Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА НА БАЗЕ ПОДСИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
|
РЕФЕРАТ 5
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Робототехника 9
1.1 Робот 9
1.2 Навигация мобильных автономных роботов 12
1.2.1 Использование энкодеров 13
1.2.2 Инерционные навигационные системы 15
1.2.3 Визуальная одометрия 16
1.2.4 Отслеживание перемещения с помощью GPS или ГЛОНАСС 17
2 Системы автоматического управления с нечеткой логикой 21
2.1 Элементы теории нечетких множеств 21
2.2 Основные понятия нечеткой логики 23
2.3 Применение теории нечетких множеств и нечеткой логики в задачах
управления 24
3 Алгоритмы поиска пути 27
3.1 Простейшие алгоритмы поиска пути 27
3.2 Алгоритмы поиска пути на основе графов 30
4 Описание объекта управления. взаимодействие с системой технического
зрения 36
5 Алгоритм управления на основе нечеткой логики. синтез регулятора 37
5.1 Блок обработки координат опорных точек 37
5.2 Синтез регулятора. блок управления 39
5.3 Блок определения текущих координат 44
6 Упрощенный алгоритм управления роботом 47
6.1 Блок, осуществляющий поворот объекта 47
6.2 Блок, осуществляющий прямолинейное движение объекта 50
7 Анализ и сравнение результатов работы алгоритмов управления роботом .... 51
8 Объезд препятствий 53
8.1 Простейший алгоритм объезда препятствий 53
8.2 Поиск кратчайшего пути. алгоритм А* 54
8.3 Анализ и сравнение результатов работы алгоритмов объезда препятствий 62
9 Макет робота 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 70
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Реализованный алгоритм на основе нечеткой логики в программном пакете с графическим языком G 73
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Реализованный упрощенный алгоритм в программном
пакете с графическим языком G 74
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Фронтальная панель управления макетом подвижного объекта в программном пакете с графическим языком G
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Робототехника 9
1.1 Робот 9
1.2 Навигация мобильных автономных роботов 12
1.2.1 Использование энкодеров 13
1.2.2 Инерционные навигационные системы 15
1.2.3 Визуальная одометрия 16
1.2.4 Отслеживание перемещения с помощью GPS или ГЛОНАСС 17
2 Системы автоматического управления с нечеткой логикой 21
2.1 Элементы теории нечетких множеств 21
2.2 Основные понятия нечеткой логики 23
2.3 Применение теории нечетких множеств и нечеткой логики в задачах
управления 24
3 Алгоритмы поиска пути 27
3.1 Простейшие алгоритмы поиска пути 27
3.2 Алгоритмы поиска пути на основе графов 30
4 Описание объекта управления. взаимодействие с системой технического
зрения 36
5 Алгоритм управления на основе нечеткой логики. синтез регулятора 37
5.1 Блок обработки координат опорных точек 37
5.2 Синтез регулятора. блок управления 39
5.3 Блок определения текущих координат 44
6 Упрощенный алгоритм управления роботом 47
6.1 Блок, осуществляющий поворот объекта 47
6.2 Блок, осуществляющий прямолинейное движение объекта 50
7 Анализ и сравнение результатов работы алгоритмов управления роботом .... 51
8 Объезд препятствий 53
8.1 Простейший алгоритм объезда препятствий 53
8.2 Поиск кратчайшего пути. алгоритм А* 54
8.3 Анализ и сравнение результатов работы алгоритмов объезда препятствий 62
9 Макет робота 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 70
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Реализованный алгоритм на основе нечеткой логики в программном пакете с графическим языком G 73
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Реализованный упрощенный алгоритм в программном
пакете с графическим языком G 74
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Фронтальная панель управления макетом подвижного объекта в программном пакете с графическим языком G
С развитием таких направлений науки как теория автоматического управления и искусственный интеллект современный робот научился не только выполнять заложенную ему программу, но и на основе, получаемой посредством разнообразных датчиков и смежных систем всевозможной информации самостоятельно принимать решения и сводить к минимуму ошибки при выполнении поставленных ему задач.
Одной из наиболее трудных является задача автоматического управления траекторией движения робота при условии наличия помех движению. Здесь наиболее важными факторами является обеспечение робота необходимыми датчиками либо подсистемами позволяющими определить наличие, вид и расстояние до препятствия, а также формирование точных и своевременных воздействий по изменению траектории движения и принятие дальнейших двигательных решений.
Основной целью магистерской диссертации является исследование существующих методов и алгоритмов для обеспечения автономного движения мобильных роботов. Рассмотрение вопросов оценки внешней среды за счет использования информации от системы технического зрения. Рассмотрение и реализация различных путей построения систем управления и позиционирования, обеспечивающих реализацию движения с обходом препятствий по заданным траекториям.
Объектом исследования является автономный робот. Предмет исследования - управление движением робота по заданной траектории, с необходимостью корректировать движение для объезда препятствий, в условиях неполной информации.
Основные задачи, рассмотренные в диссертации.
1. Исследование и анализ существующих методов.
