, проиллюстрированных ниже.

На рисунке черным цветом отмечены ИК-датчики, расположенные над черной линией, в свою очередь белым цветом – расположенные над белым участком поверхности. В процессе движения робота можно опросить каждый из датчиков и с помощью перебора вариантов определить текущее положение робота.

В приведенной выше функции описывается процесс распознавания левого Г-образного поворота. Согласно приведенному алгоритму под подобной точкой маршрута понимается участок траектории, на котором срабатывают ИК-датчики № 1, № 2, № 3.

Подобным образом можно распознать любой участок маршрута. На первый взгляд это может показаться достаточно простой задачей, но стоит уделять повышенное внимание точности распознавания текущего положения. На точность работы программы могут влиять качество рабочей поверхности, скорость движения робота. Для повышения точности работы программы в функции l_node_detect реализован механизм защиты от ложных срабатываний. Одно и то же условие проверяется дважды после программируемой задержки.

Меры повышения точности работы управляющей программы крайне важны при разработке системы управления. Пренебрежение ими может привести к некорректной работе алгоритма и всей робототехнической системы в целом.

Выполнение сложных маневров

В реальных ситуациях мобильные роботы перемещаются не только по прямолинейным участкам маршрута, но и по криволинейным траекториям, а также выполняют различные маневры.

Чем больше система управления содержит в себе описаний подобных маневров, тем более сложные маршруты может преодолевать робот. Например, на подобии того маршрута, что приведен ниже на рисунке.

В целом программа управления идентична программе, рассматриваемой в предыдущей части. Также как и для любой другой программы задается последовательность прохождения узлов траектории.

По сравнению с предыдущей частью работы добавились два новых типа движений – движение по дуге окружности и движение по диагонали, причем каждое из этих движений различается по направлениям.

Каждая из этих функций состоит из функции следования маршруту - diag_corner_forward, I_curve_branch_forward и функции поворота в требуемом направлении – pivot_left, pivot_right. Контроль за движением робота вдоль линии под углом осуществляется с помощью ИК-датчиков № 1 и № 7, которые задают положение робота над линией. Если же робот оказывается над линией, то запускается функция follow_line, с помощью которой робот отслеживает собственное положение относительно линии и центрируется на ней с помощью ИК-датчика № 4.

Следование линии нацелено в первую очередь на движение вдоль нее с ориентацией центра робота над линией. Поскольку центр робота совпадает с ИК-датчиком № 4, функция follow_line стремится минимизировать отклонения ИК-датчиков № 3 и № 5 относительно линии.

Суть данного процесса сводится к выполнению ряда условий:

1) Если ИК-датчик № 4 находится над линией, то робот едет прямолинейно с максимальной скоростью.

2) Если один из ИК-датчиков № 3 или № 5 обнаружил линию, то робот поворачивается в противоположном направлении с минимальной скоростью.

Во время следования линии изменяется, в зависимости от положения робота, скорость его маневрирования. Это сделано из-за того, что в некоторых ситуациях необходимы плавные движения робота, чтобы он не съехал с линии, например при маневрировании между датчиками № 3 и № 5.

В случае же если робот отклонился от линии достаточно сильно, необходимо скорректировать его положение максимально быстро, поэтому скорость его движения увеличивается.

За изменение скорости движения робота отвечает функция change_speed, которая задает скорость вращения приводов в процентном соотношении от значения максимальной скорости.

Помните, что соблюдение скоростного режима – одно из важнейших условий, влияющих на движение робота по заданному маршруту. Одно из важнейших требований к алгоритму управления мобильным роботом – соблюдение оптимальной скорости для данного участка маршрута.

Соблюдение скоростного режима – это не просто требование безопасности движения, это в первую очередь требование, позволяющее минимизировать ошибки работы управляющей программы робота. Стоит помнить, что скорость движения робота существенным образом влияет на качество распознавания узловых точек маршрута и ориентацию самого робота относительно направляющей линии.

Основная цель разработчика робототехнических систем – это обеспечение качественной и безотказной работы в процессе функционирования. Ради этого можно пожертвовать многим – производительностью, ресурсоемкостью и т.п., в том числе и быстродействием.

Заключение

Данная лабораторная работа наиболее важная среди работ, рассмотренных ранее. Это обусловлено не только сложностью преподносимого материала, но и затронутыми важными проблемами, такими как обеспечение точности и качества работы робототехнических систем.

