Способ автоматического формирования гладких траекторий движения мобильного робота в неизвестном окружении



Способ автоматического формирования гладких траекторий движения мобильного робота в неизвестном окружении
Способ автоматического формирования гладких траекторий движения мобильного робота в неизвестном окружении
Способ автоматического формирования гладких траекторий движения мобильного робота в неизвестном окружении

Владельцы патента RU 2661964:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) (RU)

Изобретение относится к области робототехники, в частности к планированию движений автономных мобильных роботов, таких как подводные аппараты, беспилотные летательные аппараты, наземные роботы, в заранее неизвестном окружении. Способ включает определение местоположения робота, обработку информации от бортовых дальномеров для определения расстояния до возможных препятствий и формирование траектории движения с учетом обнаруженных препятствий. Траекторию движения мобильного робота формируют в виде гладкой кривой, проходящей по заранее заданной последовательности целевых точек, с обеспечением ее расположения от обнаруженных препятствий на расстоянии не меньшем, чем допустимое. При этом осуществляют непрерывную коррекцию траектории с учетом положения дополнительной целевой точки, координаты которой рассчитывают на основе данных об обнаруженных препятствиях, которые получают от бортовых дальномеров. Изобретение обеспечивает автоматическое формирование безопасных траекторий скоростного движения роботов в среде с препятствиями в реальном масштабе времени без использования сложных и дорогих технических и вычислительных средств. 2 ил.

 

Изобретение относится к области робототехники и, в частности, к планированию движений автономных мобильных роботов (подводных аппаратов, беспилотных летательных аппаратов, наземных роботов) в заранее неизвестном окружении.

Известен способ коррекции курса мобильного робота. Этот робот содержит устройство для его перемещения, устройство для обнаружения препятствия, управляющую часть, соединенную с устройством для перемещения мобильного робота и устройством для обнаружения препятствия и управляющую ими, устройство для определения текущего местоположения мобильного робота, соединенное с управляющей частью, и источник питания. Устройство для определения текущего местоположения мобильного робота содержит первую обзорную телекамеру для создания изображения потолка помещения и распознавания базового знака на потолке и первую видеоплату, обрабатывающую изображение, полученное с первой обзорной телекамеры, и передающую данные в управляющую часть. Источник питания соединен с управляющей частью и аккумулирует электроэнергию и питает устройство для перемещения мобильного робота, устройство для обнаружения препятствия, устройство для определения местоположения и управляющую часть. Устройство для обнаружения препятствия содержит линейный лазер для излучения линейного светового пучка по направлению к препятствию, вторую обзорную телекамеру для распознавания отраженного от препятствия линейного светового пучка и вторую видеоплату для обработки видеоданных, полученных второй телекамерой (см. RU 2210492 С2, Бюл. №23, 2003 г.).

Недостатком этого решения является необходимость использования видеокамер и специальной разметки, нанесенной на потолок помещения, в котором движется робот, что не позволяет использовать его для автономных роботов, перемещающихся по открытой местности.

Известен способ автоматического управления наземным робототехническим комплексом, включающий радиообмен между пультом управления и робототехническим комплексом, обеспечение ввода и обработку входной информации, поступающей от бортовых датчиков, вычисление текущей ориентации и местоположения робототехнического комплекса, отличающийся тем, что при потере радиосвязи между пультом управления и робототехническим комплексом осуществляют его автоматический возврат в точку старта или в зону уверенного радиообмена по ранее пройденной траектории с корректировкой этой траектории в обход обнаруженных препятствий путем реализации на борту робототехнического комплекса базовых алгоритмов движения в заранее неизвестной обстановке по дальнометрическому изображению внешней среды с помощью навигационно-вычислительного блока (см. RU 2 574 938 С2, Бюл. №4 2016 г.).

Этот способ по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению. Однако для формирования траекторий движения робота предлагается использовать трехмерную картину окружающей среды, построенную с помощью комплексной обработки данных, полученных от бортовой видеокамеры, и лазерных дальномеров. Распознавание видеоизображения и последующее комплексирование всех получаемых сигналов для формирования траекторий движения роботов в реальном масштабе времени имеет высокую сложность и требует использования мощных вычислительных средств. Это приводит к увеличению габаритов роботов и их стоимости. Кроме того, использование визуальной информации и лазерных дальномеров для автономных подводных роботов возможно в редких случаях и только на малых дистанциях до препятствий, что приводит к значительному снижению скорости их движения в неизвестном окружении, а в результате - к уменьшению производительности работы. Поэтому для подводных роботов основным источником информации об окружающей обстановке должны являться дешевые ультразвуковые сонары.