2. Рассмотрение систем автоматического управления с нечеткой логикой.
3. Исследование и анализ существующих методов и алгоритмов поиска пути и объезда препятствий.
4. Рассмотрение методов и алгоритмов оценки внешней среды, за счет использования информации, поступающей с системы технического зрения.
5. Разработка алгоритма управления роботом на основе нечеткой логики, проведение необходимых расчетов, измерений и адаптация выбранного алгоритма управления.
6. Разработка упрощенного алгоритма управления роботом, на основе прямолинейного равномерного движения.
7. Разработка алгоритма для объезда несложных препятствий.
8. Реализация алгоритма поиска кратчайшего оптимального пути А*, модификация алгоритма.
9. Реализация и апробация выбранных методов и разработанных алгоритмов, анализ результатов.
Одной из наиболее трудных является задача автоматического управления траекторией движения робота при условии наличия помех движению. Здесь наиболее важными факторами является обеспечение робота необходимыми датчиками либо подсистемами позволяющими определить наличие, вид и расстояние до препятствия, а также формирование точных и своевременных воздействий по изменению траектории движения и принятие дальнейших двигательных решений.
Основной целью магистерской диссертации является исследование существующих методов и алгоритмов для обеспечения автономного движения мобильных роботов. Рассмотрение вопросов оценки внешней среды за счет использования информации от системы технического зрения. Рассмотрение и реализация различных путей построения систем управления и позиционирования, обеспечивающих реализацию движения с обходом препятствий по заданным траекториям.
Объектом исследования является автономный робот. Предмет исследования - управление движением робота по заданной траектории, с необходимостью корректировать движение для объезда препятствий, в условиях неполной информации.
Основные задачи, рассмотренные в диссертации.
1. Исследование и анализ существующих методов.
2. Рассмотрение систем автоматического управления с нечеткой логикой.
3. Исследование и анализ существующих методов и алгоритмов поиска пути и объезда препятствий.
4. Рассмотрение методов и алгоритмов оценки внешней среды, за счет использования информации, поступающей с системы технического зрения.
5. Разработка алгоритма управления роботом на основе нечеткой логики, проведение необходимых расчетов, измерений и адаптация выбранного алгоритма управления.
6. Разработка упрощенного алгоритма управления роботом, на основе прямолинейного равномерного движения.
7. Разработка алгоритма для объезда несложных препятствий.
8. Реализация алгоритма поиска кратчайшего оптимального пути А*, модификация алгоритма.
9. Реализация и апробация выбранных методов и разработанных алгоритмов, анализ результатов.
В магистерской диссертации были исследованы различные системы навигации мобильных объектов и алгоритмы преодоления препятствий.
Разработаны и исследованы два различных алгоритма управления мобильным роботом: алгоритм на основе нечеткой логики и упрощённый алгоритм на основе прямолинейного равномерного движения. Для работы алгоритма на основе нечеткой логики разработана схема был проведен синтез регулятора, и разработана база правил.
При тестировании алгоритма на основе нечеткой логике, удалось выявить следующие недостатки.
1. Отсутствие гибкости алгоритма. В случае изменения параметров объекта управления (диметр колес, ширина колесной базы, тип привода и др.) необходимо вносить серьезные изменения и в алгоритм работы всей системы.
2. Обнаружены ошибки в работе блока определения текущих координат, что, как следствие приводит к неправильному функционированию остальных блоков системы, и всей системы в целом. Одной из причин возникновение такой ошибки, может быть использование энкодеров.
Передвижение объекта по первым трем опорным точкам происходит достаточно точно, однако, уже при движении от третьей опорной точки к четвертой замечены достаточно серьезные отклонения в движении.
Так как разрабатываемая система должна еще и быть способна преодолевать препятствия, возникающие на пути следования объекта управления, использование данного алгоритма может привести не только к ошибкам связанным с позиционирование объекта, но и к возможным столкновениям с препятствиями.
При тестировании алгоритма управления роботом по прямолинейному движению удалось выявить следующие недостатки.
1. Для движения к каждой последующей опорной точки роботу необходимо останавливаться и менять направление, и только после этого
осуществлять движение дальше, что приводит к увеличению времени прохождения пути.
2. Движение получается прерывистым, особенно это становиться заметным в случае, если опорных точек много, и они расположены не слишком далеко друг от друга.
По результатам исследования результатов работы каждого алгоритма можно сделать вывод, что алгоритм с нечеткой логикой позволяет получить наиболее плавное, характерное человеку дугообразное движение, однако он нуждается в некоторой доработке, для устранения накапливающейся со временем ошибки.
Упрощенный алгоритм же, позволяет избежать использования регулятора, и датчиков для обратной связи, и определения текущего положения робота.
Также в работе были рассмотрены два принципиально разных подхода для преодоления препятствий роботом.
Данные о препятствиях, карта местности поступает в систему управления робота с подсистемы технического зрения.
