1 Анализ состояния вопросов управления роботами и постановка задач проектирования

1.1 Анализ систем управления роботами

Робот, активно взаимодействующий с окружающей средой, в общем виде должен содержать следующие системы: управляющую, информационно-измерительную (сенсорную), систему связи, исполнительную (моторную) [1]. Таким образом, можно сформировать структурную схему робота (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Структурная схема робота в общем виде

Управляющая, или интеллектуальная система - это "мозг" робота, который служит для выработки законов управления механизмами исполнительной системы на основе заложенной программы с учетом сигналов обратной связи от сенсорной системы. Важной функцией этой системы является распознавание ситуаций, планирование действий и принятие целенаправленных решений, программирование и оптимизация движений, а также организация общения робота с человеком и взаимодействующими устройствами на том или ином языке.

Управляющие системы роботов реализуются на базе электрических логических элементов, аналоговых и цифровых систем, а в наиболее совершенном варианте – на основе ЭВМ или микропроцессоров, содержащих широкий набор входных и выходных преобразователей и интерфейсных каналов связи, число которых может колебаться от нескольких десятков до нескольких тысяч. Интеллектуальные и адаптивные возможности робота определяются главным образом алгоритмическим и программным обеспечением управляющей системы [2].

Информационно-измерительная, или сенсорная система - это искусственные органы чувств робота, предназначенные для восприятия и преобразования информации о состоянии внешней среды и самого робота.

В качестве элементов сенсорной системы используются телевизионные и оптико-электронные устройства, лазерные и ультразвуковые дальномеры, акустические датчики и гидролокаторы, тактильные, контактные и индукционные датчики, а также датчики положения, скорости, сил и моментов, потенциометры, тахометры, акселерометры и т. п.

Система связи - это "язык" робота, который служит для передачи сигналов информации между системами робота, а также для организации обмена информацией между роботом и человеком или другими роботами и устройствами с целью осуществления диалога, формулирования заданий роботу, контроля за функционированием его систем, диагностики неисправностей, регламентной проверки и т.п.

Совокупность управляющей, информационно-измерительной и системы связи образует информационно-управляющую систему робота, обеспечивающую обработку и передачу информации и непосредственное управление приводами и механизмами исполнительной системы с целью организации активного взаимодействия робота с окружающей средой и выполнения задач, сформулированных человеком.

Информационно-управляющая система (ИУС), является важнейшей составной частью, образуя в сочетании с исполнительной системой (манипулятором, двигателями и т.д.) собственно робот.

Информационно-управляющая система служит для:

• восприятия и преобразования информации о состоянии внешней среды и самого робота;

• выработки законов управления исполнительными устройствами на основе управляющей программы, командных сигналов с пульта управления и информации о положении и состоянии элементов робота и окружающей его среды;

• передачи управляющих воздействий приводам и механизмам исполнительной системы с целью организации активного взаимодействия робота с окружающей средой.

Как отмечено выше, система управления, являясь основной составной частью информационно-управляющей системы, обеспечивает выработку закона управления исполнительными устройствами робота и формирование управляющих сигналов [3].

Классифицируются данные системы по типу управления и степени участия в них человека:

а) биотехнические;

1) командные;

2) копирующие;

3) полуавтоматические;

б) автоматические;

1) программные;

2) адаптивные;

3) интеллектуальные;

в) интерактивные;

1) автоматизированные;

2) супервизорные;

3) диалоговые.

1.1.1 Биотехнические системы управления роботами

Биотехническими называют такие робототехнические комплексы, в которых оператор постоянно участвует в процессе выработки управляющих приводами манипулятора сигналов. Их в свою очередь разделяют на три типа: командные, копирующие и полуавтоматические [4].

В командных системах оператор с помощью простейших устройств управления - кнопок, тумблеров воздействует отдельно на каждый исполнительный механизм робота. Включая последовательно все механизмы, он добивается нужной последовательности действий робота. В общем виде такую систему можно описать схемой, представленой на рисунке 1.2. Очевидно, что управлять роботом таким способом тяжело (это требует большого напряжения, сосредоточенности и внимательности), при этом скорость выполнения операций оказывается минимальной, а утомляемость оператора высокой.