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков, то есть формирование безопасных траекторий скоростного движения роботов в среде с препятствиями в реальном масштабе времени без использования сложных и дорогих технических и вычислительных средств.

Технический результат изобретения заключается в автоматическом формировании и последующей коррекции в реальном масштабе времени гладких траекторий движения любых мобильных роботов в неизвестном окружении на основе данных, получаемых от типовых и дешевых бортовых дальномеров, без использования сложных и длительных процедур обработки видеоизображений и построения трехмерных моделей окружающей среды. Это помимо удешевления роботов должно обеспечить увеличение скорости их движения, а следовательно, и производительности их работы, при гарантированном отсутствии столкновений с препятствиями в заранее неизвестной обстановке.

Поставленная задача решается тем, что в процессе автоматического формирования траекторий движения мобильного робота в неизвестном окружении, включающем определение местоположения робота, обработку информации от бортовых дальномеров для определения расстояний до возможных препятствий и формирование траектории движения с учетом обнаруженных препятствий, при этом указанную траекторию мобильного робота строят в виде гладкой кривой, проходящей по заранее заданной последовательности целевых точек, с обеспечением ее расположения от обнаруженных препятствий на расстоянии не меньшем, чем допустимое, при этом осуществляют непрерывную коррекцию траектории с учетом положения дополнительной целевой точки, координаты которой рассчитывают на основе данных об окружающих препятствиях, которые получают от бортовых дальномеров.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого способа с признаками аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

При этом отличительные признаки формулы изобретения предназначены для решения следующих функциональных задач.

Признак «…траекторию мобильного робота строят в виде гладкой кривой, проходящей по заранее заданной последовательности целевых точек…» обеспечивает высокоточное и высокоскоростное движение мобильных роботов, особенно движущихся в пространстве, в условиях неизвестной окружающей среды с препятствиями.

Признак «…непрерывную коррекцию осуществляют с помощью построения дополнительной целевой точки, координаты которой рассчитывают на основе данных об окружающей среде, которые получают только от бортовых дальномеров..» обеспечивает формирование картины окружающей среды с помощью алгоритмов, имеющих небольшую вычислительную сложность, что позволяет реализовать режимы автономного движения в неизвестном окружении малогабаритных мобильных роботов различных типов.

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана обобщенная схема построения бортовой системы автоматического формирования гладких траекторий движения робота в неизвестном окружении, а на фиг. 2 - схема движения мобильного робота в среде с препятствиями. На этих чертежах введены следующие обозначения: 1 - мобильный робот; 2 - блок хранения; 3 - блок формирования траектории; 4 - блок формирования программных сигналов; 5 - система управления исполнительными устройствами; 6 - бортовые дальномеры; 7 - блок формирования расстояний до возможных препятствий; 8 - блок формирования дополнительной целевой точки.

Кроме того, на фиг. 2 введены следующие обозначения: - препятствия, расположенные в рабочей зоне робота; Wi(i=1, 2, 3,…) - целевые точки, задаваемые оператором перед началом выполнения миссии, по которым должна пройти гладкая траектория мобильного робота; doi(i=1, 2) - расстояния между соседними препятствиями, определенные по показаниям дальномеров; точечные линии - направления измерений бортовых дальномеров робота; черные точки - точки на препятствиях, обнаруженные соответствующими дальномерами; Ψ - текущий угол курса робота; - дополнительная целевая точка, корректирующая траекторию движения робота при обнаружении препятствий; X - текущее положение робота; Xo - точка на препятствии, обнаруженная соответствующим дальномером и являющаяся ближайшей к исходной траектории движения робота; Xt - точка на траектории, являющаяся ближайшей к точке XoDmin - минимально допустимая дистанция до препятствия; ху - абсолютная система координат.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Перед началом движения робота 1 оператор записывает в блок 2 набор целевых точек Wi(i=1, 2, 3,…), по которым должен пройти этот робот. По этим целевым точкам блок 3 рассчитывает параметры сплайнов Безье третьего порядка, которые формируют гладкую траекторию его движения. На основе этих параметров блок 4 вычисляет программные сигналы и подает их на входы системы 5 управления исполнительными устройствами робота 5.

