Промышленные роботы Ч. 3 учебное пособие

После возвращения Waterspout к подлодке все происходит в обратном порядке. Вертолет садится на воду. Снизу к нему поднимается кольцо с тросом. Причем оно автоматически находит вертолет-поплавок, ориентируясь по сигнальному маяку на его днище, и стыкуется с летательным аппаратом. Далее подлодка втягивает машину внутрь себя.

Любопытно, что в этом вертолете пришлось отказаться от традиционного лобового стекла. Пилоты ведут машину, ориентируясь лишь на картинку с видеокамеры на носу машины: перед каждым членом экипажа опускается плоский экран.

В такой маленькой машине предусмотрена возможность удобной эвакуации раненого с поля боя. Внутри кабины имеется лебедка с тросом. «Бочка» может зависнуть над землей, открыть нижний люк и выпустить трос вниз. От бойца потребуется лишь прицепить к себе карабин и дать команду пилоту. И очень скоро он будет втянут внутрь кабины этой крошечной машины.

2.3.4. Беспилотные самолеты-разведчики

Самая известная, пожалуй, разновидность военных роботов – беспилотные самолеты-разведчики (БСР) (рис. 24).

Беспилотные разведчики использовались во время войны во Вьетнаме (советские зенитные комплексы сделали живую разведку слишком опасным делом); первый отечественный БСР, Ла-17Р, был создан еще в 1959 г., а программы по созданию беспилотных летательных аппаратов разрабатывались в тридцатые годы прошлого столетия.

Зачем понадобилось создавать беспилотные самолеты? Первый ответ, который приходит в голову, – робота не жаль, если собьют. Поэтому БСР может забираться вглубь территории противника на сотни и даже тысячи километров. При определенных условиях электроника справляется с разведкой местности лучше, чем пилот. Беспилотникам не тре-

буются ни системы жизнеобеспечения, ни интерфейс взаимодействия пилота с аппаратурой. Все это уменьшает и себестоимость, и размеры самолета, а следовательно, и вероятность быть обнаруженным и сбитым. Наконец, полностью исключается человеческий фактор: разведчик будет четко следовать заложенной в него программе или инструкциям наземного оператора.

41

Сегодня беспилотными разведчиками располагают все основные армии мира: стран бывшего СССР и НАТО, Китая, Индии, Израиля, Египта, Ирана, разработки ведутся в Японии... Из американских фирм стоит отметить Teledyne Ryan Aeronautics, в России ОКБ имени А.Н. Туполева.

Самолет обычно состоит из трех отсеков: в переднем располагается аппаратура (в некоторых моделях этот отсек может отстреливаться), в среднем – баки с топливом, хвостовой занимают двигатели.

По назначению БСР можно разделить на тактические и стратегические. Первые предназначены для использования в ходе боевых действий и залетают на сотни километров за линию фронта, вторые могут и в мирное время забираться на тысячи километров вглубь территории потенциального противника. Альтернативным военным применением беспилотников является патрулирование ими границ, что уже делается в США (это гораздо дешевле использования вертолетов). Запуск различных моделей БСР может производиться со специальных катапульт, тягачей (рис. 25) или с классических самолетов. Посадка осуществляется с помощью парашюта (рис. 26).

Рис. 25. Старт египетского БСР «Скарабей» с тягача

Рис. 26. Приземление на парашюте

42

Массовое применение беспилотных разведчиков началось в последнем десятилетии XX века. Впервые оценить их возможности американские военные смогли во время вооруженных конфликтов в Ираке и Югославии, однако для полноценного применения БСР тогда не хватило мощностей по обработке информации. Сегодня программное обеспечение позволяет беспилотникам самостоятельно выделять потенциальные цели, в том числе в неблагоприятных условиях, а также следить за перемещением объектов. Например, во время антитеррористической операции в Афганистане, по информации «Таймс», командование вооруженных сил НАТО использовало БСР Predator, оснащенный двумя управляемыми противотанковыми ракетами Hellfire. В режиме реального времени БСР передавал увиденное им в Пентагон, где военные могли в любой момент отдать команду о запуске ракет при обнаружении Усамы Бен Ладена. Самолет то ли был сбит, то ли потерпел крушение, но результатами военные остались довольны и активно применяли Predator в ходе операции в Ираке.