Цель данной работы продемонстрировать, что не только внешние факторы влияют на качество работы того или иного робота. Существенное влияние на процесс выполнения поставленной задачи может оказывать сам робот, функционирующий на основании программы управления.

Рассмотренные в обеих частях программы наглядно демонстрируют влияние скорости движения на качество прохождения заданной траектории. Для закрепления результатов работы можно исследовать движение робота по приведенному ниже маршруту, сочетающему в себе все возможные маневры, рассмотренные ранее.

Помимо сложности маршрута и скорости движения на функционирование робота существенное влияние оказывает качество поверхности, по которой осуществляется движение. Вполне возможна ситуация, что линия, вдоль которой должен передвигаться робот, может оказаться поврежденной или даже закрашенной.

Разработчик робототехнической системы должен предусмотреть все возможные варианты применения своего проектного решения. Чем больше всевозможных влияющих факторов будет учтено на стадии проектирования, тем точнее и качественнее будет функционировать робот.

Лабораторное занятие № 1 "Программирование

микроконтроллера NXT Brick"

Введение

Робототехника - динамично развивающаяся отрасль как с точки зрения прикладного использования так и в научных исследованиях. Появившийся в последние годы новый вид товара - робототехнические комплекты позволяют реализовать проекты роботов с различной функциональностью, провести тестирование задуманного, использоваться в обучении.

Одним из наиболее популярных робототехнических комплектов в мире является LEGO Mindstorms NXT. Разработанный совместно с сотрудниками Масачусетского технологического института он представляет собой большой набор конструктивных деталей (более 600 шт), 3 сервопривода, набор датчиков и микрокомпьютер NXT Brick. Комплект является базовым при проведении многих робототехнических мероприятий в мире, в том числе соревнований WRO (World Robotic Olympiad). С комплектом поставляется среда визуального программирования NXT-G, созданная компанией National Instruments на основе своего продукта LabView.

Таким образом, комплект NXT представляет собой прекрасный полигон для реализации на его основе комплекса лабораторных работ при изучении робототехники.

Цель занятия

Познакомиться с основными возможностями робототехнического микрокомпьютера NXT Brick, его блоками управления, системой меню, познакомиться со средой визуального программирования NXT-G, произвести программирование базовых функций: вывод на экран, воспроизведение звуков.

Задание

Изучить органы управления NXT Brick Изучить систему меню NXT Brick

Изучить назначение портов NXT Brick

Запустить среду программирования NXT-G

Познакомиться с базовой палитрой инструментов NXT-G

Познакомиться с расширенной палитрой инструментов NXT-G Написать следующие программы:

• издает одиночный звуковой фрагмент из файла

  издает одиночный звук определенной тональности

• издает однократно серию звуков из файлов

  издает однократно серию звуков различной тональности (программируем мелодию)

  издает непрерывно серию звуков различной тональности (блок "Цикл")

  выводит на экран изображение из файла

  выводит на экран текст в одной строке

  выводит на экран текст в трех строках Подготовить отчет со скриншотами написанных программ.

Ход выполнения работы

Внешний вид микрокомпьютера NXT Brick приведен на рис. 1. Питание осуществляется от 6 батарей формата AA. Блок оснащен ЖК дисплеем с возможностью отображения текста и графики. Для перемещения по разделам меню служат клавиши на лицевой панели: оранжевая OK, темно серая - Отмена. Блок может воспроизводить звуки как из заранее записанных файлов, так и различной тональности. Подключение к компьютеру осуществляется по интерфейсу USB. Есть модуль связи Bluetooth, что позволяет как управлять блоком с компьютера, так и связывать блоки друг с другом. NXT Brick имеет три порта для приводов помеченных буквами A, B и C (для движения обычно используются B и C, A - для манипулятора), четыре порта для датчиков, помеченных цифрами.

Рис. 1. NXT Brick

Для программирования NXT Brick может использоваться среда визуального программирования NXT-G. Внешний вид среды со стандартной палитрой инструментов приведен на рис. 2. Здесь программа строится из блоков, размещаемых на балках LEGO. Допустимо использовать циклы, условные переходы, взаимодействовать с датчиками, приводами, управлять приемопередатчиком Bluetooth, осуществлять вывод на экран и воспроизводить звуки.

Рис. 2. Интерфейс визуальной среды программирования NXT-G

Для включения нового блока в программу его необходимо "перетащить" мышкой с панели инструментов на балку LEGO. Порядок следования элементов будет определять порядок выполнения программы.

