Система управления мобильным роботом
Полезная модель относиться к области управления мобильными робототехническим комплексами, в частности мобильными роботами, ориентирующиеся и передвигающиеся в условиях неизвестной окружающей среде с изменяющимися внешними факторами.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности управления мобильного робота за счет применения интеллектуальной архитектуры системы управления робота, адаптирующиеся к изменяющемся условиям окружающей среды за счет выбора наиболее эффективной группы датчиков для данных условий окружающей среды.
Поставленная задача решается тем, что предлагается система управления мобильным роботом, состоящая из связанных друг с другом модулей, а именно удаленного модуля управляющей системы, мобильного модуля управляющей системы и внешнего модуля наблюдения. Мобильный модуль управляющей системы состоит из мобильных подсистем управления и чувствительных элементов. Удаленный модуль управляющей системы состоит из реконфигуратора и удаленных подсистем управления. Реконфигуратор состоит из АПБ (аппаратно-программный блок) генерации подсистем управления, АПБ накопления знаний, АПБ моделирования.
Полезная модель относится к области управления мобильными робототехническим комплексами, в частности мобильными роботами, ориентирующиеся и передвигающиеся в условиях неизвестной окружающей среде с изменяющимися внешними факторами.
Известна «Система управления мобильным роботом» (патент на полезную модель РФ 
83858 от 25.12.2008 по кл. МПК G05B 19/19), содержащая регулятор и систему датчиков - ультразвуковых, энкодеров и электронный компас и мобильный робот. Причем регулятор включает нейронную сеть-классификатор, блок нечеткой логики и блок определения текущего расстояния до цели и угла отклонения, базу правил, выход блока определения текущего расстояния до цели и угла отклонения соединен с блоком нечеткой логики, выход блока внешних ультразвуковых датчиков соединен с входом нейронной сети-классификатора и входом блока нечеткой логики регулятора, выход нейронной сети-классификатора соединен с входом блока нечеткой логики, выход блока нечеткой логики соединен с мобильным роботом, отличающаяся тем, что блок нечеткой логики включает два блока - блок нечеткой логики направления и блок нечеткой логики скорости, в качестве датчиков положения мобильного робота использованы энкодеры и электронный компас, причем выход ультразвуковых датчиков соединен с входом блока нейронной сети-классификатора, входом блока нечеткой логики направления и блоком нечеткой логики скорости регулятора, выход энкодеров соединен с входом блока определения текущего расстояния до цели и угла отклонения.
Недостатками аналога, являются: ограниченность набора чувствительных элементов, отсутствие бортовой видеокамеры, наличие только бортового вычислитель и как следствие малый набор управляющих алгоритмов, не позволяющих адаптироваться к изменяющемся условиям окружающей среды, отсутствие внешнего наблюдения в составе комплекса для улучшения качества выполняемых задач, отсутствие глобальной системы позиционирования.
Наиболее близким по структуре и достигаемому результату к заявленной полезной модели, взятая за прототип, является «Мобильный робот и способ корректировки его курса» (патент РФ 2210492 от 28.06.2001 по кл. МПК B25J 5/00, B25J 9/00), содержащий устройство для перемещения мобильного робота по помещению, устройство для обнаружения наличия 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. Изобретение позволит определять местоположение робота и корректировать его направление при обнаружении препятствия.
Недостатками прототипа, являются: не адаптивность архитектуры к изменяющемся условиям окружающей среды и малый класс задач выполняемых роботом ввиду жесткой архитектуры и наличия только бортового вычислителя, отсутствие внешнего наблюдения и глобальной системы позиционирования в составе комплекса.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности управления мобильного робота за счет применения адаптивной архитектуры системы управления робота, которая подстраивается к изменяющемся условиям окружающей среды, увеличение точности передвижения за счет включения системы внешнего наблюдения для повышения качества и глобальной системы позиционирования.
Поставленная задача решается тем, что предлагается система управления мобильным роботом, состоящая из связанных друг с другом модулей, а именно удаленного модуля управляющей системы, мобильного модуля управляющей системы и внешнего модуля наблюдения. Мобильный модуль управляющей системы состоит из мобильных подсистем управления и чувствительных элементов, а именно ультразвуковой датчик расстояния, инфракрасный датчик расстояния, видеокамера, электронный компас, модуль глобального позиционирования, датчик ускорения, одометр, гироскоп. Удаленный модуль управляющей системы состоит из реконфигуратора и удаленных подсистем управления. Реконфигуратор состоит из АПБ (аппаратно-программный блок) генерации подсистем управления, АПБ накопления знаний, АПБ моделирования. Мобильные и удаленные подсистемы управления реализуют основную логику управления мобильным роботом, направленную на достижения локальных задач мобильного робота. В основе подсистем управления лежат нейронные сети, дискретные автоматы, генетические алгоритмы и аппаратно-программные системы. Внешний модуль наблюдения состоит из чувствительных элементов, главной задачей которых является наблюдение за мобильным роботом со стороны и передавать информацию удаленному и мобильному модулю управления. Реконфигуратор производя анализ данных поступающих с чувствительных элементов с помощью АПБ накопленных знаний выбирает наиболее оптимальный вариант из имеющихся конфигурации подсистем управления для управляющей системы, затем с помощью АПБ генерации новых подсистем, работа которого основана на генетическом алгоритме, на базе найденных подсистем генерируются новый варианты подсистемы, которые тестируются в АПБ моделирования. В процессе тестирования находится наиболее оптимальная конфигурация подсистем отвечающей решению поставленной задачи для мобильного робота, после чего происходит замена старых подсистем управления на новые. Реконфигурация подсистем управления происходит по истечению определенного временного интервала, изменившимися задачами перед мобильным роботом, либо существенно изменившимися условиями окружающей среды, который анализирует реконфигуратор. Также архитектура управляющей системы предполагает что возможны разрывы связи между модулями, поэтому мобильный робот оснащается независимыми мобильными подсистемами, которые должны обеспечивать работу робота в автономном режиме. Кооперация удаленных и мобильных подсистем позволяет мобильному роботу решать задачи различной сложности. Модуль внешнего наблюдения необходим для увеличения качества решаемых задач мобильным роботом.
