RU209590U1 - Устройство управления мобильным роботом - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области управления мобильными робототехническими комплексами. Устройство содержит приемник ГЛОНАСС/GPS, ультразвуковой и инфракрасный датчики расстояния до препятствий, подключенные через многоканальный аналого-цифровой преобразователь к соответствующему входу микроконтроллера, к другим входам которого подключены соответственно видеокамера через схему обработки данных видеокамеры и энергонезависимая память, при этом выход микроконтроллера соединен со схемой управления электродвигателями движения. Устройство снабжено блоком выбора режима управления, состоящим из блока моделирования, блока оценки достоверности навигационных данных и ключевого устройства, при этом выход приемника ГЛОНАСС/GPS параллельно подключен ко входу блока оценки достоверности навигационных данных и первому входу ключевого устройства, ко второму входу которого подключен выход блока моделирования, вход блока моделирования соединен с упомянутым выходом микроконтроллера, а управляющий вход ключевого устройства подключен к выходу блока оценки достоверности навигационных данных, причем выход ключевого устройства соединен с соответствующим входом микроконтроллера. Использование полезной модели позволяет достичь упрощения системы с обеспечением заданной точности и надежность управления движением. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к области управления мобильными робототехническими комплексами, в частности наземными мобильными роботами.

Известны мобильные роботы «Инженер» производства компании «Сервосила» (Режим доступа: https://www.servosila.com/media/doc-ru/Servosila-Mobile-Robots-Engineer-Brochure-Rus.pdf (дата обращения 27.04.2021)). В системе навигационного управления которых используются лазерный сканер, инерциальные датчики (инерциальный измерительный модуль 6D0F IMU, состоящий из одного трехосного микромеханического акселерометра и трех одноосных микромеханических гироскопов), датчики одометрии, система стереозрения и приемник спутниковой навигации. При этом лазерный сканер и система стереозрения предназначены для обнаружения препятствий и корректировки траектории движения для избегания столкновений с ними.

Для определения текущего положения робота в пространстве и управления движением по заданной траектории используются инерциальные датчики, датчики одометрии, приемник спутниковой навигации.

Недостатком системы управления мобильным роботом «Инженер» является использование нескольких датчиков для определения положения робота в пространстве, что приводит к росту стоимости, габаритов, энергопотребления, сложности системы.

Известен модуль системы управления мобильным роботом (патент на полезную модель РФ RU 192180 U1 от 05.09.2019 г., B25J 13/00 (2019.05); G05D 1/00 (2019.05)), принятый за прототип, который содержит схему преобразователя напряжения электропитания, схему микроконтроллера, схему энергонезависимой памяти, схему приемопередатчика, схему управления электродвигателями, схему приемника ГЛОНАСС/GPS, схему электронного компаса, схему одометра, схему гироскопа, схему датчика ускорения, схему обработки данных видеокамеры, видеокамеру, схему многоканального аналого-цифрового преобразователя, инфракрасный датчик расстояния, ультразвуковой датчик расстояния.

Устройство предназначено для решения задачи управления движением робота в заданном направлении с заданной средней скоростью с избеганием столкновения с препятствиями в недетерминированном пространстве.

Инфракрасный датчик расстояния и ультразвуковой датчик расстояния используются в мобильном роботе для определения расстояния до препятствия.

Для определения положения робота в пространстве и управления движением робота в заданном направлении с заданной скоростью в прототипе используются несколько датчиков: приемник ГЛОНАСС/GPS, электронный компас, одометр, гироскоп, датчик ускорения.

Известно, что навигационные параметры (координаты положения робота в пространстве, его линейная скорость и ускорение), полученные с помощью приемника ГЛОНАСС/GPS достаточны для управления движением робота, не имеют тенденции к накоплению погрешностей, имеют высокую точность, но подвержены помехам и потере сигнала [Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. СПб.: Электроприбор, 2009. С. 147-148]. Поэтому для обеспечения помехозащищенности и надежности системы управления в прототипе реализован принцип аппаратурной избыточности - для определения навигационных параметров используются несколько датчиков, работающих на различных физических принципах.