каждого блока есть набор параметров, которые определяют его "поведение". Так, например у блока "Движение" можно выбрать направление движения, его продолжительность, мощность, подаваемую на двигатели.

Студенты должны выполнить пункты задания на лабораторную работу и поготовить отчет.

Лабораторное занятие № 2 "Основные приемы управления движением мобильного робота"

Цель занятия

Освоить практические навыки построения мобильного робота, освоить практические навыки программирования различных видов движения мобильного робота.

Задание

На основе предложенной схемы собрать конструкцию мобильного робота Написать следующие программы:

• Прямолинейное движение вперед на расстояние 1 метр

  Движение по "квадрату"

  Движение по "окружности"

  Движение по "восьмерке"

Ход выполнения работы

Собрать конструкцию мобильного робота. Окончательный вид конструкции представлен на рисунке 3. Эта конструкция - типичная компоновка для мобильных роботов. Два ведущих колеса привода обеспечивают движение, поворотное колесо делает возможным повороты. Поворот робота осуществляется подачей разных мощностей на правый и левый двигатели.

Рис. 3. Тележка мобильного робота с поворотным колесом

При сборке особое внимание необходимо уделить такому понятию как "развесовка". Дело в том, что основную нагрузку в такой тележке должна нести ось ведущий колес. Самым тяжелым элементом конструкции является NXT Brick. Если на поворотное колесо будет приходится слишком большой вес конструкция будет плохо поворачиваться.

Рис. 4. Вид снизу. Способ крепления двигателей

Двигатели в данной тележке крепятся к днищу микрокомпьютера посредством прямых балок (рис. 4).

Особое внимание следует уделить конструкции поворотного колеса (рис. 5). Оно должно свободно поворачиваться как вокруг своей оси, так и вокруг оси крепления. При том конструкция должна быть достаточно прочной. Рис. 5. Конструкция поворотного колеса

После сборки мобильного робота необходимо выполнить все пункты задания и подготовить отчет.

Лабораторное занятие № 3 "Изучение сенсорных датчиков Mindstroms NXT"

Цель занятия

Познакомиться с сенсорами комплекта NXT, освоить способы их подключения, диагностики, освоить практические навыки программирования робота с использованием сенсоров.

Задание

Оснастить робота бампером на основе датчиков касания Написать следующие программы:

• Прямолинейное движение вперед до момента столкновения со стеной, после этого отъезд назад, случайный поворот направо или налево, продолжение движения

Дооснастить робота датчиком расстояния Написать следующие программы:

• Прамолинейное движение вперед либо до момента столкновения с препятствием, либо когда до препятствия осталось менее 20 см, после этого отъезд назад, случайный поворот направо или налево, продолжение движения

Подготовить отчет со скриншотами написанных программ

Комплект LEGO Mindstorms NXT поставляется со следующим набором датчиков: два датчика касания, ультразвуковой датчик расстояния и цветовой датчик. Все они имеют стандартный вид крепления.

Рис. 6. Датчик касания NXT

Датчик касания NXT фактически представляет собой кнопку. Мы можем отслеживать три состояния: "нажата", "отпущена", "нажата и отпущена". В зависимости от логики работы программы необходимо анализировать одно из этих трех расстояний. С помощью датчика касания можно решать например такие задачи, как детектор столкновений, два датчика могут помочь определить размер объекта и т.д.

Рис. 7. "Заготовка" для бампера

Рис. 8. Бампер

Из кривых балок LEGO соберите собственно сам бампер. Смонтируйте его на мобильном роботе.

Рис. 9. Мобильный робот с бампером

Напишите программу для робота с бампером согласно заданию на лабораторную работу.

Рис. 10. Ультразвуковой датчик расстояния

Датчик расстояния NXT использует ультразвуковой метод определения расстояния до объекта. Имеет излучатель и микрофон. Эффективно работает на расстоянии в пределах от 10 до 100 см до объекта.

Рис. 11. Мобильный робот с бампером и ультразвуковым датчиком расстояния.

Дополните конструкцию робота ультразвуковым датчиком расстояния и напишите программу согласно заданию на лабораторную работу.

По итогам работы необходимо оформить отчет.

Лабораторное занятие № 4 "Движение мобильного робота по черной линии"

Цель занятия

Познакомиться с световым и цветовым сенсором комплекта NXT, освоить базовые алгоритмы движения по черной линии.