На фиг.1 представлена структура полезной модели.
Полезная модель содержит удаленный модуль управляющей системы 1, мобильный модуль управляющей системы 2, и внешний модуль наблюдения 3. Мобильный модуль управляющей системы 2 состоит из мобильных подсистем управления 4 и чувствительных элементов 5, а именно ультразвуковой датчик расстояния, инфракрасный датчик расстояния, видеокамера, электронный компас, модуль глобального позиционирования, датчик ускорения, одометр, гироскоп. Удаленный модуль управляющей системы 1 состоит из реконфигуратора 6 и удаленных подсистем управления 7. Реконфигуратор 6 состоит из АПБ (аппаратно-программный блок) генерации подсистем управления 8, АПБ накопления знаний 9, АПБ моделирования 10. Связь между модулями 1, 2 и 3 происходит по беспроводной связи Wi-Fi. Через соответствующие подсистемы управления в 4 и 7 реконфигуратор 6 получает информацию об условиях внешней среды. В рамках модулей 1 и 2 связь между 6 и 7, и 4 и 5 соответственно происходит по проводным каналам связи. По каналу связи между реконфигуратором 6 и подсистемами управления 4 и 7 передается информация об условиях внешней среды и происходит конфигурирование подсистем управления 4 и 7.
Работа полезной модели производится следующим образом. Информация о внешней среде поступает через модуль внешнего наблюдения 3 и чувствительные элементы 5 мобильного модуля 2 и передается мобильным подсистемам 4 и удаленным подсистемам 7. Удаленные подсистемы 7 производят анализ информации о внешней среде и передают результаты анализа мобильным подсистема 4. На основе поступающей информации и поставленной задачей перед мобильным роботом мобильные подсистемы 4 принимают решение о дальнейших физических манипуляциях робота. В процессе работы робота возможны разрывы беспроводной связи между модулями 1, 2 и 3, и в зависимости от поставленных целей, мобильная подсистема 4 может продолжить работу в автономном режиме, либо попытаться восстановить связь путем возвращения в зону покрытия беспроводной сети. Для увеличения быстродействия работы робота мобильные подсистемы 4 могут делегировать часть функций удаленными подсистемам 7. Реконфигуратор 6 производит анализ данных поступающих через подсистемы 4 и 7 с модуля внешнего наблюдения 3 и чувствительных элементы 5, и с помощью АПБ накопленных знаний 9 выбирает наиболее оптимальный вариант из имеющихся конфигурации подсистем управления для мобильных подсистем управления 4 и удаленных подсистем управления 7, затем с помощью АПБ генерации новых подсистем 8, работа которого основана на генетическом алгоритме, на базе найденных подсистем генерируются новый варианты подсистемы, которые тестируются в АПБ моделирования 10. В процессе тестирования находится наиболее оптимальная конфигурация подсистем отвечающей решению поставленной задачи для мобильного робота, после чего происходит замена старых подсистем управления на новые. Реконфигурация подсистем управления происходит по истечению определенного временного интервала, изменившимися задачами перед мобильным роботом, либо существенно изменившимися условиями окружающей среды, который анализирует реконфигуратор 6.
Система управления мобильным роботом, характеризующаяся тем, что содержит мобильный модуль, удаленный модуль и внешний модуль наблюдения, связанные между собой беспроводной связью, при этом мобильный модуль включает связанные посредством проводных каналов связи мобильные подсистемы управления и чувствительные элементы: ультразвуковой датчик расстояния, инфракрасный датчик расстояния, видеокамеру, электронный компас, модуль глобального позиционирования, датчик ускорения, одометр и гироскоп, удаленный модуль включает связанные посредством проводных каналов связи удаленные подсистемы управления и реконфигуратор, состоящий из аппаратно-программного блока генерации подсистем управления, аппаратно-программного блока накопления знаний и аппаратно-программного блока моделирования, а внешний модуль наблюдения включает чувствительные элементы для наблюдения и передачи информации удаленному и мобильному модулям.