В процессе движения по сформированной траектории робот с помощью дальномеров 6 непрерывно измеряет расстояния до возможных препятствий в направлениях, указанных точечными линиями. Если соответствующий дальномер обнаруживает препятствие, то на его выходе формируется сигнал, отличный от нуля и соответствующий расстоянию до обнаруженного препятствия, а если препятствия не обнаружено, то датчик формирует нулевой сигнал.

В блоке 7 по сигналам, поступившим от всех бортовых дальномеров, определяется количество и расположение препятствий относительно исходной траектории движения робота. Каждое препятствие характеризуется ненулевыми сигналами последовательно расположенных дальномеров, а проход между ними - нулевыми сигналами соседних дальномеров, не доходящими до препятствий.

Если расстояния между двумя обнаруженными соседними препятствиями, выявленные соответствующими дальномерами, не обеспечивают безопасный проход робота, то эти два препятствия рассматриваются как одно. Расстояния между соседними препятствиями(см. отрезки do1 и do2 на фиг. 2) определяются расстояниями между последней обнаруженной точкой на одном препятствии и первой обнаруженной точкой на соседнем. Для более точного определения расстояний между препятствиями количество дальномеров должно быть большим, а расстояния между направлениями их измерений, соответственно, малым.

После определения расположения препятствий относительно исходной траектории движения робота производится ее коррекция так, чтобы она проходила на расстоянии не меньшем Dmin, от препятствий (см. фиг. 2). Для этого в блоке 8 рассчитывается положение дополнительной целевой точки , которая делит участок новой (скорректированной) траектории от текущего положения робота до ближайшей целевой точки Wt на два гладких участка, обеспечивая безопасный проход робота на минимально допустимом расстоянии между препятствиями или около них. Скорректированные траектории формируются на основе сплайнов Безье третьего порядка.

В зависимости от расположения ближайшего к исходной траектории препятствия координаты точкимогут быть рассчитаны двумя способами.

1. Если препятствие полностью находится в стороне от траектории, то точка должна располагаться на расстоянии, не меньшем Dmin до ближайшей к исходной траектории точки Хo на препятствии (см. фиг. 2).

2. Если исходная траектория пересекает обнаруженное препятствие, то точка может располагаться слева или справа от препятствия также на расстоянии, не меньшем Dmin до ближайшей обнаруженной соответствующим дальномером крайней точки огибаемого препятствия. Точка располагается слева от препятствия, если при приближении робота к нему по исходной траектории количество ненулевых сигналов левых (от центрального) дальномеров, относящихся к этому препятствию, меше количества ненулевых сигналов правых дальномеров. Иначе точку располагают справа.

После коррекции траектории по точке направление движения робота не изменяется, а в точке Wi сохраняется таким же, как и на исходной траектории.

После первоначальной коррекции траектории движения робота при обходе препятствия не гарантируется, что вся эта траектория всегда будет находиться на безопасном расстоянии от препятствия, поскольку по мере прохода робота по указанной траектории его дальномерами могут быть обнаружены другие, вначале невидимые, но опасные для прохода участки препятствия. В последнем случае и вновь построенная траектория будет непрерывно корректироваться описанным выше способом так, чтобы она всегда располагалась на безопасном расстоянии (большем или равном Dmin) до огибаемого препятствия.

Поскольку траектория всегда корректируется с учетом текущего положения Х робота до ближайшей целевой точки, то это исключает его «застревание» в тупике. При попадании робота в проход между препятствиями, заканчивающимся недопустимым для дальнейшего движения «заужением» или тупиком, автоматически будет установлено, что текущая траектория движения теперь пересекает очередное препятствие, и далее будет сформирована новая траектория его обхода справа или слева. При этом для роботов, которые не могут осуществить разворот на месте, выбор величины Dmin будет сделан с учетом выполнения необходимого маневра (разворота с доступным радиусом).

Реализация предложенного способа автоматического формирования гладких траекторий движения робота в неизвестном окружении не вызывает принципиальных затруднений, поскольку при его реализации используются только типовые системы и устройства.

