Классификация мобильных колесных роботов по их конструктивному исполнению, а также аппаратно-техническому обеспечению крайне широка [1–3]. Обилие вариантов реализации платформ обуславливается широким спектром применения: перевозка грузов, исследование или обработка/очистка территории, экологический мониторинг, измерения параметров протяженных объектов, тушение пожаров, поиск пострадавших в завалах, исследование труднодоступных мест и др.

На практике колесные роботизированные платформы ориентированы на решение конкретной задачи, что в целом затрудняет их применимость в смежных приложениях. Часто небольшое изменение условий эксплуатации робота или постановка новой задачи приводят к необходимости существенного изменения аппаратно-технического обеспечения. Перспективным направлением обеспечения эффективного наращивания функций в рамках единой структуры мобильного колесного робота представляется модульная организация систем измерений и управления. Модульная структура аппаратно-технического обеспечения расширяет диапазон функциональных возможностей и создает предпосылки для автоматического выбора конфигураций робота.

Модульный принцип построения сенсорной и управляющей систем мобильной платформы

Основные задачи разрабатываемой платформы, такие как обеспечение возможности анализа сцен окружающего мира и возможности избегания опасных режимов функционирования, определение параметров наблюдаемых объектов, решаются с использованием сенсорной системы [3]. Выделим базовые сенсоры, используемые для решения сформулированных задач (табл. 1).

На рис. 1 выделено бортовое и дистанционное управление мобильным роботом. Уровень дистанционного управления представлен автоматизированным рабочим местом (АРМ), с которого поступают основные команды управления на интеллектуальную систему управления (ИСУ) мобильного робота, систему управления исполнительными механизмами (СУИМ) и систему управления сенсорами (СУС).

Таблица 1

Базовый набор сенсорной подсистемы

К ИСУ от АРМ подаются команды высокого уровня с указанием направления движения или целевого объекта, для СУИМ – например, команды ограничения скорости, а для СУС – команды на отключение или включение сенсоров. В ИСУ заложены алгоритмы поведения мобильного робота, например, алгоритм объезда препятствий, алгоритм «инстинкта самосохранения», самодиагностика и др.

С учетом особенностей задач и данных табл. 1 построим модульную структуру сенсорной системы [4] и покажем ее связь с системой управления [5] (см. рис 1).

Сенсоры разделены на две категории: группа независимых сенсоров НС (показания не зависят или не должны зависеть от факторов окружающей среды) и группа зависимых сенсоров ЗС (показания зависят от факторов окружающей среды).

Данные поступают с ЗС на ИСУ в основном для выполнения задач по определению параметров наблюдаемых объектов. Каждый сенсор относится к определенной категории влияющих факторов внешней среды (ФВС): зависимые от времени суток (ЗВС), зависимые от погодных условий (ЗПУ), зависимые от дыма, пыли (ЗДП) или зависимые от шума (ЗШ). У каждого сенсора есть ключ, управляемый СУС, разрешающий (ключ замкнут) или запрещающий (ключ разомкнут) работу сенсора.

Рис. 1. Модульная структура сенсорной подсистемы мобильной платформы

Информация с НС передается на СУС, ИСУ и АРМ. В СУС поступает информация с НС, которые определяют ФВС. Исходя из этих данных, СУС осуществляет управление включением-выключением сенсоров. СУС может получать данные и с других НС, например, с датчика разряда батареи для своевременного отключения энергоемких сенсоров, с датчика температуры, для отключения сенсоров, которые при данной температуре отображают недостоверную информацию.

В ИСУ поступает информация с НС, необходимая для ориентации в пространстве (компас, акселерометр, энкодер и т.д.) и для определения работоспособности робота (датчик разряда батареи, энкодер, датчик температуры). В АРМ поступает информация с НС, зависящая от конкретных целей, обычно, с небольшого числа сенсоров, обусловленного большим расстоянием между мобильным роботом и диспетчерским пунктом управления.

Формирование состава сенсорной и управляющей систем мобильной платформы

На основе опыта проектирования мобильных приложений [6] и с учетом приведенной схемы построим обобщенную структурную схему мобильной интеллектуальной платформы (рис. 2), содержащую Д – датчик; БН – блок независимых датчиков; БЗ – блок зависимых датчиков; БД – блок двигателя; ДР – драйвер двигателя; Двиг – двигатель; ДТ – датчик тока; ЭН – энкодер.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема мобильной платформы

Формирование состава сенсорной и управляющей систем будем осуществлять по последовательному алгоритму с учетом блоков обобщенной схемы. Схема формирования состава представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема формирования состава сенсорной и управляющей систем

Элементы мобильной платформы будем выбирать согласно характеристикам, выбранным по критериям табл. 2 [7].

Заключение

Предложенный подход к модульной организации представляет собой концепцию наращиваемой структуры аппаратно-технического обеспечения измерений и управления мобильной интеллектуальной платформы и последовательный алгоритм выбора ее элементов.

На основании исходных данных объекта роботизации формируются входные критерии, которые поступают на вход блоков выбора элементов систем. На выходе блоков формируются параметры, которые в свою очередь определяют элемент системы измерений и управления и так же поступают на входы других блоков схемы. Полный набор элементов платформы производится путем последовательного выбора выходных параметров в соответствии с набором частных критериев.

Таблица 2

Обозначение частных критериев для выбора элементов модульной структуры мобильной платформы

Рецензенты:

Кавалеров Б.В., д.т.н., доцент, заведующий кафедрой электротехники и электромеханики, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь;

Казанцев В.П., д.т.н., профессор кафедры микропроцессорных средств автоматизации, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 30.10.2013.