Полный текст

Современной ступенью развития человеческого общества являются автоматизация труда и замена его роботами. Необходимость в этом обусловлена усложнением технологических процессов, наращиванием скорости и объемов производства, монотонностью работы, а также опасными факторами для человека. Применение роботов на производствах, транспорте обеспечивает высокое качество и скорость выполнения технологических операций [1, 2]. Большое распространение получили бытовые роботы. Сегодня на фоне мирового роботостроения значительно выделяются развитые страны, такие как Япония, США и Корея. Как видно, здесь наиболее развит рынок электроники, имеются специалисты и высокотехнологичная техника по проектированию и разработке автоматизированных систем. В России на сегодняшний день решение практических задач с помощью робототехники широко не развито, однако отмечается высокий интерес к этому вопросу со стороны специалистов промышленного, военного и других секторов экономики. В связи с этим данное направление работы крайне актуально, в том числе для образовательных учреждений технических профилей, где могут подготовить новое поколение специалистов по робототехнике. Актуальность и практическая значимость разработки структуры и аппаратных средств информационно-измерительной и управляющей системы мобильной робототехнической платформой подтверждаются государственным заданием 1047. Этапы структурного синтеза информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) Для достижения поставленных в госзадании целей были выявлены следующие этапы разработки ИИУС: 1) разработка подсистемы управления исполнительными органами: 1.1) обзор существующих робототехнических платформ; 1.2) сравнительный анализ платформ по критериям использования, применения и эффективности; 1.3) разработка структуры подсистемы управления; 1.4) разработка методик и принципов работы подсистемы управления; 2) разработка измерительной (сенсорной) подсистемы: 2.1) анализ задач, решаемых сенсорной подсистемой; 2.2) выбор датчиков подсистемы в зависимости от задач; 2.3) разработка структуры измерительной подсистемы; 2.4) разработка методик и принципов работы измерительной подсистемы; 3) систематизация полученных данных, разработка обобщенной схемы ИИУС; 4) выбор элементов схемы ИИУС: 4.1) определение входных критериев и выходных параметров; 4.2) разработка схемы выбора элементов ИИУС. Обзор и анализ конструкций мобильных платформ. На сегодняшний день классификация роботов по их конструктивному исполнению настолько широка, что она охватывает почти все виды деятельности человека, а также микромира. По виду исполнения в классификацию включены роботы практически со всеми способами передвижения в пространстве. Для решения разнопрофильных задач необходимо использовать различные конструкции роботизированных платформ. Выделим наиболее распространенные задачи и критерии оценки (табл. 1) роботизированных платформ, существующих на сегодняшний день: перевозка грузов, исследование или обработка/очистка территории, экологический мониторинг, измерения параметров протяженных объектов, тушение пожаров, поиск пострадавших в завалах, исследование труднодоступных мест. Сравнение платформ произведем на основе экспертных оценок. Таблица 1 Критерии оценки мобильных платформ № п/пОбозначение критерияНаименование 1К1Скорость перемещения 2К2Грузоподъемность 3К3Проходимость 4К4Управляемость 5К5Автономность 6К6Простота конструкции 7К7Габариты 8К8Маневренность 9К9Защита от внешних факторов Для оценки согласованности проставляемых экспертами рангов произведен расчет коэффициента конкордации Кендалла согласно выражению [3]: где W – коэффициент конкордации; – расставленные ранги суждений экспертов; – средний ранг; n – число экспертов, выбрано 10; m – число анализируемых порядковых переменных. В результате получено значение W = 0,634, позволяющее судить об удовлетворительной степени согласованности. Результаты экспертной оценки занесены в табл. 2. Таблица 2 Результаты аналитического обзора и экспертной оценки мобильных платформ по некоторым критериям ПлатформаК1К2К3К4К5К6К7К8К9Сумма Четырехколесная63366666446 Четырехколесная с поворотной осью63435455439 Шестиколесная64455546544 Шестиколесная с незав. подвеской64544345540 Гусеничная55566664649 Гусеничная с доп. гусеницами56654433642 Среди наземных платформ наибольшие рейтинги получили гусеничная платформа, 4- и 6-колесные платформы. Организация и принцип работы информационно-измерительной подсистемы мобильной платформы Согласно требованиям НИР измерительная подсистема мобильной платформы должна позволить решить следующие задачи: - обеспечение возможности