Рисунок 1.2 – Общий вид командной системы управления роботом

Копирующие биотехнические системы управления (рисунок 1.3) обладают более совершенной конструкцией, чем командные. В них оператор, воздействуя руками на копию исполнительного механизма робота, например, манипулятора, заставляет ее двигаться нужным образом, а специальная следящая система, вырабатывая управляющие сигналы, приводит рабочий манипулятор в точно такое же по характеру движение. Чтобы манипулятор и его копия двигались идентично, они имеют одинаковые кинематические схемы, т. е. одинаковые совокупности элементов, тождественно соединенные между собой.

Рисунок 1.3 – Общий вид копирующей системы управления роботом

Копирующие системы управления непрерывно совершенствуются. В них реализована так называемая "обратная связь по усилию": оператор, перемещая копию, ощущает, с какой силой рабочий манипулятор взаимодействует с окружающей средой, т. е. какое он испытывает сопротивление движению (рисунок 1.4). Это позволяет более точно и надежно управлять роботом. Дело в том, что когда человек сам выполняет какую-либо операцию, то бессознательно прилагает силу, пропорциональную ей. Выполняя подобные операции с помощью робота, оператор нуждается в информации об усилиях, развиваемых манипулятором не снижая скорости проведения операций и повышая тем самым производительность труда и качество работ.

Достигается эффект обратной связи по усилию следующим образом. Датчики, на рабочем манипуляторе регистрирующие информацию об усилиях, передают сигналы в систему управления, откуда поступают управляющие воздействия на двигатели, находящиеся в приводах манипулятора-копии. Эти двигатели создают в нем усилия, пропорциональные силам, действующим на рабочий манипулятор.

Рисунок 1.4 – Общий вид копирующей системы управления роботом с обратной связью по усилию

Будучи значительно совершеннее командных систем управления, копирующие системы нашли широкое применение в робототехнических комплексах, выполняющих ремонт и профилактическую проверку ядерных реакторов и других мест, где присутствие человека нежелательно или опасно.

Полуавтоматические системы управления – наиболее совершенные из биотехнических систем. Их устройство обеспечивает оператору с помощью одного командного органа, например, рукоятки управлять всей кинематической системой робота (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Общий вид полуавтоматической системы управления

В конструкциях полуавтоматических систем управления предусматриваются различные варианты воздействия на исполнительный механизм робота, например, по вектору силы или вектору скорости. В обоих случаях воздействуя на рукоятку, оператор задает или скорость, или усилие, развиваемое исполнительной частью робота или его перемещение в привычных для себя декартовых координатах, а приводы робота должны совершить весьма сложные движения относительно друг друга, либо окружающей среды.

Таким образом, возникает задача пересчета заданного оператором в декартовой системе координат параметра в управляющие воздействия на исполнительные устройства робота. Эту задачу выполняет специальный вычислитель, на вход которого поступают сигналы от управляющей рукоятки, заданные в декартовой системе координат, а на выходе возникают сигналы для каждого отдельного привода. Такой вычислитель – характерная часть полуавтоматической биотехнической системы управления роботом. Полуавтоматические системы управления, как наиболее удобные среди биотехнических систем с точки зрения оператора используются в робототехнических комплексах, применяемых на орбитальных станциях, многоцелевых подводных и наземных аппаратах.

Основным преимуществом биотехнических систем является то, что процесс всегда находится под контролем человека. Однако, это же является и недостатком, так как управление роботом утомительно и требует внимательности, помимо этого, человек не может достаточно точно и быстро выполнять поставленные задачи.

1.1.2 Автоматические системы управления роботами

Отличительной чертой класса автоматических управляющих систем робота является их способность работать полностью автономно, т. е. без участия человека (рисунок 1.6). Роль человека сводится лишь к формулировке задания, начальной наладке и текущему ремонту робота. По принципу управления эти системы делятся на программные, адаптивные и интеллектуальные [5].

Системы программного управления работают по жесткой программе, которая рассчитывается заранее (вне робота) и хранится в запоминающем устройстве, либо автоматически формируется в режиме обучения робота. Эта программа может быть перенастроена. Система управления может строиться на аналоговых или на цифровых принципах. Эти системы строятся как по разомкнутой схеме так и по схеме с обратной связью. Данные системы требуют строгой определенности, постоянства параметров и условий выполняемой работы, а программа содержит объем информации, не изменяющейся в процессе работы. В связи с чем среда манипулирования робота должна быть организованной, т.е. все предметы, инструменты и объекты, с которыми взаимодействует робот в процессе выполнения рабочих операций, должны находиться в определенных местах и иметь строго определенную пространственную ориентацию. Благодаря своей простоте, системы программного управления широко применяются в промышленных роботах, что, в свою очередь, способствует их дальнейшему совершенствованию.

