Математическое и программное обеспечение задач навигации и управления движением автономных колесных роботов

• Автор: Гусев, Дмитрий Михайлович
• Шифр специальности: 01.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 155 с. : ил

Содержание
Введение
Глава 1. Конструкции мобильных роботов МЭИ
1.1. Робот с рулевым колесом
1.1.1. Описание конструкции робота Р
1.1.2. Бортовая программа управления роботом Р
1.2. Робот с двумя приводными колесами
1.2.1. Описание конструкции робота Р
1.2.3. Бортовая программа управления Р
1.3. Уравнения движения мобильных колесных роботов
1.3.1. Уравнения движения робота Р
1.3.2. Уравнения движения робота Р
1.4. Технические характеристики роботов
1.5. Выводы
Глава 2. Инерционный разгон двускатной тележки
2.1. Постановка задачи
2.2. Точное интегрирование уравнений свободного движения робота
2.3. Инерционный разгон
2.4. Оценка реализуемости неголономных связей
2.5. Моделирование движения робота
2.6. Выводы
Глава 3. Навигация мобильного робота по маякам
3.1. Постановка задачи и обзор возможных решений
3.2. Построение карты местности
3.3. Компьютерное моделирование построения карты местности
3.4. Планирование траектории движения
3.5. Движение вдоль спланированной траектории
3.6. Выводы
Глава 4. Прикладные задачи создания мобильных роботов
4.1. Компьютерное моделирование поведения мобильного робота в заданных условиях
4.1.1. Предпосылки к использованию методов компьютерного моделирования
4.1.2. Описание программы компьютерного моделирования
4.2. Использование волоконнооптического гироскопа для решения задачи навигации
4.2.1. Обзор предлагаемых решений
4.2.2. Использование БОГ в системе навигации мобильного робота
4.2.3. Калибровка БОГ и алгоритмы навигации
4.2.4. Экспериментальные данные и выводы
4.3. Выводы
Заключение
Литература

Введение
Робототехника является одним из ключевых направлений научно-технического прогресса, а область применения робототехнических систем постоянно расширяется. В первую очередь это связано с появлением высокоинтегрированных электронных схем, массовостью их выпуска и доступной ценой. То, что раньше требовало больших усилий в разработке, отладке и сопровождении, сейчас доступно в виде функционально законченных устройств - микропроцессоров, микроконтроллеров, датчиков. Аналогичная ситуация складывается и с программным обеспечением - существует множество коммерческого и свободного программного обеспечения, на базе которого может быть создано программное обеспечение систем управления движением и моделирования поведения роботов.
Во-вторых, это обусловлено появлением доступных персональных компьютеров, обладающих большой вычислительной мощностью. Для моделирования электронных и механических систем уже не требуется использовать громоздкие вычислительные центры. Наличие общедоступного средства связи в виде глобальной компьютерной сети Интернет позволяет стереть границы при общении ученых из разных научно-исследовательских коллективов друг с другом.
В-третьих, существует мощный стимул для развития данного направления науки и техники, связанный с острой необходимостью в наличии дешевой, надежной и неприхотливой рабочей силы, способной заменить человека при выполнении тяжелой, ответственной или опасной работы. Такое направление можно назвать классическим, однако, следует заметить, что в последнее время большое внимание стало уделяться не только специализированным роботам, но и автономным многофункциональным аппаратам для бытовой сферы и сферы обслуживания. Так, роботы уже используются в качестве интеллектуальных систем для наблюдения за домом в
отсутствии хозяина и управления бытовыми приборами (см. рис. 1) или, например, в качестве больничного персонала, способного развозить лекарства больным и выступать в качестве мобильного диагностического центра (см. рис. 2).
Рис. 1. Домашний робот Mitsubishi. Рис.2. Медицинский робот Matsushita.
Все это приводит к тому, что все большее число научных коллективов со всего мира начинают заниматься разработками в области робототехники и мехатроники.
Японская ассоциация робототехники, объединяющая производителей и разработчиков в области робототехники, рассчитывает, что к 2010 г. объем продаж промышленных и домашних роботов достигнет 1,5 трлн. иен (22,61 млрд. долл.). В последние несколько лет объем рынка находился на уровне 500 млрд. иен. Именно Япония добилась наибольших успехов в области коммерческого роботостроения. В этой стране интеллектуальные машины уже используются в качестве сторожей на складах, раздатчиков подносов с едой в больницах и курьеров в офисах. По оценкам Японской ассоциации робототехники, в 2002 г. будет произведено около 11 тыс. служебных роботов, 65% которых будет предназначено для больниц и домов престарелых. Ассоциация прогнозирует, что к 2005 г. только объем японского рынка роботов для ухода за больными достигнет 250 млн. долл., а к 2010 г. вырастет до 1 млрд.

подхода при создании системы управления и очувствления робота. Текущая модификация мобильного робота (см. рисунок 1.13) создавалась по принципу наиболее полного соответствия задачам регламента 2002 года российских соревнований, поэтому было принято решение отказаться от платформы «Монотип» и использовать ранее созданную платформу класса «Свободный» (см. рисунок 1.11).
Рис. 1.13. Робот с двумя ведущими колесами (модель 2002).
Дальнейшее описание будет относиться именно к этой модификации, вобравшей в себя все положительные черты прошлых конструкций. Для краткости назовем ее роботом Р2.
1.2.1. Описание конструкции робота Р2.
Робот Р2 представляет собой автономную мобильную конструкцию с бортовым вычислителем для выполнения заранее определенного набора задач. Кинематической схемой, как уже было сказано выше, является схема с двумя независимо управляемыми ведущими колесами и третьим колесом, свободно вращающемся в рояльной вилке. Это дает возможность задавать произвольное движение робота только с помощью двух моментов, приложенных к ведущим колесам. Для решения задач, связанных с движением по ИК-маякам робот