Разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create

ВВЕДЕНИЕ

Развитие робототехники началось с отраслей, имеющих наиболее жесткую детерминированную среду и процессы, в частности, машиностроения. По мере развития сенсорных средств, систем управления, робототехнические системы стали создаваться и для немашиностроительных отраслей. В первую очередь такие системы требуются в отраслях и областях деятельности человека, где его нахождение или участие опасно для жизни или здоровья. В других случаях использование робототехнических систем позволяет экономить значительные средства на подготовительных роботах, например, в строительстве.

Для работ в недетерминированных условиях в настоящее время развивается особый класс робототехнических систем, называемых в технической литературе "мобильными роботами", отличительной чертой которых является способность к перемещениям в пространстве.

Диапазон применения мобильных роботов чрезвычайно широк:

- роботы используются при исследованиях космического пространства и океанских глубин;

- с помощью роботов проводятся сложнейшие хирургические операции на мозге и сердце. Разработаны роботизированные протезы конечностей и некоторых внутренних органов;

- военная техника становится все умней и самостоятельней - управление движением, контроль обстановки, прицеливание и поражение цели производит машина, а человеку остаются решение тактических задач и техническое обслуживание.

Все это указывает на актуальность исследований в области мобильных роботов, что и определяет направленность данного дипломного проекта [1].

Цель дипломного проекта - разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create.

В дипломном проекте планируется рассмотреть следующие задачи:

- произвести анализ современных мобильных роботизированных систем;

- рассмотреть устройство и функционирование сенсорных систем мобильных роботов;

- разработать программное обеспечение сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create.

Разработка раздела “Безопасность жизни и деятельности человека” необходима для проведения анализа опасных и вредных производственных факторов, в данном случае влияющих на разработчика программного продукта, оценки факторов производственной среды и трудового процесса и приведения этих факторов к норме, для обеспечения оптимального с точки зрения сохранения здоровья и работоспособности взаимодействия людей с техническими средствами и окружающей средой. Помимо вышесказанного, в разделе будут рассмотрены вопросы техники безопасности, производственной санитарии и гигиены труда, пожарной профилактики.

В экономической части дипломного проекта будет произведен расчет трудоемкости разработки ПП и заработной платы исполнителей, затраты на разработку, будет рассчитана отпускная цена одной копии программного продукта, а также коэффициент конкурентоспособности и показатель риска разработчика ПП.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Общие сведения о мобильных роботах

Поскольку в различных источниках информации нет однозначных определений и терминов по мобильным роботам и общепринятой классификации, вначале необходимо ввести несколько определений.

Прежде всего, общее понятие "робот" трактуется отдельными авторами по-разному. Наиболее подходящим является следующее определение: робот - машина с автоматическим или интерактивным управлением; перепрограммируемая или самообучающаяся; манипуляционная или мобильная; имеющая несколько степеней подвижности; используемая как в детерминированных, так и в недетерминированных средах и процессах.

В предлагаемом определении можно отметить следующие особенности:

- к роботам отнесены системы с интерактивным управлением (т.е. управляемые попеременно - то оператором, то автоматически), это позволяет считать роботами не только системы, оснащенные манипуляторами, но и большой класс появившихся в последнее время устройств, называемых мобильными роботами, которые в большинстве случаев имеют именно интерактивное управление (автономные мобильные роботы, т.е. управляемые полностью автоматически, существуют пока только в лабораторных разработках);

- к роботам не отнесены устройства с ручным управлением, это, конечно, не позволяет отнести к роботам часть мобильных систем с дистанционным ручным управлением (управляемых в течение всего времени только оператором и не имеющих автоматического управления), но если не принять это ограничение, то придется относить к роботам все манипуляторы с ручным управлением (а ими можно подсчитать даже портальные краны, экскаваторы и т.п.), что совершенно неприемлемо, необходимо, однако, учитывать, что в источниках информации мобильные системы с ручным управлением все же часто называются мобильными роботами.

Под мобильными роботами предлагается понимать лишь устройства, перемещения которых производятся по неопределенной (заранее не проложенной), неограниченной траектории.

К роботам предлагается относить только машины, обладающие несколькими степенями подвижности. Это объясняется тем, что исторически сложилось считать машины с одной степенью подвижности просто транспортными средствами.

Отмечая, что мобильные роботы могут применяться как в детерминированных, так и в недетерминированных средах (процессах) подчеркивается, что сфера использования роботов неограниченна (в отличие, например, от промышленных роботов).

Термин "мобильный" робот имеет в различных источниках информации следующие определения:

- движущийся робот [2];

- робот, который установлен на подвижной тележке [3].

Такие определения являются определениями с неоднозначными признаками (критериями). Дело в том, что в новом классе машин, появившемся в последнее время и названном мобильными роботами, имеется не просто перемещение робота на какое-то определенное расстояние, а перемещение робота на колесах, гусеницах или ногах на любое заданное человеком или программой расстояние. Это предполагает отсутствие однозначного, заранее проложенного маршрута перемещения (траектории). Такие роботы обычно обладают развитой сенсорной системой, элементами искусственного интеллекта. Признак не только большей или меньшей независимости от человека-оператора, но также и независимости от однозначной, предварительно определенной траектории содержится в самом названии таких роботов, т.е. автономные мобильные роботы - это роботы, управляемые без участия человека.

В результате сказанного выше предлагается следующее определение: мобильный робот (англ.: mobile robot; locomotive robot) - робот, отличительной чертой которого является наличие локомоционной способности (т.е. способности к переместительным движениям системы в пространстве).

Существуют различные подходы к классификации мобильных роботов.

На Рисунке 1.1 приведена классификация мобильных роботов по сферам их применения.

