Помощь студентам в учебе
Мобильная робототехническая платформа
|
Аннотация 2
Введение 5
1 Разбор рынка и актуальность разработки 11
2 Выбор и обоснование решения для навигации робота 16
3 Разработка структурной схемы 19
4 Разработка протокола связи между узлами платформы 31
5 Разработка электрической схемы соединений 37
6 Разработка алгоритма движения робота 39
6.1 Описание работы с датчиком акселерометра-гироскопа 39
6.2 Вычисление пройденного расстояния. Работа с энкодерами 50
6.3 Управление двигателями платформы 55
6.4 Предотвращение столкновения с препятствиями 58
6.5 Управление движением платформы 60
6.6 Расчет текущего местоположения 64
6.7 Алгоритм работы платформы 66
7 Результаты экспериментальных испытаний 72
8 Безопасность и экологичность проекта 74
9 Экономическая эффективность 76
Заключение 77
Список используемой литературы 78
Введение 5
1 Разбор рынка и актуальность разработки 11
2 Выбор и обоснование решения для навигации робота 16
3 Разработка структурной схемы 19
4 Разработка протокола связи между узлами платформы 31
5 Разработка электрической схемы соединений 37
6 Разработка алгоритма движения робота 39
6.1 Описание работы с датчиком акселерометра-гироскопа 39
6.2 Вычисление пройденного расстояния. Работа с энкодерами 50
6.3 Управление двигателями платформы 55
6.4 Предотвращение столкновения с препятствиями 58
6.5 Управление движением платформы 60
6.6 Расчет текущего местоположения 64
6.7 Алгоритм работы платформы 66
7 Результаты экспериментальных испытаний 72
8 Безопасность и экологичность проекта 74
9 Экономическая эффективность 76
Заключение 77
Список используемой литературы 78
На данный момент в мире одно из активно развивающихся направлений - робототехника. Робототехнические комплексы применяют для автоматизации, ускорения темпов производства и получения качественного результата в различных технологических процессах, а также промышленных устройствах. Например, в автомобилестроении при сварке кузовов (рисунок 1), при производстве печатных плат различной плотности монтажа, в станках с числовым программным управлением (ЧПУ) (рисунок 2), в станках для лазерной и гидроабразивной резки и многих других областях производства.
Рисунок 1 - Сварка кузовов легковых автомобилей при помощи промышленных манипуляторов
Рисунок 2 - Токарный станок с ЧПУ
Также робототехнические комплексы активно разрабатываются и внедряются в военной сфере. Они могут представлять из себя как наземную, так и воздушную технику. Например, для разведки, нанесения точечных авиационных ударов, корректировки огня артиллерии и т.д. в современных армиях мира применяются беспилотные летательные аппараты начиная от легких, которые имеют небольшой вес, радиус действия и могут запускаться с переносных установок или даже с рук (рисунок 3 слева) и заканчивая тяжелыми авиационными системами способными на длительное нахождение в воздухе и доставку средств поражения живой силы и техники (рисунок 3 справа).
Рисунок 3 - Беспилотные летательные аппараты, слева - легкий, справа - тяжелый
Примером наземных военных робототехнических устройств являются комплексы для проведения инженерно-саперных работ или для оказания огневой поддержки войск. Примером комплексов для проведения инженерно-саперных работ является Российский комплекс «Уран-6» представленный на рисунке 4.
Рисунок 4 - Комплекс для проведения разминирования «Уран-6»
Примером роботизированного комплекса для оказания огневой поддержки войск является комплекс «Уран-9» который на данный момент поставляется в войска Российской Федерации (рисунок 5).
Рисунок 5 - Роботизированный боевой комплекс «Уран-9»
В гражданской сфере роботизированные комплексы применяются для самых различных целей. Они могут выполнять роль интерактивных рекламных устройств, для консультаций и сопровождения клиентов, в качестве систем имитации присутствия, в качестве роботов-гидов, осуществлять уборку помещений. В качестве простого примера уборщика помещений можно привести робот пылесос (рисунок 6), уже вошедший в быт человека.
Рисунок 6 - Робот пылесос производства компании iRobot
Хорошим представителем роботов-гидов, роботов для консультаций и сопровождения клиентов является продукт деятельности российской команды разработчиков робот «Promobot» изображенный на рисунке 7. Этот робот обладает широким функционалом, включающим распознавание и запоминание лиц, а также возможность общения на различных языках. Применение таких систем позволяет исключить человеческий фактор, повысить продуктивность, снизить затраты на персонал.