2.3.5. Летательный аппарат «Призрачный страж»

«Призрачный страж» (Phantom Sentinel) (рис. 27) – первый всепогодный беспилотный летательный аппарат малого класса. Он предназначен для незаметного наблюдения за людьми в городских условиях, съемка ведется на высокоскоростную видеокамеру.

Рис. 27. Летательный аппарат «Призрачный стаж»

Невидимость аппарату придает эффект инерциальности человеческого зрения, благодаря которому, к примеру, становятся почти прозрачными быстро вращающиеся воздушные винты самолетов. Phantom Sentinel представляет собой трехлопастной «бумеранг», на двух лопастях которого расположены пропелле-

43

ры, приводимые в движение малошумными электромоторами. Центр масс, вокруг которого вращается конструкция, вынесен за пределы корпуса, а полет осуществляется по сложной траектории, что также затрудняет обнаружение аппарата. Как утверждают представители фирмы VeraTech Аero, при высоте полета не ниже 20 м его уже практически невозможно обнаружить визуально или акустически.

2.3.6. Летающий робот-шпион

Американские военные совместно с ведущими компаниями разрабатывают проект нового сверхкомпактного разведывательного летательного аппарата (длина робота-шпиона составит чуть больше 15 см, а масса около 115 г). За основу при этом взята модель полета летучей мыши (рис. 28).

Аппарат будет оборудован стереокамерами, микрофонами, минирадаром, датчиками ядовитых веществ и радиации (рис. 29). Для подзарядки батареи летучий робот будет использовать энергию солнца, ветра, вибраций и т.п.

2.4. Беспилотные управляемые роботы-автомобили

Создание автономных машин – чрезвычайно важное направление, обладающее несомненным приоритетом в робототехнике. Такие автомобили, способные самостоятельно ориентироваться в окружающем пространстве, освобождают человека от монотонной работы за рулем. Кроме того, они необходимы в трудных условиях передвижения, например при проведении спасательных работ в зонах бедствия.

44

Не первый год проходят соревнования автомобилей-роботов (рис. 30), создаваемых разными компаниями и университетскими командами. Беспилотные машины (рис. 31) уже доказали, что способны полностью самостоятельно действовать в сложной обстановке, соблюдая правила и избегая столкновений с другими автомобилями и людьми, а также самостоятельно преодолевать весьма протяженные маршруты. Во время испытаний (рис. 32) автомобили смогли преодолеть сложный городской маршрут: проехать много перекрестков (разных типов) и поворотов, большие и маленькие улицы, заехать на парковку и выехать с нее, выполнить большое количество прочих маневров.

Рис. 30. Беспилотный автомобиль

Рис. 31. Автомобиль с системой искусственного интеллекта

Одной из ключевых технологий, позволивших роботу превосходно ориентироваться в обстановке, стал новый ЛИДАР. Он представляет собой блок из 64 лазеров, вращающийся со скоростью 10 оборотов в секунду и производящий за это время миллион измерений дистанции до самых различных предметов.

45

При управлении подвижным роботом большое значение имеет то, каким образом представлено пространство, в котором этот робот движется. Система пространственного представления служит трем целям:

1)создает структуру для включения вновь поступившей информации об окружающей среде;

2)предоставляет необходимую информацию для осуществления планирования маршрута;

3)обеспечивает информацией для контроля положения робота при выполнении задания.

Система управления автономным мобильным роботом должна решать следующие задачи:

– обрабатывать сенсорные данные (в том числе данные от интерфейса с оператором) с целью сбора информации о роботе и внешней среде вокруг него;

–планировать мероприятия по пояснению целевого задания и планировать последовательность подзадач, необходимых для выполнения этого задания;

–формировать такие программные траектории движения, которые бы приводили к выполнению роботом локальной подзадачи (на-

пример, прибытие к целевой точке в среде

спрепятствиями);

–формировать такие задающие воздействия на исполнительные механизмы робота, которые бы приводили к максимально точному и быстрому выполнению ими программной траектории движения.

