Автономный робот &quot

Автономный робот “Феникс-3”
Бурдуков А.
ГУАП Санкт-Петербург.
1. Введение
В данной работе рассмотрены технические аспекты студенческого исследовательского
проекта «Феникс-3». Данный робот создан для проведения исследований и отработке технологии
«Обучения через показ» применительно к многоканальным нейронным системам управления,
начатым в проекте «Феникс-1» [1].
Рис. 1.1. Внешний вид робота Феникс-3.
Автономный робот Феникс-3 предназначен для автономного патрулирования в заданном
районе с целью обнаружения очагов возгорания. В случае обнаружения источника робот должен
приблизиться к очагу возгорания и используя бортовой огнетушитель погасить огонь. Для
ориентации на местности предполагается использовать купольную видеокамеру с поворотным
механизмом и трансфокатором в вандало-защищенном исполнении.
Внешний вид робота представлен на рис. 1.1, а внешний вид использованного в нём
контроллера – в правом углу рис. 1.1.
В работе представлены наиболее важные узлы системы, разработанные автором за период
2008 – 2009 гг.
2. Структура системы управления
В рамках проекта «Феникс-3» была разработана новая структура системы управления.
Данная структура более полно соответствует функциональности робота и отражает новое
понимание задач на основании опыта, накопленного в ходе проекта «Феникс-2».
Технология «Обучения через показ» предполагает несколько шагов синтеза нейронной
системы. На первом шаге движением робота управляет оператор с помощью обычной системы
управления. При этом в реальном времени фиксируются показания сенсоров и управляющие
команды. На втором шаге полученные данные используются для вычисления управляющих
коэффициентов.
Отсюда следует, что система управления должна иметь, по крайней мере, два основных
режима: режим управления оператором и автономный режим. Режим управления оператором
используется на этапе обучения. Структура системы управления различается для этих двух
режимов и представлена на рис. 2.1 и рис. 2.3.
Система управления состоит из множества подсистем: двухканальная система
дистанционного управления, многоканальная система ультразвукового зрения, бортовой источник
питания и т.д. Для упрощения и универсальности объединения подсистем использовано два типа
сетевых интерфейсов: CAN и Ethernet. Шина CAN используется для подключения ультразвуковых
модулей к основному контроллеру, но может также использоваться для подключения других узлов.
Для работы с этим интерфейсом был разработан специальный контроллер P3 с интегрированной
поддержкой CAN, а также протокол верхнего уровня. Ультразвуковой модуль, выполненный на
основе контроллера P3, представлен на рис. 2.2.
Подвижная
камера
(сенсорная часть)
Модуль
видеообра
ботки
Неподвижная
камера
Ethernet
Ноутбук
RS-485
Система
УЗ зрения
RS-232
шина CAN
Контроллер ASKLab
Сенсоры
Подвижная
камера
(вращение)
Выходные
мосты правого
и левого
двигателей
привод
огнетушителя
Акторы
Рис. 2.1. Структурная схема системы управления роботом «Феникс-3» в автономном
режиме.
Рис. 2.2. Универсальный контроллер с
шиной CAN P-3
Подвижная
камера
(сенсорная часть)
Модуль
видеообра
ботки
Видеока
нал
Неподвижная
камера
Ethernet
Wi-Fi точка
доступа
Ноутбук
RS-485
RS-232
шина CAN
Система
УЗ зрения
Канал
управления
Контроллер ASKLab
Приёмник
Сенсоры
Подвижная
камера
(вращение)
Выходные
мосты правого
и левого
двигателей
привод
огнетушителя
Акторы
Видеока
нал
Wi-Fi точка
доступа
Computer
cam.
output 1
cam.
output 2
Канал
управления
Оператор
Ручка 1 (робот)
Передатчик
Ручка 2
(огнетушитель)
Рис. 2.3. схема системы управления роботом «Феникс-3» в режиме управления
оператором.
3. Система дистанционного управления.
