Системный анализ алгоритмов и программного обеспечения для управления многофункциональным семейством роботов

• Автор: Карпов, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с. : ил.

Содержание
Введение

1. Анализ построения программного управления роботами

1.1 Основные компоненты робота

1.2 Описание модулей компонентов робота

1.3 Архитектура программного обеспечения

1.4 Описание основных модулей программы управления роботами

Выводы

2. Алгоритмы обработки информации, поступающей от различных датчиков робота

2.1 Алгоритмы обработки информации, полученной от

ультразвукового дальномера

Определение параметррв дальномера
Обработка показаний дальномера
2.2 Калибровка цифровой видеокамеры теория и алгоритмы Параметры камеры
Определение параметров камеры
2.3 Алгоритмы определения геометрии стереоизображений
и реконструкции трехмерного объекта
Эпиполярная геометрия
Фундаментальная матрица
Установление соответствий между точками стереоизображений Реконструкция трехмерной сцены по системе изображений Выводы
3. Алгоритмы и программное обеспечение поиска оптимального пути робота
3.1 Задача поиска оптимального пути робота
Волновой алгоритм
Трапецеидальный план
Модель движения точечного робота
Модель движения роботамногоугольника
Алгоритм поиска кратчайшего пути
Алгоритм вычисления графа видимости
Алгоритм нахождения кратчайшего пути
3.2 Задача размещения маяков в системе помещений
Разбиение многоугольника на монотонные части
Триангуляция монотонного многоугольника
Выводы
4. Предложения по практическому использованию разработанного программного обеспечения для управления роботами
4.1 Построение карты местности с помощью мобильного
робота и дальномера
4.2 Ориентация в пространстве по маякам
Распознавание маяка
Определение параметров маяка
4.3 Примеры разработанных роботов
Выводы
Заключение
Список литерату


Во второй главе обсуждаются возможности использования дальномеров и видеокамер в качестве датчиков для решения задачи автономного управления роботом, предлагаются алгоритмы определения параметров этих устройств и методы обработки информации, поступающей от них. В третьей главе рассмотрены геометрические аспекты движения роботов. Решаются задачи нахождения кратчайшего пути робота и оптимального размещения маяков для ориентации робота в помещении с известным расположением и формой препятствий. В четвертой главе приводятся примеры практического использования разработанных программных модулей навигации для управления роботом: построение карты местности с помощью мобильного робота и дальномера и ориентация робота по маякам с использованием видеокамеры. В конце главы приводятся примеры реализации данных алгоритмов на реальных роботах. Обсуждается возможный спектр их применения. В Заключении кратко сформулированы основные результаты работы. В Приложении №1 приводится текст кода программной реализации алгоритма распознавания маяков с помощью видеокамеры. Робототехника является одной из наиболее сложных областей знания на стыке вычислительной, электронной техники и машиностроения. Роботы находят все большее применение в промышленности в ситуациях, когда приходится выполнять утомительную, однообразную работу, либо работу, опасную для человека [, ,3,4,8, 1]. Благодаря современному развитию науки и технологии, роботы можно конструировать не в виде "монолитной” системы, а как совокупность функциональных блоков (модулей), обменивающихся данными через стандартизированные интерфейсы. При создании роботов этот принцип можно использовать не только для механических составляющих (моторы, шасси, датчики, дальномеры, видеокамеры, процессоры), но и для элементов программного обеспечения. В частности, в последние годы появилось различное программное обеспечение, позволяющее не делать все "с нуля", а опираться на уже написанные и отлаженные отдельные блоки. Некоторые из подобных средств распространяются бесплатно (open source). Примером является библиотека с открытым исходным кодом OpenCV (Open Source Computer Vision Library) [2]. Основные работы по созданию этой библиотеки ведутся в Центре разработки программного обеспечения Intel, который находится в Нижнем Новгороде. Наличие подобного программного обеспечения дает возможность существенно сократить затраты на производство конечного продукта и повысить его качество. Все это позволяет с оптимизмом смотреть на развитие отечественного роботостроения и одновременно ставит ряд проблем, требующих своего практического решения. Дело в том, что существующее программное обеспечение, включающее реализацию алгоритмов навигации и обработки видеоизображений, не решает полностью задачу автономного (без участия человека) управления роботом. Примером таких решений может служить программное обеспечение ERSP, разработанное фирмой Evolution Robotics (www. Это программное обеспечение дает возможность строить карту местности и определять параметры навигации по данным с видеокамеры, однако является закрытым коммерческим продуктом, хотя и обладающим API (Application Programming Interface), но сильно ограниченным в плане возможного переноса данного программного обеспечения на другую платформу (Linux и др. Существуют и другие разработки, нацеленные на решение задачи автономного управления. Например, чип компании CENTEYE (www. Однако данный чип можно использовать только в качестве получения и очистки начальных данных и не решает задачу в целом. Кроме специфических задач навигации программное обеспечение робота должно выполнять и общие задачи управления и совместного функционирования всех устройств, входящих в состав робота (двигатели, шасси, датчики, дальномер, видеокамера и т. Применение существующих программных продуктов, решающих отдельные задачи, затруднено их, как правило, узкой специализацией и ограниченностью программных интерфейсов. В данной главе рассматривается построение схемы управления мобильными роботами, в создании которых автор принимал активное участие (Научно-технический центр ПРИССАИ).