Рисунок 1.1 - Классификация мобильных роботов по сферам применения

Необходимо отметить, что для работы в недетерминированных условиях могут в подавляющем большинстве случаев использоваться только мобильные роботы. Недетерминированные условия - это или недетерминированные среды или недетерминированные процессы.

К недетерминированным средам предлагается относить природные среды и среды, создаваемые аварийными ситуациями, как в природных условиях, так и при разрушениях зданий и сооружений, спроектированных и созданных человеком [4]. К действиям робота в природных средах относятся действия при горных разработках, полевых сельскохозяйственных работах, лесопосадках, разведке на местности, подводных и подземных работах, определениях радиоактивной зараженности местности, военных действиях при разминировании и патрулировании, обслуживании слепых в качестве поводырей на улице и т.п. К действиям робота при разрушениях созданных человеком сред относятся действия по расчистке завалов, спасательных работах в разрушенных сооружениях и т.п.

К недетерминированным процессам относиться каждый процесс, протекание и результат которого не зависит полностью от целенаправленной деятельности человека. Недетерминированными процессами являются все природные процессы (землетрясения, извержения вулканов и т.п.), пожары, взрывы, уборка сельскохозяйственных продуктов и т.п.

Необходимо отметить, что в детерминированных условиях мобильные роботы используются редко. Детерминированные условия - это или детерминированные среды и (или) детерминированные процессы.

К детерминированным средам относят среды, проектируемые и создаваемые человеком (производственные, бытовые помещения и здания, строительные площадки и другие сооружения). К детерминированным процессам относиться каждый процесс, протекание и результат которого полностью зависит от целенаправленной деятельности человека (деятельности по непосредственному осуществлению процесса, управлению процессом и т.п.)

К примерам использования мобильных роботов в детерминированных условиях относится, например, обслуживание атомных электростанций и других сооружений, пребывание в которых опасно для человека; обслуживание людей в быту в качестве роботов-уборщиц, роботов-сиделок и т.п.

По степени независимости от участия человека-оператора в контуре управления все мобильные роботы могут быть классифицированы на две большие группы [5]:

- с автоматическим управлением (автономные роботы);

- с интерактивным управлением (телеоператоры, телероботы).

Мобильные роботы с автоматическим управлением - роботы, управление которыми осуществляется системой управления без участия человека.

Для того чтобы совершать действия без участия человека (обычно в недетерминированной, изменяющейся среде) роботы должны обладать искусственным интеллектом. В связи с этим, в отличие от других роботов, мобильные роботы с автоматическим управлением в источниках информации обычно называются автономными. Автономные мобильные роботы - это роботы, способные сами (в зависимости от сигналов от датчиков) принимать решение в изменяющейся обстановке. Иногда они называются также самообучающимися мобильными роботами.

Роботы с интерактивным управлением следует признать системами более высокого интеллектуального уровня, чем автономные роботы, т.к. возможности человеческого разума на уровне принятия решения в критических ситуациях превосходят в настоящее время самые развитые системы искусственного интеллекта.

Мобильные роботы с интерактивным управлением - это роботы, которые могут работать, и в автоматическом режиме, и управляться человеком-оператором. В отличие от биотехнических систем (систем с ручным управлением), интерактивные системы имеют устройства памяти для автоматического выполнения определенных действий [6].

По функциональному назначению мобильные роботы классифицируются на следующие группы:

- специального назначения;

- для военных и военизированных применений;

- для экстремальных ситуаций, научных исследований;

- для спортивных, промышленных и бытовых применений.

1.2 Структура мобильного робототехнического комплекса

Любой мобильный робот может быть представлен в виде совокупности трех больших систем - транспортной, специальной и управления [7].

Транспортная система представляет собой транспортное средство, предназначенное для доставки специального и технологического оборудования к месту выполнения поставленной задачи.

Транспортное средство состоит из ходовой части, корпуса и энергетической установки. Как правило, система управления устанавливается внутри корпуса. В зависимости от типа среды эксплуатации ходовая часть может быть гусеничная, колесная, колесно-гусеничная, полугусеничная, шагающая, колесно-шагающая, роторная.

Облик наземного мобильного робота в первую очередь определяется типом и конструкцией движителя, служащего для преобразования в процессе взаимодействия с внешней средой усилия, получаемого от двигателя, в тяговое усилие, движущее транспортное средство.

Выбор типа движителя и его размеров является очень сложной задачей. Практически невозможно создать универсальную конструкцию движителя, дающего возможность одинаково уверенно передвигаться в разнообразных условиях окружающей среды. Множество видов и свойств оснований, сложные пересечения рельефа местности, необходимость перемещения по элементам сооружений и внутри зданий являются причиной создания большого числа компоновочных схем роботов с различными типами движителей.

Основное внимание разработчиков уделяется различным вариантам колесного и гусеничного движителей. Несколько меньшее внимание уделено шагающему движителю. И существенно меньшее - другим типам (например, роторно-винтовому, аппаратам на воздушной подушке и др.).

Для каждого типа движителя существует своя область применения. Так, в качестве движителя многофункционального мобильного робота, предназначенного для использования на труднопроходимой местности, выбирают гусеничный движитель как наиболее универсальный. При преимущественном использовании робота на дорогах более предпочтительным является колесный вариант транспортного средства. Применение шагающих машин перспективно лишь в среде, где скорость колесного или гусеничного движителя уступает скорости шагающего движителя (например, в горной местности, в очагах разрушений и т.п.). При конструировании обычных транспортных средств параметры движителя оптимизируются для наиболее характерных условий применения и поверхностей движения. Однако, для мобильного робота такая оптимизация невозможна в силу неопределенности условий движения. Поэтому в настоящее время движители роботов конструируются с возможностью адаптации к поверхности движения.

Страницы: 1, 2, 3