Система управления движением наземным роботом на основе данных с лазерного сканера

1. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ НАЗЕМНЫМ РОБОТОМ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ С ЛАЗЕРНОГО СКАНЕРА

Конкурс «Наземная робототехника - 2014»
Номинация «Концептуальные идеи, алгоритмические и конструктивные
решения по построению и функционированию роботов, робототехнических
комплексов и систем»
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ
НАЗЕМНЫМ РОБОТОМ НА ОСНОВЕ
ДАННЫХ С ЛАЗЕРНОГО СКАНЕРА
В. А. Соловьев (ОАО «ВНИИ «Сигнал» НПК-4 отдел 48 лаборатория 482)
Д. В. Казанцев (ФГБОУ ВПО "Ковровская государственная технологическая
академия имени В.А. Дегтярева", ОАО «ВНИИ «Сигнал» НПК-4 отдел 48
лаборатория 482)

2. Актуальные задачи управления наземным роботом

- Упрощение и облегчение управления
- Повышение интенсивной эксплуатации в
сложных дорожных и климатических условиях
- Быстрота процессов тестирования образцов
нового поколения и запуска их в производство

3. Архитектура системного программного обеспечения

4. Подсистема планирования маршрута

Вычисляет кратчайший маршрут на основе карты
дорожной сети, текущего положения наземного робота
и данных о проходимости отдельных узлов карты.
Подсистема планирования движения
Построение локальной траектории движения на
основе положений текущей ключевой точки и
наземного робота, кинематических ограничений по
скорости и повороту, а также визуальной обстановки.
Подсистема траекторного управления
Управление приводами руля и педалей для
поддержания
требуемой
скорости
и
курса,
необходимого для удержания наземного робота на
желаемой траектории.

5. Ассортимент лазерных сканеров от SICK AG

Угол
Угол обзора
обзора
Угловая
Угловаяразрешающая
разрешающая
способность
способность
Время
отклика
Время
Время отклика
отклика
Разрешение
Разрешение
Разрешение
Погрешность
Погрешность
Погрешность
Погрешность ошибка (1
Статистическая
Статистическая
ошибка (1
Статистическая
сигма)
Статистическая ошибка
ошибка (1
(1
сигма)
сигма)
сигма)лазера
Класс
Класс лазера
Класс
лазера
Класс
Классзащиты
лазера
Класс защиты
Класс
защиты
Класс
защиты
Диапазон
рабочих
Диапазон
рабочихтемператур
Диапазон
рабочих
Диапазон
рабочих
температур
температур
температур
Диапазонсканирования
сканирования
Диапазон
Диапазон
сканирования
Диапазон
сканирования
Корректировка
на туман
Корректировка
Корректировка на
на туман
туман
Интерфейс
Корректировка
на туман
Интерфейс
Интерфейс
Интерфейс
Скорость
Скорость передачи
передачи данных
данных
Скорость передачи данных
Тип
Тип выходного
выходного сигнала
сигнала
SICK LMS
LD-MRS
200
291
111
Тип выходного сигнала
Напряжение
питания
Напряжениепитания
питания
Напряжение
Потребляемая
мощность
Потребляемаямощность
мощность
Потребляемая
Вес
Вес
Вес
Габариты
Габариты
Габариты
180°
270°
120°
1…0,25°
0,5…0,25°
0,5…0,125°
13…53 мс
20…40
20…40 мс
мс
10
мм
мм
11 мм
±35±40
мм,мм
±5 см
±40
±40 мм
мм
10 мм
20
мм
20
20 мм
мм
1
1
IP1165
IP 65
IP69K
65
IP
0…50°С
0…50°С
0…50°С
80 м
-40…+70°С
30 м (отражающая
20 м
20поверхности
м м
способность
0,5…250
нет
10%)
нет
да
RS
232,
CAN,
есть Ethernet
RS
232,
CAN,
RS 232, CAN, Ethernet
Ethernet
RS 232, RS 422
115
кБод
/
1
Мб
115 кБод
100
Мб
57,6
кБод//11Мб
Мб///100
100Мб
Мб
9,6 / 19,2 / 38,4 / 500 кБод
33 хх PNP
PNP
3 х PNP
9…27 В пост.
24
токаТока
±15%
24ВВ пост.
пост. тока
±15%
8 Вт
12
Вт
20
Вт
1
кг
1,2
4,5 кг
94
88
156xxx 165
155 xxx 210
мм
106
102
152мм
мм

6. Планирование локальной траектории наземного робота в реальном времени

В процессе планирования генерируется набор траекторий, позволяющих
осуществить перемещение из начальной точки в конечную, но отличающихся
формой и возможной скоростью движения.
Алгоритмы, основанные на случайном поиске
RRT (Rapidly Exploring Random Tree - быстро разворачивающееся случайное дерево):
- Применим к большому числу динамических моделей, но не учитывает кинематические
ограничения наземного робота
CL-RRT (Closed Loop - Rapidly Exploring Random Tree - быстро разворачивающееся
случайное дерево с обратной связью):
-Работает для наземного робота с неустойчивой динамикой с помощью
стабилизирующего регулятора;
-Использование стабилизирующего контроллера обеспечивает меньшую ошибку
предсказания, что уменьшает эффект от ошибок и неточностей в модели движения
робота, а также позволяет компенсировать шумы, которые действуют на реальном
наземном роботе;
-Может справиться с любой нелинейной моделью транспортного средства
Hybrid-A*:
- Генерирует траекторию, пригодную для исполнения с дополнительным сглаживанием и
оптимизацией
- Не может осуществлять перестройку траектории в случае её перекрытия

7. Примеры путей Дьюбинса

Путь Дьюбинса (Dubins path) - способ представления траектории в виде набора
дуг и отрезков прямых.
Rturn_min
x, y – координаты положения
Ѳ – ориентация в пространстве
- минимальный радиуса поворота наземного робота

8. Информация, получаемая с лазерного сканера SICK LD-MRS, переведенная в графическое представление

9. Карта проходимости, полученная с помощью лазерного сканера SICK и алгоритмов моделирования препятствий

10. Алгоритм планирования локальной траектории

11. Примеры промежуточных точек, лежащих в области впереди наземного робота

12. Пример полученных траекторий (зеленая линия) и лучшая траектория (красная линия)

13. Взаимосвязь блоков программного обеспечения для моделирования движения мобильного робота

Компьютер 1 - Программное
обеспечение моделирования
работы датчиков (лазерного
сканера, БИНС (возможно
применение различных
модификаций, в том числе и
используемых в разработках ОАО
«ВНИИ «Сигнал»), модуль
геолокации GPS/ГЛОНАСС
основанный на протоколе обмена
IEC 61162-1 (NMEA-0183))
Компьютер 2 - Программное
обеспечение отрисовки карты
местности и реализация алгоритма
объезда препятствий
Свитч – осуществление связи
между ПК по сети Ethernet

14. Установление целевых вершин движения мобильного робота

15. Структурированная местность с отображением различных препятствий и движение мобильного робота по заданным целевым вершинам

16. Спасибо за внимание