Адаптивные системы - это подкатегория автоматических систем управления, которая является модифицированной версией программных. Системы адаптивного управления не содержат полной информации о параметрах и условиях выполняемой работы: обычно программа включает информацию о начальном и конечном положениях рабочего органа робота и набор алгоритмов поведения в зависимости от возможных состояний внешней среды, а сенсорное обеспечение позволяет автоматически корректировать программные действия на основе получаемой информации путем соответствующего изменения управляющих воздействий. Адаптивные управляющие системы служат для автоматического приспособления роботов к заранее неизвестным и изменяющимся условиям эксплуатации. Общей чертой всех этих систем является использование обратной связи не только в соответствии с текущим состоянием робота, но и в соответствии с состоянием внешней среды. Существует несколько разновидностей адаптивных систем, различающихся принципом действия и адаптационными возможностями.

В системах первого типа управление осуществляется по принципу «класс ситуаций – действие». При этом программа движения заранее не строится, а целенаправленное поведение робота формируется как функция состояний внешней среды и робота. Системы второго типа реализуют сенсорное управление, т.е. управление с обратной связью от сенсорной системы, структура и параметры которого остаются неизменными в течение всего времени эксплуатации робота.

Интеллектуальные управляющие системы – это наиболее совершенный вид адаптивных систем. Такие системы способны формировать программу действий робота в соответствии с поставленными общими целями и задачами в условиях неопределенности параметров выполняемой работы и окружающей обстановки, т.е. решать интеллектуальные задачи посредством получения, запоминания и целенаправленного преобразования информации в процессе обучения и выполнения действий, а также адаптации к изменяющимся условиям внешней среды.

Интеллектуальные системы, сообразуясь с информацией, получаемой с помощью сенсорных устройств, формируют в памяти модель внешней среды, вырабатывают план действий, накапливая опыт и самосовершенствуясь в процессе обучения, выполнения работы и взаимодействия с внешней средой. Их основу составляют уже описанные адаптивные управляющие системы, дополненные элементами искусственного интеллекта. Функции и принцип действия таких систем в какой-то мере можно сравнивать с интеллектуальной деятельностью человека.

Интеллектуальное управление имеет четко выраженную иерархическую структуру и содержит следующие основные уровни управления:

• самонастройку закона управления;

• самопрограммирование и планирование движений;

• самомоделирование и моделирование внешней среды;

• самообучение понятиям и распознавание обстановки;

• самоорганизацию целенаправленного поведения.

Каждый последующий уровень управляет работой предыдущего, расширяя функциональные возможности управляющей системы в целом и повышая качество управления.

Совместная скоординированная работа «ведущих» и «ведомых» уровней управления обеспечивает комплексирование разнообразных интеллектуальных функций при автономном функционировании робота в недетерминированной обстановке, что позволяет системе адекватно реагировать на возможные неконтролируемые изменения внешней среды, а так же параметров самого робота.

Рисунок 1.6 – Общая схема автоматических систем управления роботами

Основным достоинством автоматических систем управления является то, что они способны работать без участия человека. Им достаточно заранее заложить алгоритм работы, начальные данные и т.д. и при необходимости перепрограммировать. Такие роботы удобны в тех случаях, когда работа происходит циклично и требует высокой скорости и точности выполнения операций. Недостатком таких систем является то, что они медленно адаптируются к окружающей обстановке, либо не адаптируются вовсе, в то время, как человеку для адаптации и принятия какого либо решения требуется значительно меньше времени.

1.1.3 Интерактивная система управления роботами

Интерактивные системы управления - это «гибридные» СУ, которые содержат в себе признаки автоматических и биотехнических систем управления (рисунок1.7). Интерактивные роботы в отличие от биотехнических имеют устройства памяти для автоматического выполнения отдельных действий по программе и могут управляться попеременно оператором или автоматически. Как правило, такие системы основную массу времени работают как автоматические СУ, но при необходимости могут быть мгновенно переключены на управление человеком, или человек и автоматика работают поочередно. Интерактивные системы делят на три класса: автоматизированные, супервизорные и диалоговые [6].

