РОБОТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ С УДАЛЁННЫМ

РОБОТОТЕХНИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ
С УДАЛЁННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Автор: Московский А. Д.
Соавтор: Ровбо М. А.
Московский Физико-Технический Институт (НИУ),
Работа выполнена на базе СКБ «Робототехника» МИЭМ
Россия
Аннотация
В работе рассматривается робототехнический
комплекс
для
проведения
дистанционных
экспериментов
в
области
управления
робототехническими системами.
Введение
Обучение робототехнике, как и всякой инженерной
науке, требует активного проведения лабораторных
занятий, в ходе которых учащийся приобретает
практические навыки работы с оборудованием,
настройки и отладки программ и алгоритмов
управления. В то же время сейчас количество учебных
робототехнических лабораторий сравнительно мало.
Одной из активных форм обучения сейчас является
дистанционное обучение. Для робототехники также
стали создаваться лабораторные комплексы, доступные
для проведения экспериментов через Интернет. Помимо
привлекательной возможности обучаться удалённо,
такие лаборатории должны решать ещё одну проблему
робототехники: для разработки алгоритмов роботов
требуется вначале изготовить «железо», зачастую
уникальное. Такие лаборатории должны предоставлять
достаточную информацию пользователю (видео с
камер, показания датчиков, возможность увидеть робота
с разных сторон и т.п.) и большýю свободу в
проведении эксперимента для обеспечения «эффекта
присутствия», поскольку нахождение ошибки в
алгоритме или оборудовании при работе с роботом
зачастую осложняется неочевидностью причины
ошибки, и лишь наблюдение за поведением робота в
различных ситуациях и сочетанием показаний
различных датчиков позволяет установить причину
сбоя.
В настоящее время удалённые лаборатории в
основном предоставляют доступ к различному
стационарному оборудованию (манипулятор, станок с
несколькими степенями свободы и т.п.). Однако
существует большой класс мобильных систем,
например роботизированные платформы, движущиеся
по полосе; мобильные роботы, катающиеся в пределах
полигона, ограниченного стенами.
Кроме того при проведении опытов исследователь
нуждается в как можно меньшем количестве
ограничений, налагаемых на опытный экземпляр,
поскольку
это
расширяет
круг
возможных
экспериментов.
Поэтому
в
данной
работе
рассматривается способ проведения стандартных
экспериментов с роботами в плохо обусловленной среде
(например, без стен вокруг полигона) с использованием
внешнего
автоматического
контроля
за
их
перемещением и состоянием.
Для этого предлагается использовать камеры для
наблюдения за ходом эксперимента в качестве датчиков
положения робота, что позволяет определять, когда он
подходит к границам видимости, выезжает за трассу,
выходит с «арены» и вносить необходимые коррективы
в ход эксперимента автоматически. Например, если
робот уедет за область видимости камеры, то вернуть
его обратно ручным управлением будет проблематично,
в то время как система, автоматически определив, что
он уехал, сама вернёт его в начальную позицию.
Такой подход позволяет уменьшить количество
ситуаций, в которых требуется вмешательство
лабораторного персонала, облегчить контроль за
роботом исследователя и предоставить ему бóльшие
сведения о ходе эксперимента (например, координату
робота относительно центра арены, определяемую с
помощью камеры).
Такая система к тому же позволяет в перспективе
использовать видео камеры как источник информации
для обработки средствами визуального распознавания,
которые можно использовать, например, для того,
чтобы робот не врезался в объекты, которых на трассе
быть
не
должно,
что
позволит
проведение
экспериментов в ещё менее детерминированной среде.
Таким образом, целью данного исследования
является создание программно-аппаратного комплекса
с открытой архитектурой, включающего в себя систему
автоматического
контроля
некоторых
распространённых
робототехнических
систем
с
использованием видеонаблюдения.
Состав комплекса
Предлагаемый
робототехнический
комплекс
представляет реализацию трех классических и
показательных задач: роботизированную тележку,
ездящую по линии, манипулятора с ручным
управлением и пары роботов мини-сумо. Управляющий
комплекс состоит из веб-сервера, модулей радиосвязи
ZigBee, координатора ZigBee, маршрутизаторов ZigBee,
и камер.
Пользовательский клиент соединяется с вебсервером посредством сети Интернет через протокол
TCP/IP, после чего пользователь выбирает, с какой
установкой он хочет работать и получает к ней доступ.
Это реализуется созданием виртуального сервера
установки, который делает предварительную обработку
информации перед тем, как послать её пользователю,
интерпретирует команды клиента в команды,
выполняемые оборудованием, а также перехватывает
управление над роботом при необходимости вмешаться
в ход эксперимента.
Рис.1. Общая структура.
На рис. 1 представлена структура удалённой
лаборатории комплекса :
 Клиент. Предоставляет пользователю удобный
интерфейс для проведения эксперимента.