Задание

На основе предложенной схемы собрать конструкцию мобильного робота (2 варианта: робот на гусеничной платформе, робот на колесной платформе с поворотным колесом)

Оснастить робота цветовым датчиком Написать следующие программы:

• Движение вдоль черной линии используя "классический алгоритм"

  Движение вдоль черной линии используя П-регулятор

  Движение вдоль черной линии используя ПИ-регулятор

  Движение вдоль черной линии используя ПИД-регулятор Подготовить отчет со скриншотами написанных программ

Ход выполнения работы

Для выполнения данной работы понадобится цветовой датчик NXT. Цветовой датчик может работать в двух режимах: датчик цвета и датчик света. Для решения задачи движения по линии больше подходит режим светового датчика. В этом случае значение находится в пределах от 0 до 255 и соответствует яркости отраженного света от освещаемого объекта. Для движения по черной линии целесообразно освещать ее красным светодиодом.

Рис. 12. Цветовой сенсор NXT.

Удалите с мобильного робота датчик расстояния и бампер и оснастите его датчиком освещенности. Расположение сенсора - по осевой линии робота, чуть впереди оси колес.

"Классическая" программа движения робота по черной линии приведена на рис. 13.

Реализуйте ее.

Рис. 13. Простейший "классический" алгоритм движения по черной линии.

Модифицируйте программу для движения по линии с П-регулятором, ПИ-регулятором и ПИД-регулятором.

По окончании работы подготовьте отчет.

Библиографический список

Основы мехатроники: монография / Ю. М. Осипов [и др.] Федеральное агентство по образованию, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. - Томск: ТУСУР, 2007. - 162 с.(90 экз. в библиотеке ТУСУР)

Юревич Е. И., Игнатова Е. И. Основные принципы мехатроники. Мехатроника, Автоматизация, Управление, №3, 2006.(5 экз. в библиотеке ТУСУР)

Юревич Е.И. Основы робототехники. Учеб.пособие. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005.

М. Шахинпур. Курс робототехники. Пер. с англ. – м.: Мир, 1990.

Мобильный робот перемещается для решения тех или иных задач, получает данные с внешних датчиков, и должен постоянно , чтобы управлять своим движением. Все эти процессы происходят непрерывно и тесно взаимосвязаны друг с другом. Сегодня речь пойдет об основных конфигурациях колесных роботов и том, как математически описываются их перемещения. Этот материал поможет выбрать колесную конфигурацию для своего мобильного робота.

Мобильные роботы могут перемещаться в различных средах: в водной, воздушной, по земле, в космосе. И движение в каждой среде имеет свои особенности, связанные с их различными физическими свойствами.

В этой публикации я рассмотрю колесных роботов, которые способны перемещаться по достаточно плоским поверхностям.

При разработке системы перемещения робота необходимо учитывать следующие моменты:

• скорость или ускорение движения
• точность позиционирования (повторяемость)
• гибкость и робастность (надежность) при различных условиях
• эффективность (низкое энергопотребление)

Система координат

Для того чтобы математически описать движение мобильного робота нам потребуется определить системы координат. Я введу две системы координат — мировую систему координат W (буду считать что он неподвижна в пространстве), и система координат робота R , которая перемещается в пространстве и остается неподвижной относительно самого робота.

Нам необходимо определить местоположение робота, то есть мы хотим знать, как преобразовывать координаты между W и R .

Степени свободы движения

Число степеней свободы определяет минимальное количество независимых переменных (обобщённых координат), необходимых для полного описания движения механической системы.

Твердое тело, которое перемещается и вращается двигаясь по одномерному пути имеет одну степень свободы — поступательную. В качестве примера можно привезти поезд, движущийся по рельсам.

Твердое тело, которое перемещается и вращается на плоскости имеет 3 степени свободы: 2 поступательных и 1 вращательную. Пример: наземный робот.

Твердое тело, которое перемещается и вращается в 3D-объеме имеет 6 степеней свободы: 3 поступательных и 3 вращательных. Пример: летающий робот.

Особый случай — это так называемый голономный робот, который способен перемещаться мгновенно в любом направлении в пространстве его степеней свободы (робот является голономным если число управляемых степеней свободы равно полному числу степеней свободы). Голономные роботы существуют, но требуют множество моторов и необычный конструктив, что зачастую очень непрактично. Однако, наземные голономные роботы могут быть реализованы с использованием всенаправленных колес (omni-wheels).

На видео показан пример четырехколесного робота со всенаправленными колесами.

Конфигурации колесных роботов

Существует множество различных конфигураций мобильных роботов.

Есть те, которые применяются реже, например, двухколесная платформа сигвей (segway) с динамическим балансом обладает хорошей высотой при малой площади и достаточно большим ускорением.

