Разработка алгоритма перемещения мобильного робота с использованием карты местности,

Аннотация 2
Введение 7
1 Задачи мобильного робота-перевозчика для производства. Методы их
решения 11
2 Исходные данные для решения задачи перемещения мобильного
робота-перевозчика 19
2.1 Среда разработки 19
2.2 Модель мобильного робота 22
3 Реализация метода навигации мобильного робота по готовой карте
местности с методом «счисления пути» 24
3.1 Построение маршрута по карте пространства 24
3.2 Оптимизация построенного маршрута 27
3.3 Вычисление угла поворота и расстояния 35
4 Обход препятствий 37
4.1 Обход неподвижных препятствий 38
4.2 Обход подвижных препятствий 54
Заключение 59
Список использованных источников и литературы 61

Купить

В настоящее время во всех сферах человеческой деятельности, начиная от социального обслуживания и медицины, заканчивая промышленным производством и научными исследованиями, можно наблюдать повсеместное использование широкого спектра роботов и роботизированных систем. Значительную роль во всем этом многообразии средств автоматизации занимают автономные системы перемещения, способные не только самостоятельно двигаться без участия оператора, контролирующего перемещение, но имеющие возможности самим строить и оптимизировать маршрут, находя кратчайшее расстояние до цели. Речь идет о мобильных роботах, которые в наше время получили широкое распространение и используются во многих сферах, начиная от ресторанного бизнеса, где они выполняют роль официантов и разносчиков, и заканчивая промышленностью, где они перемещают на себе роботов-манипуляторов, доставляют опасные грузы, с которыми нежелательно контактировать человеку, но наибольшее распространение такие роботы получили в сфере логистики, где на одном складе одновременно может работать более десяти тысяч мобильных роботов [1]. Учитывая такое широкое распространение мобильных роботов, перед инженерами остро встает вопрос о том, каким именно образом они будут выполнять порученную им работу. В первую очередь, это касается умений робота ориентироваться в пространстве и перемещаться в необходимое место. Для выполнения этих задач программисты создают различные алгоритмы локализации и навигации, которые каждый год модифицируются и развиваются с целью упрощения рабочей программы, получения более точных результатов и повышения эффективности производства в целом.
Задачи локализации и навигации не ограничиваются одним лишь созданием алгоритмов позиционирования робота и нахождением пути, но и требуют от инженера знания технической стороны вопроса, ведь для того, чтобы робот мог ориентироваться в пространстве и доставлять грузы, ему необходимы системы «зрения». Эти системы выполняют для робота роль «глаз», позволяя ему получать информацию об окружающем его пространстве и изменениях, происходящих в нем. Эта информация доносится в вычислительный модуль робота, который, в свою очередь, с помощью написанных программистами алгоритмов, уже и определяет дальнейшие действия робота на основе полученных данных. К таким системам «зрения» относят: лазерные дальномеры, сонары, датчики движения, динамические (тактильные) датчики и тому подобные. Помимо этого, инженеру необходимо спроектировать конструкцию мобильного робота согласно условиям, в которых он должен применяться, будь это простая перевозка грузов по складу или цеху, или же работа в экстремальных и опасных для человека и робота ситуациях. От условий труда будут зависеть такие технические характеристики робота, как количество применяемых приводов, величина грузоподъемности, габариты робота, а также положение датчиков. Таким образом, мы видим, что техническое оснащение робота не менее важно, чем разработанное с целью навигации программное обеспечение.
В процессе работы над роботом инженеры сталкиваются с проблемой тестирования разрабатываемой системы. Как известно из практики, сразу получить рабочий продукт получается крайне редко. Зачастую, результат достигается благодаря проведению серии экспериментов и последующему анализу полученных результатов, на основе которых делается вывод о дальнейшей модификации разрабатываемой рабочей системы [2]. Однако, собирать робота целиком в реальных условиях слишком дорого и расходует большое количество времени и сил. Помимо этого, в случае допущенной инженерами ошибки и последующего повреждения робота, появляются лишние затраты на ремонт оборудования, что только увеличивает время разработки. С целью разрешения этой проблемы создаются специальные программы, называемые «имитаторами», в которых можно виртуально произвести тестирование рабочей программы, а также проверить функционирование механизма робота, заранее смоделировав его в «имитаторе». Благодаря подобным программам осуществлять тестирование роботов и алгоритмов их управления стало гораздо проще и удобнее, что самым решительным образом облегчает работу разработчикам. Для решения задач локализации и навигации использование подобных систем просто необходимо в виду своей практичности и простоты.
Объектом исследования работы является навигация мобильных роботов.
Предметом исследования работы является алгоритм перемещения мобильных роботов с использованием карты местности.
Целью работы является создание алгоритма управления мобильным роботом и его реализация на опытном образце .
В работе решаются следующие задачи:
1) Изучение принципов и методов перемещения автономных мобильных роботов в пространстве;
2) Изучение робототехнического конструктора ТРИК и способов его программирования;
3) Сборка макета мобильного робота на базе кибернетического конструктора ТРИК;
4) Реализация алгоритмов движения мобильного робота в виде программного кода;
5) Отладка программ управления мобильным роботом.
В качестве методов исследования в работе используются:
1) Анализ литературы и информации из открытых источников о существующих методах навигации промышленных мобильных роботов;
2) Математическое моделирование перемещения мобильного робота с использованием программного комплекса;
3) Проведение экспериментов с разработанным алгоритмом перемещения на реальном роботе.
Описанный в работе разработанный метод навигации мобильных роботов позволяет оценить эффективность тех или иных принципов, используемых при проектировании алгоритмов перемещения мобильных роботов, выявить их слабые и сильные стороны, а также может послужить основой для разработки более совершенного алгоритма в будущем.
Разработанный алгоритм несет и практическую значимость, так как был испытан на опытном образце, собранном на базе кибернетического конструктора ТРИК, а управляющая программа, реализующая данным алгоритм, без особых трудностей может быть перенесена в любую другую робототехническую базу. Сам же алгоритм показал себя как надежный и применимый на реальном предприятии, где возможно возникновение не только неожиданных статических препятствий, но и появление динамических объектов, которыми могут являться другие мобильные роботы или кто-либо из сотрудников предприятия.
При выполнении работы использовались различные источники информации, начиная от учебных пособий по робототехнике и автоматизации, и заканчивая ресурсами в сети интернет, посвященными любительской робототехнике, программированию и конструированию робототехнических систем [1-13].
Данная работа состоит из 4-х глав и имеет следующую структуру:
1) В первой главе формулируются задачи, которые обязан решать мобильный робот-перевозчик, а также описываются существующие методы, решающие эти задачи;
2) Во второй главе приводится перечень исходных данных для решения поставленных в работе задач, а именно обзор среды разработки и описание модели мобильного робота;
3) В третьей главе описывается порядок разработки собственного метода навигации мобильного робота: создание алгоритма перемещения робота по готовой карте местности и его оптимизация;
4) В четвертой главе описывается создание алгоритма обхода статических и динамических препятствий;
5) В заключении подводятся итоги работы и делаются выводы об эффективности разработанного алгоритма.

Купить