Способ автоматического формирования гладких траекторий движения мобильного робота в неизвестном окружении, отличающийся тем, что он включает определение местоположения робота, обработку информации от бортовых дальномеров для определения расстояния до возможных препятствий и формирование траектории движения с учетом обнаруженных препятствий, причем траекторию движения мобильного робота формируют в виде гладкой кривой, проходящей по заранее заданной последовательности целевых точек, с обеспечением ее расположения от обнаруженных препятствий на расстоянии не меньшем, чем допустимое, при этом осуществляют непрерывную коррекцию траектории с учетом положения дополнительной целевой точки, координаты которой рассчитывают на основе данных об обнаруженных препятствиях, которые получают от бортовых дальномеров.



 

Похожие патенты:
Самолетное оборудование предназначено для уклонения самолетов от поражения зенитными ракетами и ракетами класса «воздух-воздух». Служит для помощи летчику при выполнении маневра с перегрузкой, при которой теряется зрение, сознание или происходит остановка сердца летчика.

Изобретение относится к способу траекторного управления беспилотным летательным аппаратом (БЛА). Способ заключается в том, что производят вывод БЛА с диспетчерского пункта на траекторию с заданным углом наклона, корректируют угол наклона траектории при сближении с группой препятствий, каждое из которых аппроксимируют определенным образом.

Группа изобретений относится к электрическим системам управления полетом для летательного аппарата в двух вариантах. В первом варианте система содержит аэродинамические рули и рукоятку для управления ими, средство управления пилотированием, средство вычисления положения рулей, три главных линии однонаправленной связи средств управления пилотированием.

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для применения в бортовых радиолокационных станциях (БРЛС) для определения угла сноса летательного аппарата-носителя БРЛС.

Изобретение относится к области автоматического управления движением судов при их динамическом позиционировании при решении задач поиска и обследования подводных объектов, характеризующихся частой сменой точек позиционирования.

Изобретение относится к области подводного судостроения, в частности к способам и системам управления дифферентом буксируемых подводных объектов. Предложен способ управления дифферентом буксируемого подводного объекта 1 с узлом крепления гибкой связи 3 в верхней части подводного объекта, заключающийся в том, что для выравнивания положения подводного объекта в носовой части буксируемого подводного объекта горизонтально располагают вал 2 с заданной площадью с возможностью изменения угловой скорости вращения в зависимости от скорости буксировки, при этом в погруженном состоянии осуществляют компенсирование изменений кабрирующего момента при изменении скорости буксировки с помощью гидродинамических сил, возникающих при обтекании вращающегося вала 2 и направленных перпендикулярно к потоку жидкости, которые направляют в сторону, противоположную направлению кабрирующего момента, а угловую скорость вращения вала изменяют в соответствии с изменением скорости буксировки.

Изобретение относится к области сверхлегкой авиации, а именно к летательным аппаратам (ЛА) вертикального взлета и посадки («летающим мотоциклам»). Техническим результатом изобретения является: обеспечение безопасности полета квадрокоптера путем стабилизации полета квадрокоптера по горизонтали при возникновении аварийной (нештатной) ситуации.

Система удаленного контроля и управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) содержит сеть станций организации и управления, контрольный центр. Станция организации и управления содержит камеру кругового обзора, радиочастотный передатчик, систему обработки и передачи информации, блок стационарного питания, блок альтернативного питания.

Изобретение относится к электронным управляющим устройствам транспортных средств. Способ безопасного вождения включает получение данных о передвижении текущего пользователя самобалансирующегося транспортного средства и сравнение этих данных о передвижении с данными о передвижении, соответствующими предварительно установленному уровню пользователя.

Интегрированная система резервных приборов выполнена в виде отдельного блока, содержит датчики полного и статического давления, устройство обработки и преобразования сигналов, вычислитель, модуль пространственной ориентации, устройство управления режимами работы, магнитный зонд, жидкокристаллический индикатор, креноскоп, фотодатчик, устройство компенсации систематической составляющей смещения нуля инерциальных датчиков модуля пространственной ориентации, устройство списания девиационной погрешности с памятью, встроенную систему контроля, устройство анализа, устройство формирования изображения графика девиационных поправок, соединенных определенным образом.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам управления силовым агрегатом. Устройство управления силовым агрегатом содержит контроллер обратной связи, выполненный с возможностью определять входное управляющее воздействие для силового агрегата во время ввода целевого значения предварительно определенного количественного параметра состояния силового агрегата, так что количественный параметр состояния следует целевому значению.