Алгоритм управления движением автомобиля в городских условиях представлен на рис. 34.

В настоящее время при разработке систем управления мобильными роботами развивается подход, связанный с компенсацией динамических изменений среды и погрешностей системы путем коррекции плана на основе оперативной

47

информации, поступающей от специальных сенсорных систем контроля. Такой подход реализуется динамическим планированием движений робота (рис. 35).

Рис. 35. Структурная схема взаимодействия программ при динамическом планировании движений и действий робота

Повышение быстродействия робота зависит от сенсорных систем. Сенсорные системы по связи с исходной программой движений робота и его системой управления условно можно разделить на следующие классы:

1)нижнего уровня;

2)тактического уровня;

3)стратегического уровня.

Чтобы количественно оценить, насколько техническая оснащенность системы очувствления робота соответствует решаемой задаче, введено понятие информационной емкости системы на входе Iвх, которая определяется числом Sвх возможных состояний датчиков. Двухпозиционный датчик имеет только два состояния. Любой пропорциональный датчик может быть представлен дискретным элементом с п состояниями (так как он имеет определенный диапазон l измерения и разрешающую способность , то в любой момент времени он может находиться в одном из п = l/ возможных состояний).

где N и k – число соответственно двух- и n-позиционных датчиков в системе.

48

Количество информации на выходе Iвых, необходимое для устранения неопределенности исходной программы очувствленного робота, можно определить числом состояний среды Sвых:

Iвых lg Sвых.

Величина Iвх характеризует максимальные возможности системы восприятия информации, величина Iвых – количество информации, необходимое для решения поставленной задачи, а их отношение η=Iвых/Iвх представляет собой коэффициент использования информации в системе очувствления робота. Чем η ближе к единице, тем лучше соответствует система восприятия информации поставленной задаче. Заметим, что задача может бытьрешенатолько

приIвх Iвых.

Для реализации автоматического управления на машину ставятся датчики (рис. 36), собирающие информацию об окружающем мире (видеокамеры, инфракрасные и ультразвуковые локаторы, GPS и т.д.), а также компьютер со специальной программой, управляющей газом, тормозом, рулевым колесом, включением поворотников.

GPS-система

Д

Компас и измеритель угла на- клона

А

Датчики ускорения (замедления)

Т

Видеокамеры

Ч Лазерные сканеры LIDAR

Ультразвуковые локаторы

И

Инфракрасные локаторы

К

Датчики давления, влажности, задымления, уровня радиоак- тивности, давления окружаю-

И щего воздуха и датчики давления в шинах

Рис. 36. Блок-схема датчиков

49

При помощи датчиков можно получить максимально точную картину того, что происходит вокруг автомобиля.

GPS-система нужна автомобилю, чтобы понимать, где он находится, для прокладки маршрута и ориентации в глобальном пространстве.

Компас и измеритель угла наклона дают возможность определить направление движения и угол наклона корпуса автомобиля.

Датчики ускорения (замедления) позволяют установить, что сейчас происходит с автомобилем, с каким ускорением он в данный момент тормозит или движется. Причем эти датчики размещаются в разных частях автомобиля, так как, например, при поворотах на различные части автомобиля действуют различные нагрузки.

Для обеспечения стереозрения видеокамеры парами установлены по всему периметру автомобиля, что позволяет получить абсолютно полный круговой обзор в360 . Причем видеокамеры могут «видеть» даже в полной темноте и при ярком солнечномосвещениииливситуациизасветкиотфарвстречныхмашин.

Лазерные сканеры LIDAR помогают, помимо стереозрения, «видеть» окружающую обстановку. При помощи лазерного луча можно измерить расстояние до некоторой точки и, постепенно отклоняя его двумя зеркалами, получить так называемую трехмерную карту местности.

Ультразвуковые локаторы помогают автомобилю точно припарковаться. Каждый автомобиль оснащен сверхбыстрым интернет-каналом для полу-

чения информации о пробках, быстрого программного обеспечения, а также анализа информации и принятия решений.

2.4.1. Патрульный ультрамобиль

Для военных целей в США разработан броневик ULTRA AP (рис. 37).

Рис. 37. Патрульный автомобиль ULTRA AP

50