Разработан алгоритм для объезда простых препятствий встречающихся на пути следования робота. Предполагается что до начала движения робота нет никаких данных о карте, по которой совершается движение. Уже во время движения данные поступающие с подсистемы технического зрения позволяют определить наличие препятствия. И в системе управления перестраивается траектория движения робота для объезда препятствия, путем добавления новых опорных точек.
Также подробно рассмотрен и реализован алгоритм для поиска кратчайшего оптимального пути А*. Алгоритм можно использовать в ситуации, когда карта, по которой будет осуществляться движение робота, известна заранее, то есть в подсистеме технического зрения происходит построение карты местности, и эта информация передается в систему управления роботом. В таком случае задаются две опорные точки, и уже после того как кратчайших путь будет найден, рассчитываются координаты опорных точек в соответствии с найденным решением. Также проведена модификация алгоритма А* путем предварительной обработки картографической модели внешней среды, что позволило исключить ситуации формирования физически не реализуемой траектории движения.
По результатам исследования можно сделать вывод, что простой алгоритм объезда препятствий не всегда находит наиболее оптимальный путь, и подходит для объезда несложных препятствий. В то время как алгоритм А* позволяет находить оптимальный кратчайший путь в любой ситуации, если такой путь существует. Главным отличием рассмотренных алгоритмов является, то что алгоритм А* можно использовать только для заранее известных карт, в то время как более простой алгоритм может быть использован в случае если карта заранее не известна, однако данный алгоритм нуждается в модификации и доработке.
Разработаны и исследованы два различных алгоритма управления мобильным роботом: алгоритм на основе нечеткой логики и упрощённый алгоритм на основе прямолинейного равномерного движения. Для работы алгоритма на основе нечеткой логики разработана схема был проведен синтез регулятора, и разработана база правил.
При тестировании алгоритма на основе нечеткой логике, удалось выявить следующие недостатки.
1. Отсутствие гибкости алгоритма. В случае изменения параметров объекта управления (диметр колес, ширина колесной базы, тип привода и др.) необходимо вносить серьезные изменения и в алгоритм работы всей системы.
2. Обнаружены ошибки в работе блока определения текущих координат, что, как следствие приводит к неправильному функционированию остальных блоков системы, и всей системы в целом. Одной из причин возникновение такой ошибки, может быть использование энкодеров.
Передвижение объекта по первым трем опорным точкам происходит достаточно точно, однако, уже при движении от третьей опорной точки к четвертой замечены достаточно серьезные отклонения в движении.
Так как разрабатываемая система должна еще и быть способна преодолевать препятствия, возникающие на пути следования объекта управления, использование данного алгоритма может привести не только к ошибкам связанным с позиционирование объекта, но и к возможным столкновениям с препятствиями.
При тестировании алгоритма управления роботом по прямолинейному движению удалось выявить следующие недостатки.
1. Для движения к каждой последующей опорной точки роботу необходимо останавливаться и менять направление, и только после этого
осуществлять движение дальше, что приводит к увеличению времени прохождения пути.
2. Движение получается прерывистым, особенно это становиться заметным в случае, если опорных точек много, и они расположены не слишком далеко друг от друга.
По результатам исследования результатов работы каждого алгоритма можно сделать вывод, что алгоритм с нечеткой логикой позволяет получить наиболее плавное, характерное человеку дугообразное движение, однако он нуждается в некоторой доработке, для устранения накапливающейся со временем ошибки.
Упрощенный алгоритм же, позволяет избежать использования регулятора, и датчиков для обратной связи, и определения текущего положения робота.
Также в работе были рассмотрены два принципиально разных подхода для преодоления препятствий роботом.
Данные о препятствиях, карта местности поступает в систему управления робота с подсистемы технического зрения.
Разработан алгоритм для объезда простых препятствий встречающихся на пути следования робота. Предполагается что до начала движения робота нет никаких данных о карте, по которой совершается движение. Уже во время движения данные поступающие с подсистемы технического зрения позволяют определить наличие препятствия. И в системе управления перестраивается траектория движения робота для объезда препятствия, путем добавления новых опорных точек.
Также подробно рассмотрен и реализован алгоритм для поиска кратчайшего оптимального пути А*. Алгоритм можно использовать в ситуации, когда карта, по которой будет осуществляться движение робота, известна заранее, то есть в подсистеме технического зрения происходит построение карты местности, и эта информация передается в систему управления роботом. В таком случае задаются две опорные точки, и уже после того как кратчайших путь будет найден, рассчитываются координаты опорных точек в соответствии с найденным решением. Также проведена модификация алгоритма А* путем предварительной обработки картографической модели внешней среды, что позволило исключить ситуации формирования физически не реализуемой траектории движения.
По результатам исследования можно сделать вывод, что простой алгоритм объезда препятствий не всегда находит наиболее оптимальный путь, и подходит для объезда несложных препятствий. В то время как алгоритм А* позволяет находить оптимальный кратчайший путь в любой ситуации, если такой путь существует. Главным отличием рассмотренных алгоритмов является, то что алгоритм А* можно использовать только для заранее известных карт, в то время как более простой алгоритм может быть использован в случае если карта заранее не известна, однако данный алгоритм нуждается в модификации и доработке.