анализа сцен окружающего мира; - определения параметров наблюдаемых объектов; - обеспечение возможности избегания опасных режимов функционирования; - дополнительно решаемые подзадачи. Выбор датчиков для решения задач сведем в табл. 3. Таблица 3 Выбор датчиков измерительной системы в соответствии с задачами мобильной платформы ПодзадачаДатчик Обеспечение возможности анализа сцен окружающего мира: Анализ сцен окружающего мираБортовая видеокамера Определение параметров наблюдаемых объектов: Положение объекта в дальней зонеЛазерный дальномер Положение объекта в ближней зонеСонар Расстояние до объектаЛазерный дальномер, сонар Скорость и направление движения объекта Цвет объектаДатчик цвета Температура объектаПирометр Обеспечение возможности избегания опасных режимов функционирования: Наезд на препятствиеТактильный датчик Низкий заряд батареиДатчик разряда батареи Неисправность исполнительных механизмовЭнкодер Датчик давления в шинах Продолжительная работа в предельных режимахДатчик тока Недостаточная удаленность от «опасных» объектовПод конкретную задачу свой датчик Попадание в непроходимую среду: Водоём, глубокая лужа, болотоДатчик влаги Яма, обрывИК-датчик Нахождение вблизи агрессивных факторов внешней среды: Высокая или низкая температураДатчик температуры Химически активная средаБиосенсор Дополнительно решаемые подзадачи: Отслеживание положения исполнительных механизмовЭнкодер Определение наклона плоскости движения (без наклона, подъем, спуск)Акселерометр Определение сторон светаКомпас Определение факторов внешней среды: Время суток (день, ночь, сумерки)Датчик света Погодные условия (дождь, туман, снег)Датчик дождя, тумана, снега Другие факторы: Дым, пыльДатчик дыма (пыли) Шум Микрофон В качестве сенсоров выделим зависимые (показания сенсоров зависят от факторов окружающей среды) и независимые (показания сенсоров не зависят или не должны зависеть от факторов окружающей среды). С учетом этих особенностей на основании данных табл. 3 и существующих решений построения информационно-измерительных систем [4, 5] разработана структура измерительной подсистемы (рис. 1). На рис. 1 выделено два уровня: I уровень – бортовое управление мобильного робота, II – дистанционное управление. Уровень дистанционного управления представлен автоматизированным рабочим местом (АРМ), с которого и поступают основные команды управления на интеллектуальную систему управления (ИСУ) мобильного робота, систему управления исполнительными механизмами (СУИМ) и систему управления сенсорами (СУС). Для ИСУ от АРМ задаются команды типа высокого уровня с указанием направления движения или целевого объекта, для СУИМ – например, команды ограничения скорости, а для СУС – команды на отключение или включение сенсоров. В ИСУ заложены алгоритмы поведения мобильного робота, например, алгоритм объезда препятствий, алгоритм «инстинкта самосохранения», самодиагностика. Сенсоры разделены на две большие группы: группа независимых сенсоров (НС) и группа зависимых сенсоров (ЗС). Рис. 1. Структура измерительной подсистемы мобильной платформы Данные поступают с ЗС на ИСУ в основном для выполнения задач по определению параметров наблюдаемых объектов. Каждый сенсор относится к определенной группе влияющих факторов внешней среды: зависимые от времени суток (ЗВС), зависимые от погодных условий (ЗПУ), зависимые от дыма, пыли (ЗДП) или зависимые от шума (ЗШ). У каждого сенсора есть ключ, управляемый СУС, разрешающий (ключ замкнут) или запрещающий (ключ разомкнут) работу сенсора. Данные, поступающие с НС, более важны, так как отвечают за работоспособность робота и поступают постоянно. Информация с НС передается на СУС, ИСУ и АРМ. В СУС поступает информация с НС, которые определяют факторы внешней среды (ФВС). Исходя из этих данных, СУС осуществляет управление включением-выключением сенсоров. СУС может получать данные и с других НС, например, таких как датчик разряда батареи, чтобы отключить, по возможности, энергоемкие сенсоры, или датчик температуры, чтобы отключить сенсоры, которые при данной температуре отображают недостоверную информацию. В ИСУ поступает информация с НС, необходимая для ориентации в пространстве (компас, акселерометр, энкодер и т.