Дипломная работа: Сенсоры для навигации мобильного робота

Важнейшей составной частью роботов второго и третьего поколений является система очувствления, в задачу которой входит восприятие информации о состоянии внешней среды и ее обработка. Эти действия сводятся к обнаружению объектов, определению их местоположения, расположения препятствий, распознаванию, оценке параметров, свойств объектов и среды.

Разработка интеллектуальных мобильных роботов (ИМР) для различных производственных и исследовательских целей является весьма важной и актуальной задачей. Одной из центральных проблем, возникающих при ее решении, является проблема построения управляющих систем, реализующих целенаправленное поведение ИМР в сложной априори неформализованной естественной среде. Отсутствие в настоящее время общей теории синтеза таких систем стимулирует разработку специальных инструментальных средств ориентированных на их экспериментальное исследование.

Цель работы – разработать систему сенсоров для навигации интеллектуальным мобильным роботом.

Объект работы – интеллектуальный мобильный робот.

1. Классификация навигационных систем

К навигационным системам относятся технические средства, предназначенные для автоматического дистанционного измерения координат объектов манипулирования. Специфические требования к моделям навигационных систем вытекают из их принципов действия и особенностей функционирования.

По принципу действия навигационные системы роботов не отличаются от соответствующих измерительных систем, используемых в радио-, звуко- и гидронавигации, при физических измерениях и других исследованиях. Особенность заключается в том, что в робототехнике применяется почти весь арсенал средств из перечисленных областей, что приводит к более сложной процедуре классификации.

Навигационные системы роботов подразделяются на:

а) системы измерения угловых координат;

б) системы измерения дальности и скорости;

в) системы поиска и обнаружения.

Эти навигационные системы в свою очередь подразделяются на свои подсистемы различные по принципу действия и устройству.

1.1 Системы измерения угловых координат

1.1.1 Телевизионная угломерная система

Данная система предназначена для автоматического измерения угловых координат объекта в двух плоскостях: горизонтальной β и вертикальной ε. В состав системы (рис. 1.1) входят: телевизионная камера ТВК, имеющая в своем составе фокусирующую оптику, видикон или твердотельные оптические элементы; телевизионный приемник с разверткой изображения ТВП; монитор М для демонстрации изображения; оптический дискриминатор ОД; усилительные и фильтрующие элементы УФ; схема задержки СЗ; генератор стробов ГС; преобразователь времени задержки в напряжение П; приводы поворота ТВК по координатам β и ε.

Рисунок 1.1 – Телевизионная угломерная система

Система работает по замкнутому циклу и имеет два контура управления — внешний, замыкающийся через приводы поворота ТВК, и внутренний, замыкающийся через генератор стробов. Работа системы основана на так называемом принципе «следящего окна».

Перемещение изображения объекта в системе координат (β, ε) должно отслеживаться стробами, образующими «окно». Принцип слежения осуществляется следующим образом. Сигналы изображения объекта и сигналы стробов подаются на оптический дискриминатор ОД, где вырабатываются четыре напряжения, пропорциональные площади изображения участков объекта в каждом из стробов. Обозначим эти напряжения буквами соответственно для стробов 1, 2, 3, 4 «следящего окна». Из этих напряжений формируются два сигнала рассогласования:

;

. (1.1)

Описанная система является дискретной, поскольку информация об угловом рассогласовании с ОД поступает с частотой следования кадров телевизионной развертки, а затем сглаживается и преобразуется в непрерывный сигнал при последующей фильтрации. По составу элементов – это система электромеханическая, поскольку исполнительными элементами поворотных приводов служат электродвигатели постоянного, переменного тока или шаговые. В последнем случае в преобразователе П выходным сигналом должен быть цифровой код.

1.1.2 Оптическая угломерная система со сканированием луча

Использование оптических сигналов в навигационных системах роботов весьма распространено. Чаще всего применяют инфракрасные и лазерные системы, у которых удается сформировать узкие лучи света и тем самым обеспечить высокую пространственную разрешающую способность и большую плотность потока мощности.

Функциональная схема системы изображена на рис. 1.2, на котором ГО – генератор оптического излучения с фокусирующей системой, СЗ – сканирующее зеркало, СП – световое пятно на поверхности объекта, ОП – приемник оптического сигнала, ИС – измерительная часть системы.

Генератор излучения, работающий в непрерывном режиме, с помощью фокусирующей оптической системы формирует узкий луч света, падающий на зеркало СЗ. Механизм поворота зеркала обеспечивает сканирование луча в секторе θ с периодом так, что ось луча движется вдоль прямой линии на поверхности объекта. На своем пути световое пятно пересекает область стыка двух свариваемых листов. Отражательные способности поверхности и стыка листов различны. Середина импульса отраженного сигнала соответствует центру стыкуемых листов, поэтому интервал времени τ от начала отсчета до точки положения минимума амплитуды импульса будет характеризовать угловое отклонение β линии стыка от оси навигационной системы. Нетрудно получить формулу связи между τ и β в виде .

Рисунок 1.2 – Оптическая угломерная система со сканированием луча

Оптическая угломерная система со сканированием луча относится к классу дискретных систем, поскольку информация об угловом положении оси стыка поступает с периодом и работает по разомкнутому циклу.