Изобретение относится к системе управления автоматизированных электроприводов. Устройство для управления электромеханической системой содержит первый элемент сравнения, регулятор, второй элемент сравнения, силовой преобразователь, измерительный блок, безынерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1, безынерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи K2, безынерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3, блок обратной связи, усилитель и блок интеграторов.

Изобретение относится к системе управления автоматизированных электроприводов. Устройство для управления электромеханической системой содержит первый элемент сравнения, регулятор, второй элемент сравнения, силовой преобразователь, измерительный блок, безынерционное звено обратной связи по скорости с коэффициентом передачи K1, безынерционное звено обратной связи по току с коэффициентом передачи K2, безынерционное звено обратной связи по напряжению с коэффициентом передачи K3, блок обратной связи, усилитель и блок интеграторов.

Группа изобретений относится к системам автоматического выявления рабочего состояния рабочей машины на основании сигналов от датчиков. Система выявления рабочего состояния рабочей машины содержит по меньшей мере два датчика для определения параметров, влияющих на рабочее состояние рабочей машины, и схему оценки рабочего состояния, имеющую выход значения сигнала рабочего состояния.

Группа изобретений относится к средствам предоставления информации для водителей. Технический результат – повышение точности определения информации, которую необходимо предоставить водителю.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в управляемых электрических двигателях, в частности для формирования управляющих сигналов в системе с двухфазным вентильным двигателем.

Группа изобретений относится к самонастраивающимся системам управления. Способ управления интеллектуальным устройством заключается в следующем.

Группа изобретений относится к самонастраивающимся системам управления. Способ управления интеллектуальным устройством заключается в следующем.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для формирования управляющих сигналов в системе с вентильным двигателем. Техническим результатом является создание системы, оптимальной по точности угла поворота выходного вала вентильного двигателя, инвариантной (не зависящей) от изменяющегося момента нагрузки, путем аналитического конструирования оптимального по точности регулятора угла поворота вентильного двигателя и подчиненного ему регулятора тока вентильного двигателя.

Группа изобретений относится к средствам для выявления устойчивого рабочего состояния сельскохозяйственной уборочной машины. Датчик урожая определяет параметр урожая.

Настоящее изобретение относится к способу покраски кузова транспортного средства в ручном, автоматическом и смешанном режимах на сборочной линии. Способ включает в себя этапы нанесения фосфатной основы, покраски путем катодного электроосаждения, нанесения герметика, нанесения заполнителя, при этом в сборочной линии обеспечивают конечную линию печатающих головок для цифровой печати изображения непосредственно на кузове транспортного средства и цифровую печать выполняют, используя автомобильную краску (на основе растворителя или на водной основе), такую как экосольвентная краска и краска с ультрафиолетовым отверждением, с применением по меньшей мере двух печатающих головок, способных использовать различные виды автомобильных красок и одновременно наносить краску различных оттенков.

Изобретение относится к области робототехники, в частности к планированию движений автономных мобильных роботов, таких как подводные аппараты, беспилотные летательные аппараты, наземные роботы, в заранее неизвестном окружении. Способ включает определение местоположения робота, обработку информации от бортовых дальномеров для определения расстояния до возможных препятствий и формирование траектории движения с учетом обнаруженных препятствий. Траекторию движения мобильного робота формируют в виде гладкой кривой, проходящей по заранее заданной последовательности целевых точек, с обеспечением ее расположения от обнаруженных препятствий на расстоянии не меньшем, чем допустимое. При этом осуществляют непрерывную коррекцию траектории с учетом положения дополнительной целевой точки, координаты которой рассчитывают на основе данных об обнаруженных препятствиях, которые получают от бортовых дальномеров. Изобретение обеспечивает автоматическое формирование безопасных траекторий скоростного движения роботов в среде с препятствиями в реальном масштабе времени без использования сложных и дорогих технических и вычислительных средств. 2 ил.

Наверх