В ходе экспериментов с роботом «Феникс-2» было испытано два типа систем дистанционного
управления – с аналоговым и с цифровым каналом управления. Так как испытанная цифровая
система вносила значительные задержки в канал управления, было принято решение использовать
в дальнейшем аналоговую систему. Структурная схема данной системы представлена на рис. 3.1.
Надо отметить, что для проекта «Феникс-3» требуется два канала управления: один для
управлением движением робота, а другой – для управлением бортовыми устройствами – акторами.
Аналоговые
джойстики
Радиопередатчик
Ноутбук
Радиоприёмник
Контроллер
Акторы и
сенсоры
Рис. 3.1 Двухканальная система дистанционного управления.
Как видно из рисунка, имеется пульт управления со встроенным радиопередатчиком.
Команды управления передаются по радиоканалу. Далее принятые закодированные посылки
декодируются основным контроллером и отрабатываются акторами. Одновременно с этим
видеосигнал с камеры записывается на жёсткий диск ноутбука для последующей обработки.
Для экспериментов использовался комплект системы дистанционного управления Hitec
FOCUS 6. Он включает в себя пульт управления и приёмник. Структура сигнала, выделяемого
приёмником, представлена на рис. 3.2.
Сигнал
управления
представляет собой пачку из 6
импульсов. Первые 4 импульса
20 мс
содержат
информацию
о
положении по осям X и Y первой и
второй ручек управления. 5
±0,6 мс
импульс содержит информацию о
положении переключателя «gear»,
а шестой – о положении ручки
«CH6». В среднем положении
ручек
длительность
соответствующего
импульса
составляет 1,6 мс. При изменении
1,6
положения ручек соответственно
ms
увеличивается или уменьшается
Рис. 3.2. Структура
длительность
импульсов.
В
сигнала управления
крайних положениях изменение
длительность
изменяется
примерно на 0,6 мс. Длительность
паузы между импульсами составляет примерно 1,5 мс. После завершения передачи пачки, через 20
мс начинается формирование новой пачки в соответствии с текущим положением ручек управления.
Далее производится частотная модуляция радиосигнала в соответствии с сформированным
сигналом. Центральная частота несущей – 40,675 МГц. Приёмник радиосигнала выделяет
модулирующую пачку из принятого радиосигнала.
4. система ультразвукового зрения робота
Главное назначение системы – измерение расстояния до объектов в окружающем
пространстве. В рамках проекта было принято решение разработать многоканальную систему на
базе унифицированных модулей, связанных с основным бортовым контроллером при помощи
шины CAN.
Ультразвуковой модуль сделан на основе пьезопреобразователей фирмы MuRata MA40S8S
и MA40S8R. Данный модуль способен измерять расстояния до 2 м с точностью примерно 0,2 мм.
Структура модуля представлена на рис. 4.1. Узлы 3, 4 и 7 реализованы на ПЛИС
EPM7128 фирмы Altera.
1
3
5
2
4
6
1 – Контроллер шины CAN MCP 2510 ; 2 –
микроконтроллер PIC18F458; 3 – 16битный счётчик; 4 – формирователь пачки
импульсов; 5 – ультразвуковой приёмник;
6 – ультразвуковой излучатель; 7 –
делитель частоты; 8 – опорный кварцевый
генератор.
7
8
Рис. 4.1. Функциональная схема ультразвукового модуля
5. Видеоподсистема
Важная особенность проектов «Феникс» - использование видеоканала для ориентации в
пространстве.
Это
даёт
ряд
Fig. 5.1. Знак отклонения от центра полосы
зависит угла поворота камеры
преимуществ по сравнению с
другими методами, в частности,
высокая
универсальность,
возможность
распознавания
сложных объектов и т.д.
В рамках проекта «Феникс1» было показано, что датчик
положения
камеры
является
необходимым элементом подобной
системы. Это показано на рис. 5.1
применительно к задаче «следования
вдоль полосы».