Недостатком прототипа является использование в системе управления избыточного числа датчиков. Это приводит к росту стоимости, габаритов, энергопотребления, сложности системы, что нежелательно на небольшом подвижном объекте.

Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является создание точного, помехозащищенного и надежного устройства управления мобильным роботом.

Технический результат - упрощение устройства путем создания аппаратурно-безызбыточного устройства с минимальными энергопотреблением, стоимостью, габаритами, без снижения точности, помехозащищенности и надежности управления движением наземного робота.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что известное устройство управления мобильным роботом состоит из ультразвукового датчика расстояния и инфракрасного датчика расстояния, подключенных к многоканальному аналого-цифровому преобразователю, видеокамеры, подключенной к схеме обработки данных видеокамеры, приемника ГЛОНАСС/GPS, микроконтроллера к которому подключены энергонезависимая память, схема управления электродвигателями, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, схема обработки данных видеокамеры.

Отличительной особенностью является то, что оно содержит программно-аппаратный блок выбора режима управления, состоящий из блока моделирования, блока оценки достоверности навигационных данных и ключевого устройства, при этом выход приемника ГЛОНАСС/GPS параллельно подключен ко входу блока оценки достоверности навигационных данных и первому входу ключевого устройства, ко второму входу ключевого устройства подключен выход блока моделирования, на вход которого подключен выход микроконтроллера на схему управления двигателями, на управляющий вход ключевого устройства подключен выход блока оценки достоверности навигационных данных, а выход ключевого устройства подключен к микроконтроллеру системы.

При этом отличием является также то, что аппаратная часть блока выбора режима управления может быть реализована на микроконтроллере устройства.

На фигуре представлена структурная схема технического решения.

Полезная модель содержит ультразвуковой датчик расстояния 1 и инфракрасный датчик расстояния 2, подключенные к многоканальному аналого-цифровому преобразователю 3. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь 3 преобразует аналоговые сигналы, поступающие с инфракрасного датчика расстояния 2 и ультразвукового датчика расстояния 1, в цифровую форму и передает их в микроконтроллер 4. Инфракрасный датчик расстояния 2 и ультразвуковой датчик расстояния 1 используются в мобильном роботе для определения расстояния до препятствия.

Видеокамера 5 подключена к схеме обработки данных видеокамеры 6 и передает кадры видеоизображения в схему обработки данных видеокамеры 6, где они обрабатываются и анализируются. Результаты анализа передаются в микроконтроллер 4.

Микроконтроллер 4 передает схеме управления электродвигателями 7 цифровые сигналы, задающие требуемые скорости и направления вращения электродвигателей робота.

Энергонезависимая память 8 предназначена для хранения в цифровом виде данных для настройки устройства и программ управления движением робота и подключена к микроконтроллеру 4 системы. Данные и программы, содержащиеся в энергонезависимой памяти 8, загружаются в оперативную память микроконтроллера 4 по мере необходимости. Данные и программы в энергонезависимой памяти 8 могут быть изменены микроконтроллером 4.

Приемник ГЛОНАСС/GPS 9 получает значения текущих географических координат - широту и долготу, которые необходимы для определения положения робота в пространстве с целью управления его движением в заданном направлении с заданной скоростью.

Микроконтроллер 4 устройства выполняет функции сбора и обработки информации, поступающей от других элементов системы. На основании этой информации микроконтроллер 4 определяет положение робота, расстояние между роботом и возможными препятствиями и осуществляет управление электродвигателями робота таким образом, чтобы обеспечить перемещение робота в заданном направлении с заданной средней скоростью, избегая столкновения с препятствиями.