д.) и для определения работоспособности робота (датчик разряда батареи, энкодер, датчик температуры). В АРМ поступает информация с НС, зависящая от конкретных целей, обычно с небольшого числа сенсоров, обусловленного рядом факторов. Первый фактор – большое расстояние между мобильным роботом и диспетчерским пунктом управления, что снижает скорость приема поступающей информации на АРМ. Вытекающий из первого второй фактор – из-за низкой скорости передачи информации объем передаваемой информации снижается, следовательно, необходимо отправлять только важную и необходимую информацию. Структурный синтез ИИУС мобильной платформы Исходя из концепции типовой трехуровневой автоматизированной системы [1] и принципов проектирования мобильных лабораторий [6], получим обобщенную структурную схему ИИУС (рис. 2), которая включает в себя разработанную подсистему измерения и управления исполнительными механизмами. Первый – полевой подуровень включает в себя набор датчиков и исполнительных механизмов, второй – контроллерный подуровень включает в себя контроллер управления исполнительными органами, контроллер сбора данных и главный (интеллектуальный) контроллер. Третий уровень – система связи ИИУС с оператором или сетью ИИУС. Рис. 2. Обобщенная структурная схема ИИУС: Д – датчик; БН – блок независимых датчиков; БЗ – блок зависимых датчиков; БД – блок двигателя; ДР – драйвер двигателя; ДВИГ – двигатель; ДТ – датчик тока; ЭН – энкодер Элементы синтезируемой ИИУС будем выбирать согласно критериям табл. 1, для этого предварительно запишем символьные обозначения и непосредственные значения частных критериев (табл. 4). Таблица 4 Обозначение частных критериев синтеза структуры ИИУС ОбозначениеХарактеристика 12 К1 СК1< 1 м/с СК21–5 м/с СК3> 5 м/с К2 ГР1Свой вес ГР2< 25 % ГР325–50 % ГР450–100 % ГР5> 100 % Продолжение табл. 4 12 К3 ПР1Низкая (сухой грунт, асфальт) 12 ПР2Средняя (пересеченная местность) ПР3Полная с возможностью преодоления водных препятствий К4 УП1Ручное УП2Полуавтоматическое УП3Автоматическое К5 АВ1< 1 ч АВ21–3 ч АВ33–10 ч АВ410–24 ч АВ5> 24 ч К6 ПК1Модульная система ПК2Уникальная + модульная системы ПК3Уникальная система К7 ГБ1< 0,1 м3 ГБ20,1–0,5 м3 ГБ30,5–1 м3 ГБ4> 1 м3 К8 МН1Прямое движение МН2Поворот, разворот МН3Разворот на месте К9 УС1Не предусмотрено УС2Туман УС3Дождь УС4Снег УС5Ветер УС6Пыль УС7Шум УС8Дым УС9Удар УС10Изменение нагрузки УС11Сбой подсистем УС12Излучение Дополнительные критерии Шумность – К10 ШМ1<20 Дб ШМ220–40 Дб Окончание табл. 4 12 ШМ340–60 Дб ШМ4> 60 Дб Исполнение – К11 IP XXИндекс защиты IP КИ ХКлиматическое исполнение 12 КР ХКатегория размещения изделий Точность движений – К12 ТД1<0,5 % ТД20,5–1 % ТД31–5 % ТД4> 5 % Анализ сцен окружающего мира – К13 АС1Без возможности анализа АС2Отображение состояния АС3Распознавание 2D-объектов АС4Распознавание 3D-объектов Отслеживаемые параметры – К14 ОП1Расстояние ОП2Цвет ОП3Освещенность ОП4Положение в пространстве ОП5Присутствие газа ОП6Шум/звук ОП7Дым/пыль/туман/дождь/снег ОП8Влажность ОП9Температура ОП10Давление Избегание опасных режимов функционирования – К15 ИО1Избегание внешних опасных ситуаций ИО2Избегание внутренних опасных режимов работы Дальность связи – К16 ДС1< 1 м ДС21–10 м ДС310–1000 м ДС4> 1000 м Скорость передачи данных – К17 СС1< 128 кб/с СС2128–1024 кб/с СС3> 1024 кб/с Синтез ИИУС будем осуществлять по последовательному алгоритму выбора элементов ИИУС, построенной на основе обобщенной схемы. Схема выбора представлена на рис. 3. Рис. 3. Схема выбора элементов синтезируемой ИИУС Заключение. Предложенный подход структурного синтеза представляет собой последовательный алгоритм выбора элементов обобщенной структуры ИИУС, построенной на основании начальных требований и целей технологического процесса. На основании исходных данных объекта роботизации формируются входные критерии, которые поступают на вход блоков выбора элементов системы. На выходе блоков формируются параметры, которые в свою очередь определяют элемент ИИУС и также поступают на входы других блоков схемы. Полный набор элементов ИИУС производится путем последовательного вычисления выходных параметров.

Об авторах

Алексей Владимирович Кычкин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: aleksey.kychkin@gmail.com
614990, Пермь, Комсомольский пр., 29 кандидат технических наук, доцент кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского национального исследовательского политехнического университета

Сергей Андреевич Артемов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: art-sa@bk.ru
614990, Пермь, Комсомольский пр., 29 студент кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского национального исследовательского политехнического университета

Владимир Андреевич Власов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: vip.v2a@gmail.com
614990, Пермь, Комсомольский пр., 29 студент кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского национального исследовательского политехнического университета

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 40

PDF (Russian) - 25

Ссылки

• Ссылки не определены.