1




Веб-сервер. Осуществляет связь с клиентом и
запускает
виртуальные
серверы
для
проведения эксперимента.
Роботизированная платформа. Изучение ПИДрегулятора на примере езды по линии.
Роботы мини-сумо. Создание алгоритмов
поведения робота в соревновании против
другого робота.
Манипулятор. Изучение работы манипулятора.
для настройки удобного обзора. Особенностью этой
части работы является предоставления пользователю
модели, на которой пользователь предварительно
отрабатывает последовательность команд, которые в
итоге передаются на реальный манипулятор.
Клиент.
Клиент
предоставляет
пользователю
интерфейс
управления
роботом,
настройки
необходимых
параметров
для
проведения
эксперимента и средства управлением камерами. Также
в клиент выводится разнообразная информация: видео,
поступающее с камер, наблюдающих за установкой,
текущие параметры и некоторые показания датчиков.
Также клиент поддерживает запись логов эксперимента
в отдельный файл.
Веб-сервер,
серверы
управления
и
сервер
наблюдения. Веб-сервер осуществляет связь с
пользовательским клиентом и обеспечивает связь с
виртуальными
серверами
установок.
Серверы
управления – это виртуальные серверы, которые
обеспечивают взаимодействие с конкретной установкой.
Они перенаправляют видео потоки клиенту, собирают
необходимую информацию с датчиков, интерпретирует
команды клиента, чтобы передавать на робота команды,
которые он «понимает», обеспечивает ручное
управление, а также перехватывает управление в случае
поступления сигнала с виртуальных серверов
наблюдения за установкой, которые, получая
изображение с камеры, определяют положение робота и
сообщают серверу управления, если тот находится в
недопустимом положении.
Роботизированная платформа. Платформа, ездящая
по линии, служит для обучения работы с ПИДрегулятором. Она принимает пропорциональный,
дифференциальный и интегральный коэффициенты,
преобразует координаты смещения с линии в
корректировочное воздействие и таким образом едет по
линии. Соответствующие смещения, воздействие и
видео
передаётся
клиенту.
Возможно
ручное
управление роботизированной платформой. Если она
уезжает слишком далеко от трассы, то система
перехватывает управление и возвращает робота на
старт.
Роботы мини-сумо. Роботы мини-сумо принимают
команды со своего управляющего сервера, которые
устанавливают необходимый режим передвижения или
действие и передают управляющему серверу сигналы
датчиков. Пользователь получает видео сражения
роботов. Роботы устанавливаются в выбранную
пользователем стартовую позицию из списка доступных
стартов
автоматически.
Система
наблюдения
определяет победителя автоматически (кто съедет с
арены первым – тот проиграл).
Манипулятор. Манипулятор получает сигналы вида
«повернуть привод сочленения на угол α».
Пользователь устанавливает эти углы вручную с
помощью ползунков и полей ввода. Также он может
заранее написать последовательность установки
различных параметров и запустить их выполнение.
Комплекс камер обеспечивает вид с разных положений.
Некоторые камеры могут управляться пользователем
Рис.2 Контролирующий контур
Итог
Данная работа демонстрирует реализацию удалённой
робототехнической лаборатории для работы с
мобильными
и
стационарными
роботами
с
использованием системы автоматического контроля
проведения эксперимента.
Система имеет перспективы развития в сторону
создания
лабораторий,
позволяющих
удалённо
проводить эксперименты с роботами в плохо
обусловленных средах.
1
2
3
4
5
6
7
8
Литература
Клещенко М.С. “Удаленное обучение на базе
современных мехатронных систем”. Сборник
научных трудов “Современная мехатроника”,
2011.
Michael Grahame Moore, William G. Anderson
“Handbook of Distance Education”.
Spyros G. Tzafestas “Web-Based Control and
Robotics Education”.
И.М. Макаров, В.М. Лохин, С.В. Манько, М.П.
Романов “Система дистанционного обучения
по робототехнике и мехатронике на базе
современных информационных технологий”,
url:
http://ifets.ieee.org/russian/depository/v7_i3/pdf/s
4.pdf
Постников Е.Б. “Обзор мирового опыта
создания и эксплуатации лабораторий
удаленного доступа”, 2011, url:
http://www.efmsb.ru/download/Mirovoy_opit_soz
daniya_i_ekspluatacii_laboratoriy_udalennogo_do
stupa.pdf
Интерент-лаборатория “Робототехника”,
МГТУ им.Баумана,
http://lud.bmstu.ru/robot/index.html
Электронный ресурс. Совместный проект
СТУ в Братиславе и компании Microstep-MIS
sr.o. http://www.robotika.sk/maine.php
“Interstudy project” , совместный проект
http://distance.roboticlab.eu/lab/view/1
2