Программно-аппаратный блок выбора режима управления 10 получает данные о текущих координатах робота с приемника ГЛОНАСС/GPS 9 и данные цифровых сигналов, передаваемых с микроконтроллера 4 на схему управления электродвигателями 7, определяющих скорость и направлении вращения электродвигателей робота. Аппаратная часть блока выбора режима управления 10 состоит из микроконтроллера, с требуемыми для принятия указанных сигналов универсальными цифровыми портами. Блок выбора режима управления 10 передает результаты определения координат робота в микроконтроллер 4 системы.

Блок оценки достоверности навигационных данных 11, на который поступают данные с приемника ГЛОНАСС/GPS 9, программно реализует один из известных алгоритмов внутреннего контроля целостность навигационных данных (Receiver Autonomous Integrity Monitoring, RAIM), например, это может быть алгоритм, описанный в работе Грошев А.В., Фролова О.А. Помехоустойчивый адаптивно-робастный алгоритм контроля данных в комплексной инерциально-спутниковой навигационной системе // Управление большими системами: сборник трудов. Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. Москва: 2018. Выпуск 74. С. 63-80, который позволяет определять различные виды нарушений, целостность навигационных данных, вызванные сбоями и помехами в навигационных данных приемника ГЛОНАСС/GPS 9.

Результатом работы блока оценки достоверности навигационных данных 11 является подача на управляющий вход ключевого устройства 12 сигнала подтверждающего достоверность данных с приемника ГЛОНАСС/GPS 9 - "да", или сигнала недостоверности этих данных - "нет". В зависимости от значения этого сигнала на управляющем входе, ключевое устройство 12 передает на микроконтроллер 4 системы либо данные о текущих координатах робота, полученные с приемника ГЛОНАСС/GPS 9 (когда сигнал с блока оценки достоверности навигационных данных 11 имеет значение "да", подтверждающее достоверность данных с приемника ГЛОНАСС/GPS 9), либо данные о координатах робота, вычисленных в блоке моделирования 13 по данным цифровых сигналов с микроконтроллера 4, задающих скорости и направления вращения электродвигателей робота (когда сигнал с блока оценки достоверности навигационных данных 11 имеет значение "нет" недостоверности данных с приемника ГЛОНАСС/GPS 9). Блок моделирования 13 программно реализует модель движения робота, описывающую его движение на координатной плоскости при приложении к электродвигателям управляющих напряжений, заданных цифровыми сигналами с микроконтроллера 4, например, описанную в книге Власов С.М., Бойков В.И., Быстрое С.В., Григорьев В.В. Бесконтактные средства локальной ориентации роботов. - СПб: Университет ИТМО, 2017. С. 29-31.

Устройство управления мобильным роботом работает следующим образом. При включении системы микроконтроллер 4 загружает данные и программы из энергонезависимой памяти 8 в оперативную память микроконтроллера 4. Эти данные содержат информацию о требуемой траектории движения робота (либо, как минимум, информацию о координатах точки, куда робот должен двигаться). Приемник ГЛОНАСС/GPS 9 получает данные о текущих координатах робота. По информации о требуемой траектории движения робота и о его текущих координатах микроконтроллер 4 вычисляет управляющие сигналы, которые задают требуемые скорости и направления вращения электродвигателей робота и передает их на схему управления электродвигателями 7. Робот начинает движение. В общем случае, управляющие сигналы формируются микроконтроллером 4 таким образом, чтобы текущие координаты робота, постоянно определяемые приемником ГЛОНАСС/GPS 9 при движении робота, стремились к координатам требуемой траектории.

Если при движении робота с инфракрасного датчика расстояния 2 и/или ультразвукового датчика расстояния 1 и/или по данным анализа кадров видеоизображения с видеокамеры 5 получена информация о наличии препятствия, мешающего роботу двигаться по требуемой траектории движения, то координаты требуемой траектории движения изменяются таким образом, чтобы избежать столкновения робота с препятствием.