Или марсоход Opportunity, который имеет колеса на штангах для преодоления больших препятсвий.

Но чаще применяются другие типы конфигураций.

Это простые, надежные, прочные механизмы, пригодные для роботов, которые в основном передвигаются по плоскости.

Все эти роботы неголономны (используется два двигателя, но три степени свободы движения). Например, не может мгновенно двигаться в сторону.

Робот с дифференциальным приводом

Такая конфигурация используется в .

Робот с дифференциальным приводом имеет два мотора, по одному на каждое колесо (на рисунке — это большие колеса). Изменение направления движения достигается за счет разных скоростей (отсюда и название — дифференциальный).

• Для прямолинейного движения колеса должны вращаться с одинаковыми скоростями.
• Для того, чтобы робот развернулся на месте, необходимо установить скорости одинаковыми по модулю, но направленными противоположно.
• Другие комбинации скоростей приводят к движению по дуге

Движение по дуге

Обозначим скорости колес (линейные скорости с которыми они «покрывают» поверхность) и - для левого и правого колес, соответственно, и расстояние между колесами.

Для того, чтобы найти радиус криволинейного пути, рассмотрим период движения , в течении которого робот движется вдоль дуги окружности, имеющей угол .

Автомобиль/Трицикл/Реечно-зубчатый привод

Такой тип роботов имеет два мотора — один для движения, другой для рулежки.

• Не может нормально развернуться на месте.
• При постоянной скорости и угле поворота движется по дуге окружности.
• В четырехколесной схеме необходим задний дифференциал и переменная связь («Принцип Аккермана») на рулевые колеса.

Круговое движение трехколесного робота

При условии, что отсутствует боковая пробуксовка колес, пересечем оси передних и задних колес, чтобы сформировать прямоугольный треугольник, и в результате получим:

Радиус траектории, которую описывают задние колеса:

За время расстояние вдоль этой дуги окружности, пройденное приводными колесами равно , поэтому угол на который повернется робот:

Зубчатая передача

Двигатели постоянного тока, как правило, обладают высокой скоростью вращения и низким крутящим момент, поэтому зубчатая передача практически всегда необходима для управления роботом.

Если Передача 1 имеет крутящий момент , она оказывает тангенциальную силу

на Передачу 2 . Крутящий момент Передачи 2 поэтому

Изменение угловой скорости между Передачей 1 и Передачей 2 вычислим, рассмотрев скорость в точке где они соприкасаются:

• Когда маленькая шестерня приводит в движение большую, второе зубчатое колесо будет иметь более высокий крутящий момент и меньшую угловую скорость пропорционально соотношению зубьев.
• Для достижения комбинированного воздействия шестерни можно объединять в цепочки.

Оценка движения c помощью датчиков

Очень часто, робот оценивает свое движение путем мониторинга собственных датчиков. Это может быть, например напряжение электродвигателя и колесные датчики. Эта информация называется одометрией .

Например, на основе очень простой оценки:

Пройденное расстояние пропорционально напряжению и времени. Здесь является расчетной константой (используя знания электричества и геометрии), но также может быть получена в результате калибровки .

Энкодеры дают большую точность измерения числа оборотов колес. Информация с энкодера может быть преобразована в линейное расстояние умножением на постоянный радиус колеса. Но все же, как правило, для большей точности, все равно проводится калибровка.

Движение и состояние робота для плоскости

Если предположить, что робот ограничивается перемещением на плоскости, его местоположение может быть определено вектором состояния , состоящем из трех параметров:

И определяют местоположение предопределенной точки «центра робота» в мировой системе координат.

Определяет угол поворота между системами координат (угол между осями и ).

Две системы координат совпадают в момент, когда центр робота находится в начале координат и .

Интегральное движение на плоскости

Получая перемещения робота в некоторые моменты времени, мы можем найти весь путь, пройденный роботом, просуммировав эти значения, или перейдя к пределу (при стремлении количества измерений ) — путем их интегрирования.

При движении на плоскости мы имеем три степени свободы для определения положения, представленные при .

Рассмотрим робота, который может только двигаться вперед или поворачиваться на месте:

При прямолинейном движении робота на расстояние новое состояние будет выражено как:

Если присутствует только вращательное движение, при повороте на угол :

Оценка кругового 2D движения

Для случаев и дифференциального и трехколесного роботов мы можем получить выражения для и для случая когда присутствует только движение по дуге окружности.