Васильев Иван Анатольевич

Санкт-Петербург, ЦНИИ РТК, нач. лаб., к.т.н.

Михаил Викторович Коваль

Санкт-Петербург, ЦНИИ РТК, вед. программист

Евгений Константинович Игнатиади

Санкт-Петербург, ЦНИИ РТК, программист

УнифицированнАЯ системА управления мобильными роботами

Введение

Мобильная робототехника, как одно из самых актуальных направлений робототехники, в ЦНИИ РТК имеет высший приоритет в разработке. В ЦНИИ РТК сформулированы основные принципы, на которых должны базироваться все СУ мобильными роботами:

- Модульность;

- Наращиваемость;

- Унифицированность;

- Иерархическая структура аппаратной части;

- Иерархическая структура программной части;

- Иерархическая структура интеллектуального управления.

В настоящей работе рассматривается созданный в ЦНИИ РТК унифицированный программно-аппаратный комплекс, соответствующий заявленным принципам. Эта система реализована на многих роботах разной кинематики, разного сенсорного оснащения и разного назначения. Например, это такие роботы, как четырёхколёсный мобильный робот с поворотными колёсами, см. рис. 1, шестиколёсный мобильный робот с танковым разворотом, см. рис. 2, малый шестиколёсный мобильный робот с танковым разворотом, см. рис. 3, гусеничный робот, см. рис. 4 и некоторые другие.

Рисунок 1 - робот с поворотными колёсами

Рисунок 2 - робот с танковым разворотом

Рисунок 3 - малый шестиколёсный мобильный робот

Рисунок 4 – гусеничный робот

В настоящее время многие разработчики робототехнических комплексов начинают использовать унифицированные программные и аппаратные платформы (например, такое средство унификации, как Microsoft Robotics Developer Studio). Все эти попытки (или, во всяком случае, большинство из них) ориентируются на ограниченное множество операционных платформ, сенсорного оснащения и аппаратной реализации. В случае ЦНИИ РТК создан такой ПАК (программно-аппаратный комплекс), который применим практически для любой конфигурации систем управления робототехнических комплексом.

Любая СУ технической системой, как известно, состоит из трёх уровней иерархии:

- аппаратный уровень (датчики, привода, средства связи и пр.);

- ПО нижнего уровня (обмен сигналами с аппаратной частью);

- ПО верхнего уровня (целевой функционал управления).

Аппаратный уровень

Для обеспечения управления приводами, обработки различных датчиков а также обеспечения радиосвязи с пультом на расстоянии до 100 метров на открытой местности может использоваться стандартный роутер (к примеру, Dlink DIR-320) который перепрошивается открытым ПО (OpenWRT). Прошивка содержит стандартный функционал роутера, а также туда могут быть добавлено специализированное ПО, разработанное в ЦНИИ РТК, и тем самым обеспечивается применение роутера в качестве центрального коммуникационного устройства робототехнического комплекса, что резко удешевляет создание робототехнического средства.

Таким образом получается платформа к которой могут быть подключены устройства с Ethernet и с CAN сетью.

Центральным местом платформы является микропроцессор. В ЦНИИ РТК используются микропроцессоры архитектур x86, ARM, MIPS. При этом с точки зрения:

· Потребления энергии-наибольший интерес представляют ARM (потребление 10-20 мВт).

· Коммуникационных возможностей-MIPS (5 штук ethernet, Wi-Fi)

· Вычислительной мощности-x86 (Intel Atom)

Оба уровня ПО реализованы на базе GNU Linux и независимы от аппаратной платформы. В настоящее время не существует микропроцессоров (при достаточном обьеме ОЗУ и производительности) которые не поддерживались бы GNU Linux, которая, по сути, предоставляет равные с точки зрения задач программной платформы мобильного робота условия, на любых процессорах. Таким образом, можно констатировать основные преимущества разработки программной платформы, как-то:

· переносимость между аппаратными платформами

· повторная применяемость программных модулей

· структурирование кода за счет повторного использования

· возможность одновременной разработки составных подпрограмм за счет структурирования

· повышение надежности

· простое взаимодействие роботов имеющих общую платформу

· программно унифицированный пульт управления для всех роботов

Что касается универсальности уровня контроллера привода то представляется разумным использовать связку контроллер двигатель (maxon) для макетов. А в случае серийного изделия разработку собственного контроллера двигателя (желательно на базе протоколов maxon).

Программный уровень.

Для уверенного и безопасного движения всех роботов в пределах рабочего пространства все их СУ должны выполнять следующие действия:

- Строить безопасные траектории для движения в целевое положение;

- Отслеживать и корректировать отработку этих траекторий при движении робота;

- Останавливать работу при выходе параметров за допустимые пределы.

Выполняя вышеперечисленные действия СУ должна строить карты окружающей обстановки. Здесь под картами окружающей обстановки понимаются не только карты рабочей зоны, но и карты параметров, полученных с помощью специальных сенсоров: например, для четырёхколёсного робота это могут быть карты радиационной обстановки.

На рисунках 5 и 6, а также в таблице 1 приведены структурная, функциональная схема СУ мобильным роботом, а также её потоковая структура.

СУ строится на принципах конечного автомата: текущее управление роботом вычисляется на основании текущих показаний датчиков и текущего состояния системы.

Таблица 1 – Потоковая структура ПО

№ потока	0	1	2	3	4	5	6	7
Наз-вание потока	Управ-ление	Безопас-ность	Локализация/ карты	CAN	Дально-меры	БИНС	Спец. датчики	Обмен по сети
Функ-циона-льное назначение потока	Формирует текущее управление в зависимости от задания и обстановки	Проверяет на безопасно-сть текущего положения, текущего движения и текущего задания	Определяет текущие координаты, комплексирует показания датчиков по текущему алгоритму, уточняет карту на основе текущих датчиков.	Принимает текущие показания датчиков, подключенных к CAN-шине, преобра-зует их в физические значения	Принима-ет показания дальномеров, преобра-зует их в физиче-ские значения	Принимает текущие показания бесплатформе-нной инерциальной навигационной системы и довычисляет их до актуальных физ. значений	Принимает текущие показания специальныхдатчиков и довычисляет их до актуальных физ. значений	Обмен с удален-ным пультом управления по сетевым каналам

Рисунок 5 – структурная схема СУ мобильным роботом

Рисунок 6 – функциональная схема СУ мобильным роботом

Заключение

Описанный программно-аппаратный комплекс показал свою отличную применимость на множествах разных роботов, в том числе на специализированном робототехническом комплексе, состоящем из двух манипуляторов.

На малом шестиколёсном мобильном роботе (рис. 3) установлены целых два вычислителя: один, на базе обычного WiFi-роутера служит для обработки показаний датчиков и, на основании этой информации, вычисления управления; и второй, на базе платформы Intel-Atom, предназначен для обработки видеоинформации с телекамер. Оба эти вычислителя объединены в комплекс на принципах программно-аппаратного комплекса.

На четырёхколёсном мобильном роботе с поворотными колёсами (рис. 1) реализован комплекс для поиска и эвакуации источников ионизирующего излучения (ИИИ). Для поиска ИИИ применяются специальные датчики, показания которых комплексируются с классическими навигационными датчиками, такими как БИНС, одометр и дальномер.