АНАЛИЗ И ВЫБОР СИСТЕМ НАВИГАЦИИ РОБОТА ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В ЛЕСНОЙ МЕСТНОСТИ
Черных А.А.
Студент; НИ Томский политехнический университет
АНАЛИЗ И ВЫБОР СИСТЕМ НАВИГАЦИИ РОБОТА ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В ЛЕСНОЙ МЕСТНОСТИ
Аннотация
В данной работе будет проводиться сравнительный анализ систем для позиционирования роботов и выбор наиболее подходящей для дальнейшей работы.
Ключевые слова: AVR микроконтроллер, GPS, гироскоп, RTK, цифровой компас.
Chernykh A.A.
Student; Tomsk Polytechnic University
ROBOT NAVIGATION SYSTEM ANALYSIS AND SELECTION FOR POSITIONING IN THE WOODLAND
Abstract
This work describes robot positioning systems analysis and selection of the most suitable system for further work.
Keywords: AVR microcontroller, GPS, gyroscope, RTK, digital compass.
Известные технические решения
Уже существуют роботы, которые также работают на открытой местности, и имеют систему навигации:
- Yeti - робот для антарктических экспедиций;
- Робот Пластун – разведывательный робот.
Разработка системы навигации робота
Каждая компания или фирма, которая проектирует и конструирует роботов, использует определенный набор средств, позволяющий решать задачу позиционирования в определенных условиях.
Для этого подбирается управляющий узел (микроконтроллер, ЭВМ) и набор датчиков и модулей.
На рынке представлено множество готовых модулей, которые напрямую подключаются к микроконтроллеру, что существенно облегчает задачу разработки устройства.
Как правило, конструктивные особенности роботов для решения тех или иных задач накладывают ряд ограничений. Это может быть разная реализация поворотного механизма. Различные габариты платформы и мощность двигателей, скорость движения, маневренность, рабочая среда и т.д.
Поэтому разработчики берут в расчет конструктивные особенности и применяют уже конкретные модули для решения поставленных задач. Учитывая специфичность среды работы робота, будем проектировать свою систему.
В основном на рынке представлены готовые роботы, то есть платформы с системой навигации. Основную ценность в данных системах представляют алгоритмы и разработанные по ним программы. Как правило, они в закрытом доступе и применяются в готовых устройствах. Программное обеспечение индивидуально, поэтому на рынке на сегодняшний день фактически не существует универсальных решений.
Поэтому будем разрабатывать свою систему позиционирования робота для автономного движения робота в условиях леса с точностью 4 метра.
Анализ систем навигации робота
Для реализации систем навигации необходимо использовать набор модулей, который зависит от требуемой функциональности, точности и других параметров.
Определение положения робота в каждый момент времени (“Где я нахожусь”), движение робота по прямой, разворот робота в противоположное направление, и возвращение направления робота на исходную траекторию после обхода препятствий сводится к задаче позиционирования и ориентации робота в пространстве.
Рассмотрим основные применяемые модули, и выберем наиболее подходящий.
Классификация систем
В робототехнике по одному из способов классификации выделяют четыре вида навигационных систем: персональная, локальная, автономная система, глобальная системы.
Персональная система
Позиционирование роботом частей своего тела и взаимодействие с близлежащими предметами, что актуально для устройств, снабженных манипуляторами. К такой системе можно отнести: движение вдоль кабелей и линий, движение робота по меткам, движение с использованием энкодеров.
В целом данные способы являются дорогими и не гибкими. Подходят для позиционирования робота на конкретной небольшой территории.
Локальная система
Определение координат устройства по отношению к некоторой (обычно стартовой) точке. Эта схема востребована разработчиками тактических беспилотных самолетов и наземных роботов, выполняющих миссии в пределах заранее известной области. К данной системе относятся методы определение координат робота по локальным координатам маяков, позиционирование в сотовых сетях.
Данные способы не подходят по причине отсутствия сотовой связи в районе леса, отдаленных мест от городской местности. Также имеет низкую точность.
Автономная система
К данной системе относят гироскопы, цифровые компасы.
Следует отметить, что существенными недостатками гироскопа и цифрового компаса, применительно к нашей задачи, являются их чувствительность к наклонам роботизированной платформы, и по этой причине наблюдается колебание измерений.
Поэтому гироскоп и цифровой компас будут применяться как дополнительное устройство для корректировки и сглаживания “плавания” координат в навигационной системе.
Глобальная система
Определение абсолютных координат устройства при движении по длинным маршрутам (GPS, RTK-GPS, Глонасс).
Наилучшую точность на данный момент обеспечивает GPS. Погрешность такой системы на данный момент не превышает шести метров. При условиях близких к идеальным, точность соответственно увеличивается, и погрешность не превышает 2-3 метров. А новое поколение спутников, обеспечит точность не менее 60-90 см.
Основной недостаток глобальных систем – зависимость от условий использования. Практически невозможно определять местонахождение внутри зданий, в подвалах или тоннелях. На прием сигналов GPS влияют помехи от наземных источников.
В условиях леса перечисленные факторы, снижающие точность глобальной навигационной системы, отсутствуют.
Заключение
Были рассмотрены основные методы по решению системы навигации робота. Из перечисленных способов для позиционирования и решения поставленных задач подходит использование глобальных навигационных систем, а именно GPS. Главным преимуществом является своевременное получение актуальных координат платформы без привязки относительно начальной точки. Сам модуль с антенной в зависимости от производителя и функциональности стоит в пределах 500-2000 рублей. При необходимости увеличения точности координат возможна установка гироскопа и акселерометра. Это позволит сгладить “плавание” показаний с GPS модуля путем движения робота по данным гироскопа с акселерометром с периодической привязкой к глобальным координатам для исключения искажения траектории.
Остальные способы позиционирования, относящиеся к персональной, локальной, а также автономной (за исключением использования дополнительного оборудования в качестве корректировки) системам не подходит в нашем случае.
Литература
- Статья в PC Week/RE № 9 от 16.04.2004 г., стр. 52; № 10 от 23.04.2004 г., стр. 53; № 11 от 30.04.2004 г., стр. 45. Автор: Сергей Бобровский.
- Технический форум по робототехнике [Электронный ресурс]. URL: http://roboforum.ru/wiki/Навигация Режим доступа: свободный (дата обращения: 20.04.2015).
References
- Stat'ja v PC Week/RE № 9 ot 16.04.2004 g., str. 52; № 10 ot 23.04.2004 g., str. 53; № 11 ot 30.04.2004 g., str. 45. Avtor: Sergej Bobrovskij.
- Tehnicheskij forum po robototehnike [Jelektronnyj resurs]. URL: http://roboforum.ru/wiki/Navigacija Rezhim dostupa: svobodnyj (data obrashhenija: 20.04.2015).