Рисунок 7 - Промо-робот «Promobot»
В транспорте роботизированные системы применяются как для помощи при управлении автомобилем, так и для полностью автономного управления автомобилями. Уже на данный момент крупные автопроизводители оснащают свои автомобилями системами способными автоматически удерживать автомобиль на полосе, отслеживая дорожную разметку, выполнять роль системы защиты от столкновений, при возникновении опасных ситуаций. Также, на данный момент, существуют автомобили, способные полностью автономно управлять движением. Есть обычные автомобили, оснащаемые роботизированными комплексами для управления как, например, автомобиль «Toyota» изображенная на рисунке 8, но есть и производители уже выпускающие автомобили с интегрированной системой.
Рисунок 8 - Автомобиль, оснащенный системой автоматического управления движением
Компанией, уже наладившей производство таких автомобилей, является «Tesla». Такая система на основе информации с датчиков и камер анализирует окружающую обстановку и выполняет действия в соответствии с заложенными правилами. На рисунке 9 представлена работа такой системы. Видно, как камера распознаёт и выделяет отдельные объекты, важные с точки зрения управления движением - линию разметки, край дорожного полотна, статичные объекты и объекты, находящиеся на проезжей части.
Рисунок 9 - Работа автоматизированной системы управления в автомобиле «Tesla»
Роботизированные системы все чаще применяются в области складской логистики и для доставки различных грузов. Так, например, компания «Amazon» планирует осуществлять доставку небольших заказов при помощи специально оснащенных квадрокоптеров и гексакоптеров (рисунок 10).
Рисунок 10 - Гексакоптер-почтальон компании «Amazon»
Для доставки грузов в складских помещениях используются специальные подвижные платформы, обладающие различным функционалом в зависимости от комплектации. Для примера на рисунке 11 представлена автономная платформа для доставки грузов массой до полутора тонн разработанная компанией «OTTO Motors».
Рисунок 11 - Робот для доставки грузов «ОТТО»
Также есть много других областей применения робототехники, таких как космическая отрасль, медицина, образование и т.д. Основные причины применения роботизированных систем — это защита человека от вредных воздействий на производствах, оптимизация и ускорение производственного процесса, снижение влияния человеческого фактора при работе, удешевление и повышение надежности производства. Роботизированные системы позволяют облегчить жизнь, забирая на себя некоторые бытовые обязанности, давая возможность потратить время с пользой. Роботы призваны улучшить качество жизни человека, обеспечить помощь и безопасность в различных сферах деятельности человека, а также задать более высокий темп развития человечества вцелом.
Рисунок 1 - Сварка кузовов легковых автомобилей при помощи промышленных манипуляторов
Рисунок 2 - Токарный станок с ЧПУ
Также робототехнические комплексы активно разрабатываются и внедряются в военной сфере. Они могут представлять из себя как наземную, так и воздушную технику. Например, для разведки, нанесения точечных авиационных ударов, корректировки огня артиллерии и т.д. в современных армиях мира применяются беспилотные летательные аппараты начиная от легких, которые имеют небольшой вес, радиус действия и могут запускаться с переносных установок или даже с рук (рисунок 3 слева) и заканчивая тяжелыми авиационными системами способными на длительное нахождение в воздухе и доставку средств поражения живой силы и техники (рисунок 3 справа).
Рисунок 3 - Беспилотные летательные аппараты, слева - легкий, справа - тяжелый
Примером наземных военных робототехнических устройств являются комплексы для проведения инженерно-саперных работ или для оказания огневой поддержки войск. Примером комплексов для проведения инженерно-саперных работ является Российский комплекс «Уран-6» представленный на рисунке 4.
Рисунок 4 - Комплекс для проведения разминирования «Уран-6»
Примером роботизированного комплекса для оказания огневой поддержки войск является комплекс «Уран-9» который на данный момент поставляется в войска Российской Федерации (рисунок 5).