Рисунок 1.7 – Общая схема интерактивных систем управления роботами

В автоматизированных системах происходит чередование во времени автоматических режимов управления с биотехническими. В таких системах при выполнении некоторых задач робот работает в автоматическом режиме по программе, а другие задачи, которые нельзя запрограммировать выполняются оператором.

Супервизорные системы управления построены таким образом, что человек берет на себя интеллектуальную сторону работы (выбор средства реализации, целеуказание, управление, визуальный контроль и т.д.), а машина – вычислительную и непосредственно реализующую.

В диалоговом управлении робот не только получает команды от человека, но и сам информирует оператора о своих действиях или о возникновении каких либо ситуаций, ожидая его команды. Таким образом, это система, где человек и робот работают в тесной кооперации, с постоянным диалогом между оператором и машиной. За счет этого человек всегда имеет наиболее точные данные о деятельности робота, а робот – четкое планирование и выбор стратегии поведения.

Интерактивная система управления роботами объединила в себе преимущества биотехнической и автоматической систем и сгладила их недостатки. Управление такими роботами значительно проще, чем в биотехнических системах, так как в большей степени работа происходит в автоматическом режиме и на человека возлагается минимум нагрузки, в то время, как точность и корректность выполнения операций остаются на достаточно высоком уровне.

Таким образом, выбор системы управления зависит от поставленных ей задач. Так, например, в случае, когда необходимо создать систему, где по каким-либо причинам необходимо управление и постоянный контроль всех процессов человеком, то следует применять биотехническую систему. В случае, когда необходимо избавиться от человеческого фактора, либо есть возможность переложить контроль и выполнение всех операций на электронику, целесообразно применить автоматические системы управления. Эти системы применяют наиболее часто, так как они обеспечивают достаточно точное выполнение операций и удобны тем, что не требуют участия человека. Интерактивные системы применяют в случаях, когда от человека требуется только управляющая часть работы, а все остальное на себя берет робот. Такие системы применяют в различных домашних роботах, где человек отдает простые команды, голосом или с помощью пульта, а реализация этих команд возложена на электронику.

1.2 Постановка задач проектирования

При разработке любой робототехнической системы требуется выполнить постановку определенных задач, которые следует решить на различных этапах проектирования.

Для корректной постановки задач при проектировании микроконтроллерной системы следует в первую очередь рассмотреть ее особенности и предъявляемые к ней требования.

В данном проекте требуется разработать микроконтроллерную систему для управления мобильным роботом. Система должна обеспечить передвижение робота по заданной траектории и в случае возникновения на пути каких-либо препятствий, обеспечить выполнение их обхода с последующим возвратом на заданный маршрут. В качестве маршрута для робота выступает контрастная линия, нанесенная на поверхности.

Областью применения подобного класса роботов является транспортировка различных грузов на складах или лекарства в больницах. Возможность корректировать маршрут с помощью контрастной линии значительно упрощает работу с устройством и делает его более универсальным, чем роботы, для которых требуются сложные картографические, либо навигационные системы, что так же делает робота значительно дешевле в производстве. Кроме того, автоматизация процесса перевозки дает преимущество над человеческим фактором при развозе различных грузов на складах. Использование данного робота позволяет экономить время и силы работников, а также гарантирует надежность выполнения поставленной задачи.

Среди рассмотренных типов управления роботами, наиболее подходящим для данного проекта является адаптивный тип. В этих системах функционирование роботов происходит по заранее заданной программе, однако они способны с помощью системы обратной связи адаптироваться к изменениям окружающей среды и реагировать на различные ситуации.

Так как отличительной чертой данного типа управления является использование обратной связи с информацией о состоянии внешней среды, то одной из важных задач является выбор соответствующих датчиков и их расположение на корпусе робота.

Кроме того, следует так же выбрать исполнительные механизмы робота и микроконтроллер, который будет управлять всей системой по разработанному алгоритму.

Таким образом, можно построить общую структурную схему разрабатываемой системы и ее взаимодействие с внешней средой (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Общая структура разрабатываемой системы и ее взаимодействие с внешней средой.

Для построения системы управления роботами такого класса, отвечающей всем приведенным требованиям, были поставлены следующие задачи проектирования:

• выбор базового микроконтроллера;

• выбор сенсорных устройств;

• выбор исполнительных механизмов;

• разработка схемы подключения и расположения сенсорных устройств, исполнительных механизмов и питания системы;

• разработка алгоритма функционирования системы управления;

• программная реализация алгоритма.