Анализ предметной области проектирования системы навигации

Робототехника - область науки и техники, ориентированная на создание роботов и робототехнических систем, предназначенных для автоматизации сложных технологических процессов и операций, в том числе, выполняемых в неопределённых условиях, для замены человека при выполнении тяжелых, утомительных и опасных работ.

Далеко не всегда условия окружающей среды позволяют человеку выполнять то или иное действие непосредственно. Это может быть работа со взрывоопасными материалами, отравляющими веществами, пожаротушение и многие другие задачи. В таких ситуациях на помощь человеку приходят мобильные роботы для использования в чрезвычайных ситуациях.

МР имеет ряд сенсоров для восприятия окружающей его среды, ряд исполнительных устройств (эффекторов) для воздействия на среду и систему управления, которая позволяет роботу совершать целенаправленные и полезные действия (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Базовые элементы всех роботизированных систем

МРИЧС использует дистанционные датчики, датчики температуры, датчики химических веществ, датчики радиации и др. для восприятия окружающей его среды, а также двигательные устройства в качестве эффекторов для воздействия на среду.

Рисунок 2.2 – Замкнутая кольцевая система во взаимодействии с окружающей средой

В замкнутой кольцевой системе сенсоры возбуждают систему управления, в зависимости от изменений в окружающей среде (рис. 2.2). В другом случае действует так называемая обратная связь. Если система управления определяет действие, которое изменяет среду, сенсоры подтверждают данное изменение, отправляя информацию о новом состоянии окружающей среды в систему управления [5].

Применение МРИЧС позволяет исключить угрозу здоровью и жизни человека-оператора. Таким образом, актуальной является проблема создания мобильных роботов, обладающих способностями к самостоятельному передвижению и автоматическому выполнению поставленных задач. Важную роль при этом играет создание системы навигации, позволяющей составлять карту среды, в которой функционирует МР, планировать маршрут, ведущий к цели и обход препятствий, встречающихся на пути.

В настоящее время в большинстве случаев управление роботом осуществляет человек-оператор на уровне движений, при этом от человека требуется непрерывное наблюдение за роботом и оперативное управление его действиями. Такой подход определяется неспособностью робота принимать самостоятельные решения и имеет ряд недостатков. К ним можно отнести необходимость организации и постоянной поддержки канала связи с человеком-оператором (кабельная связь или радиосвязь), что существенно ограничивает область применения робота.

При выполнении технологических операций оператор, получая от системы технического зрения информацию об объекте и процессе выполняемых работ, непрерывно осуществляет ручное управление исполнительными механизмами манипулятора и транспортного средства. Сложный процесс управления в сочетании с характером выполняемых работ, требующих повышенного внимания и осторожности, приводит к быстрой утомляемости оператора и, как следствие, увеличению вероятности ошибочных действий. Кроме того, человек не всегда может правильно оценить обстановку по данным телеметрии и осуществить адекватное управление. Указанных недостатков можно избежать, если управление со стороны человека-оператора будет проводиться не на уровне задания отдельных движений, а на уровне постановки цели. В этом случае робот должен самостоятельно (или при минимальном участии человека) выполнять поставленные задачи [6].

Лет десять тому назад казалось, что решить вопросы навигации роботов будет несложно. Представлялось, что достаточно распознать изображение, опознать заданные объекты, измерить до них расстояние - и задача решена.

Первые системы обеспечения навигации роботов создавались на основе сканирующих датчиков, в том числе телевидения, локационных и стереодальномеров. Специальная вычислительная схема робота в конечном итоге сводила электрические сигналы к аналогам различных препятствий и делала вывод о целесообразности того или иного движения. Стандартными признаками препятствий, воспринимаемых роботом, стали стена, навес, яма - обрыв, наклон, опасность для дальномера и другие упрощенные или укрупненные детали сцены.

Обычно задачу технического зрения робота при навигации разбивают на три уровня, соответствующих дальней, средней и ближней навигации (рисунок 2.3).

Система дальней навигации предназначена для планирования основного маршрута движения робота. Главной функцией машинного зрения при этом является распознавание ориентиров. Оптико-электронная схема, обеспечивающая решение данной задачи, состоит из объектива с переменным фокусным расстоянием (трансфокатора), электронного блока, управляющего камерой, механизма, реализующего наклон или поворот камеры, а также системы распознавания ориентира. Входные сигналы определяются грубой картой видимости, визуальными моделями ориентиров, картой местности и описанием задачи. Представления о внешней среде базируются на карте областей видимости (проходимости робота), местоположении робота, последовательности расположения областей, через которые проходит маршрут движения.

Система промежуточной (средней) навигации содержит карту, которая является подмножеством карты системы дальней навигации с более подробным содержанием. Задача навигации состоит в обеспечении движения в пределах однородной видимости, т. е. робот проходит коридоры свободного пространства (прямой полосы местности, где не требуется маневрирования). Система промежуточной навигации предполагает чередование таких коридоров и их последовательную корректировку путем увеличения ширины и разбиения маршрута на более мелкие участки. Входные сигналы этой системы основаны на карте дальней навигации, моделях известных препятствий и явных ориентиров местности, маршруте, спланированном на базе системы дальней навигации. Система промежуточной навигации обеспечивает общий анализ изображений для последующей сегментации и распознавания, качественное определение расстояний, накопление ориентиров и планирование маршрута. Представление о внешнем мире даст карта коридоров свободного пространства, на которой отмечены основные характерные признаки препятствий и местности.

Система ближней навигации предназначена для непосредственного измерения расстояний в сочетании с многоаспектным определением подпространства промежуточной безопасной зоны, в пределах которой перемещается робот, а также анализа структуры местности. Входными данными служат информация, поступающая от модулей счисления пройденного пути и курса, сведения о свободном пространстве. Система должна измерять расстояния, оценивать структуру местности, определять безопасный обход препятствий и планировать прохождение по определенным трассам.

Отдельной задачей системы ближней навигации является следование по дорогам. В ее состав входят планирование последовательности ощущаемых изменений дороги, преодоление пересеченных и искривленных участков, крутых спусков и подъемов дороги, а также, обеспечение навигации при наличии другого робота. Таким образом, эта задача, являясь частной для всей навигации робота, была связана с первыми этапами разработки навигационных систем роботов.

Рисунок 2.3 – Зоны навигации

Основной процесс управления при навигации робота состоит в передаче задач от уровней с большей степенью абстракции к уровням с меньшей ее степенью, а информация о состоянии робота проходит в обратном направлении. При этом каждый уровень навигации хранит карту своей рабочей зоны робота и имеет специальные видеодатчики с соответствующими визуальными возможностями [7].