При движении робота достоверность координат, получаемых приемником ГЛОНАСС/GPS 9, постоянно определяется блоком оценки достоверности навигационных данных 11. В том случае, если достоверность координат, полученных приемником ГЛОНАСС/GPS 9 подтверждена, блок оценки достоверности навигационных данных 11 выставляет на своем выходе сигнал "да", подтверждающий достоверность данных с приемника ГЛОНАСС/GPS 9. Этот сигнал переключает ключевое устройство 12 таким образом, чтобы в микроконтроллер 4 передавались данные о координатах робота с приемника ГЛОНАСС/GPS 9.

При движении робота управляющие цифровые сигналы, задаваемые микроконтроллером 4 на схему управления электродвигателями 7 и задающие скорости и направления вращения электродвигателей робота, передаются в блок моделирования 13, в котором по ним вычисляется перемещение робота относительно последних координат определенных приемником ГЛОНАСС/GPS 9, достоверность которых была подтверждена блоком оценки достоверности навигационных данных 11.

Если при работе приемника ГЛОНАСС/GPS 9 по какой-либо причине произошел сбой или на него действуют помехи, нарушающие навигационные данные, то координаты робота будут определены приемником ГЛОНАСС/GPS 9 неправильно. В этом случае достоверность координат, полученных приемником ГЛОНАСС/GPS 9, не подтверждается блоком оценки достоверности навигационных данных 11, и он выставляет на своем выходе сигнал "нет" недостоверности данных с приемника ГЛОНАСС/GPS 9. Сигнал "нет" недостоверности данных с приемника ГЛОНАСС/GPS 9 переключает ключевое устройство 12 таким образом, чтобы в микроконтроллер 4 передались данные о координатах робота, вычисленных в блоке моделирования 13 по данным цифровых сигналов с микроконтроллера 4 о заданных скоростях и направлениях вращения электродвигателей робота. Следовательно, неверные координаты робота, которые определены приемником ГЛОНАСС/GPS 9 неправильно из-за произошедших сбоев или действия помех, не передаются в микроконтроллер 4 и не влияют на вычисление микроконтроллером 4 управляющих цифровых сигналов, передаваемых на схему управления двигателями 7, и движение робота в требуемом направлении с заданной скоростью не нарушается.

Таким образом, обеспечивается точность, помехозащищенность и надежность устройства управления мобильным роботом.

При этом в устройстве для определения положения робота в пространстве и управления его движением не используются дополнительные датчики (электронный компас, одометр, гироскоп, датчик ускорения), что делает систему аппаратурно-безызбыточной, с минимальными энергопотреблением, стоимостью, габаритами, без снижения точности, помехозащищенности и надежности управления движением наземного робота.

При достаточных технических характеристиках микроконтроллера 4 устройства управления (вычислительной мощности и оперативной памяти) аппаратная часть блока выбора режима управления 10 реализуется на нем, что еще больше упрощает устройство.

Claims (1)

1. Устройство управления движением мобильного робота, содержащее приемник ГЛОНАСС/GPS, ультразвуковой и инфракрасный датчик расстояния до препятствий, подключенные через многоканальный аналого-цифровой преобразователь к соответствующему входу микроконтроллера, к другим входам которого подключены соответственно видеокамера через схему обработки данных видеокамеры и энергонезависимая память, при этом выход микроконтроллера соединен со схемой управления электродвигателями движения, отличающееся тем, что оно снабжено блоком выбора режима управления, состоящим из блока моделирования, блока оценки достоверности навигационных данных и ключевого устройства, при этом выход приемника ГЛОНАСС/GPS параллельно подключен ко входу блока оценки достоверности навигационных данных и первому входу ключевого устройства, ко второму входу которого подключен выход блока моделирования, вход блока моделирования соединен с упомянутым выходом микроконтроллера, а управляющий вход ключевого устройства подключен к выходу блока оценки достоверности навигационных данных, причем выход ключевого устройства соединен с соответствующим входом микроконтроллера.

Images