Рисунок 5 - Роботизированный боевой комплекс «Уран-9»
В гражданской сфере роботизированные комплексы применяются для самых различных целей. Они могут выполнять роль интерактивных рекламных устройств, для консультаций и сопровождения клиентов, в качестве систем имитации присутствия, в качестве роботов-гидов, осуществлять уборку помещений. В качестве простого примера уборщика помещений можно привести робот пылесос (рисунок 6), уже вошедший в быт человека.
Рисунок 6 - Робот пылесос производства компании iRobot
Хорошим представителем роботов-гидов, роботов для консультаций и сопровождения клиентов является продукт деятельности российской команды разработчиков робот «Promobot» изображенный на рисунке 7. Этот робот обладает широким функционалом, включающим распознавание и запоминание лиц, а также возможность общения на различных языках. Применение таких систем позволяет исключить человеческий фактор, повысить продуктивность, снизить затраты на персонал.
Рисунок 7 - Промо-робот «Promobot»
В транспорте роботизированные системы применяются как для помощи при управлении автомобилем, так и для полностью автономного управления автомобилями. Уже на данный момент крупные автопроизводители оснащают свои автомобилями системами способными автоматически удерживать автомобиль на полосе, отслеживая дорожную разметку, выполнять роль системы защиты от столкновений, при возникновении опасных ситуаций. Также, на данный момент, существуют автомобили, способные полностью автономно управлять движением. Есть обычные автомобили, оснащаемые роботизированными комплексами для управления как, например, автомобиль «Toyota» изображенная на рисунке 8, но есть и производители уже выпускающие автомобили с интегрированной системой.
Рисунок 8 - Автомобиль, оснащенный системой автоматического управления движением
Компанией, уже наладившей производство таких автомобилей, является «Tesla». Такая система на основе информации с датчиков и камер анализирует окружающую обстановку и выполняет действия в соответствии с заложенными правилами. На рисунке 9 представлена работа такой системы. Видно, как камера распознаёт и выделяет отдельные объекты, важные с точки зрения управления движением - линию разметки, край дорожного полотна, статичные объекты и объекты, находящиеся на проезжей части.
Рисунок 9 - Работа автоматизированной системы управления в автомобиле «Tesla»
Роботизированные системы все чаще применяются в области складской логистики и для доставки различных грузов. Так, например, компания «Amazon» планирует осуществлять доставку небольших заказов при помощи специально оснащенных квадрокоптеров и гексакоптеров (рисунок 10).
Рисунок 10 - Гексакоптер-почтальон компании «Amazon»
Для доставки грузов в складских помещениях используются специальные подвижные платформы, обладающие различным функционалом в зависимости от комплектации. Для примера на рисунке 11 представлена автономная платформа для доставки грузов массой до полутора тонн разработанная компанией «OTTO Motors».
Рисунок 11 - Робот для доставки грузов «ОТТО»
Также есть много других областей применения робототехники, таких как космическая отрасль, медицина, образование и т.д. Основные причины применения роботизированных систем — это защита человека от вредных воздействий на производствах, оптимизация и ускорение производственного процесса, снижение влияния человеческого фактора при работе, удешевление и повышение надежности производства. Роботизированные системы позволяют облегчить жизнь, забирая на себя некоторые бытовые обязанности, давая возможность потратить время с пользой. Роботы призваны улучшить качество жизни человека, обеспечить помощь и безопасность в различных сферах деятельности человека, а также задать более высокий темп развития человечества вцелом.
В рамках бакалаврской работы была проведена работа по исследованию существующих робототехнических систем и областях их применения. Определено наиболее перспективное и доступное направление развития, рассмотрены уже существующие робототехнические системы и на основе описанной информации обоснована актуальность текущей разработки. Выделены наиболее доступные и широко применяющиеся в мире методы позиционирования, объяснена невозможность их применения для робототехнических систем складской логистики и предложено альтернативное решение. Разработана структурная схема платформы и подобраны основные элементы схемы. Для взаимодействия контроллеров разработан универсальный протокол приёмопередачи данных, описан алгоритм его работы и написана программа на языке С++. Разработана схема электрических соединений всех элементов платформы. Подробно описана работа с каждым функциональным элементом, обеспечивающим безопасное передвижение и точное позиционирование платформы. Разработан алгоритм работы платформы и его программная реализация. Представлена программа и описаны результаты экспериментальных испытаний. Оценена безопасность и экологичность проекта, а также представлены основные требования по безопасной эксплуатации робототехнической платформы. Произведена оценка экономической эффективности.