Исходя из этого, видеоподсистема для проекта «Феникс-3» включает в себя купольную
видеокамеру с поворотным механизмом и трансфокатором в вандало-защищенном исполнении и
двухканальный модуль видеообработки с интерфейсом Ethernet. Камера установлена на
специальном основании, закреплённом на корпусе робота. Углом обзора и увеличением можно
управлять по интерфейсу RS-485. Это осуществляется при помощи ноутбука, подключенного к
камере через переходник USB - RS-485. Управляющие команды формируются специальной
программой, запущенной на ноутбуке.
Камера имеет встроенные датчики угла поворота и наклона, показания которых
отображаются на формируемом изображении. Эта информация может использоваться при
проведении процедуры обучения, если в автономном режиме угол обзора не будет изменяться.
Оператор может прочитать показания датчиков на экране вывода видеоданных. Также
предлагается использовать простой метод использовать фиксированное значение угла обзора в
каждом эксперименте. Метод проиллюстрирован на рис.5.2 и ориентирован на одношаговую
процедуру обучения [7].
S1
SEN
=
S2
Поля заполняются вручную значениями
для каждого шага обучения
SN
w = (SENT SEN +  E) –1 SENT Ua Вычисление весов
Автономный режим: Sугол камеры= Sугол камеры
(начало д)
Ua = (S,w)
Рис. 5.2 Алгоритм использования фиксированного угла
Видеоподсистема робота «Феникс-3» имеет возможность обрабатывать два видеосигнала
одновременно и записывать видео в реальном времени.
Каждая камера вырабатывает стандартный PAL-сигнал, который следует оцифровать. Это
осуществляется с помощью модуля видеообработки. Модуль принимает сигналы с камер,
оцифровывает их, кодирует в формат MJPEG 2000 и передаёт по локальной сети на ноутбук. На
ноутбуке видео декодируется и отображается на экране.
Также модуль видеообработки имеет возможность сохранять видеозапись и передавать
телеметрические данные, которые также можно использовать в ходе экспериментов.
6. Модель SOFA-2009
В качестве теоретической поддержки развиваемого направления велось изучение
особенностей обучения систем управления на базе нейронных сетей с использованием
математической модели двухколесного робота SOFA-2009, реализованной с помощью пакета
Mathcad 14.
Модель SOFA –2009 представляет собой систему из семи обыкновенных
дифференциальных уравнений. Моделирование перемещений робота осуществляется путем
решения задачи Коши для задаваемых графиков управляющих напряжений.
Примеры использования модели приведены в приложении 1.
Заключение.
Детальное описание подсистем, использованных при создании робота, представлено на
сайте http://guap.ru.
В заключение автор выражает благодарность коллективу СКБ ГУАП и OOO “ASK Lab” за
всестороннюю поддержку в реализации данного проекта.
Список литературы.
1. Д.А.Астапкович, А.А.Гончаров, А.С.Дмитриев, А.В.Михеев. Проект “Робот Феникс-1”.
Сборник докладов пятьдесят девятой международной студенческой научно-технической
конференции ГУАП., Часть I, Технические науки, 18-22 апреля 2006, г,Санкт-Петербург,
с.211-216.
2.
Dmitriev
A.,
Mikheev
A.
Autonomous
Robot
"PHOENIX-1".
http://guap.ru/guap/skb/docs/dmitr_mih.doc
3. Astapkovitch A.M. ONE STEP LEARNING PROCEDURE FOR NEURAL NET CONTROL
SYSTEM http://guap.ru/guap/skb/docs/tbs.doc
4. Астапкович Д. А. Дипломная работа "Компьютерная модель робота Phoenix"
http://guap.ru/guap/skb/dip.doc
5. А.В. Бурдуков Макетирование многоканальной системы ультразвукового зрения
робота "Феникс-3" http://guap.ru/guap/skb/burdukov2.doc
6. А.В. Бурдуков Система дистанционного управления роботом "Феникс 3"
http://guap.ru/guap/skb/burdukov.doc
7. 2. Astapkovitch A.M. Оne step learning procedure for neural net control system. Proc. ???
international forum “Information systems/ Problems? perspectives? innovation approaches”
Prooceedings of the seminar/ Vo. 2. St. Petersburg. July 02-06. SUAI. SPb. 2007
Приложение 1.