Разработка новых подходов к управлению автономными мобильными роботизированными системами
Аннотация
В последние годы возрастает интерес к темам исследований, связанным с (автономными мобильными роботами, AMR). Такой интерес является результатом использования AMR в большинстве промышленных приложений. Основная цель этого исследования — разработать набор подходов и алгоритмов, которые помогут AMR преодолеть текущие проблемы. В исследовании предлагаются следующие четыре подхода:
1). Набор допустимых путей, приближение к пути с известным радиусом. Подход предоставляет AMR новый метод следования по пути с учетом радиуса этого пути, вместо использования метода следования по определенным точкам на пути. Результаты расчетов подтверждают, что этот подход достаточно быстрый в вычислительном плане и дает приемлемые результаты по точности.
2). Подход к распознаванию карт-снимков для распознавания улиц на изображении-снимке карты и поиска последовательности путей между любыми двумя улицами. Подход обеспечивает метод вычисления с использованием фильтра изображения для преобразования изображения снимка карты в действительную карту-сетку со свободными и занятыми ячейками, отражающими улицы на снимке карты. Полученные данные обрабатываются для распознавания свободных ячеек и их классификации на вертикальные и горизонтальные улицы. Дополнительный алгоритм используется для поиска допустимых путей между любыми двумя улицами на карте. Подход был протестирован на снимке карты центра Екатеринбурга, и результаты показывают эффективную производительность при обработке, распознавании и поиске снимка карты.
3). Подход предлагает новый метод для AMR для исследования окружающей среды с использованием вращающегося дальномера с подвижным датчиком, вместо нескольких фиксированных датчиков. Была получена математическая модель подвижного датчика дальности и проведено имитационное исследование использования подвижного ультразвукового датчика по сравнению с несколькими фиксированными датчиками. Результаты подтверждают способность подвижного датчика обнаруживать препятствия в окружающей среде чаще, чем подход с несколькими фиксированными датчиками.
4). «Подход генерации пути», который позволяет AMR менять текущую полосу движения при движении в структурной среде, такой как город. Новый подход зависит от геометрических параметров AMR, расположенных в глобальной системе отсчета, чтобы создать путь, состоящий из трех частей. Он обеспечивает простой способ создания пути, когда положение точки назначения может немного варьироваться. Этот метод подходит для таких ситуаций, как обгон транспортного средства на автомагистрали. Это дает преимущество по сравнению с текущим подходом использования, который ограничен строгой позицией назначения для AMR. Результаты показывают способность подхода генерировать несколько путей с разными точками назначения, оптимизировать кривизну пути и экспортировать сгенерированный путь в виде массива точек-заголовков.
Пакет компьютерного программного обеспечения был запрограммирован с использованием Python и Java для предоставления программного обеспечения для интерактивного моделирования для моделирования, тестирования и имитации (Мобильный робот с дифференциальным приводом, DDMR). Программа дает исследователям возможность проверить результирующее поведение движения для различных моделей DDMR с различными геометрическими параметрами и конфигурациями угловых скоростей. Движение симуляции, набор допустимых траекторий и текущая траектория отображаются в среде 2D-анимации, что дает исследователям простой интерактивный способ оптимизации конструкции модели.
At the recent years, there is an increasing interest about the research topics related to (Autonomous Mobile Robot, AMR). Such interest is a result of the involvement of AMR in most of the industrial applications. The main goal of this study is to develop a set of approaches and algorithms that help AMR to overcome the current challenges. The research proposes the following four approaches:
1. A set of valid paths, an approximation to a path with a known radius. The approach provides AMR with a new method of following a path given the radius of that path, instead of using the method of following certain points along the path. The calculation results confirm that this approach is computationally fast enough and gives acceptable results in terms of accuracy.
2. Map-shot recognition approach to recognize the streets in a map-shot image and to find path sequence between any two streets. The approach provides a computation method by using image filter to convert an image of map-shot into a valid grid-map with free and occupied cells reflect the streets in the map-shot. The obtained data is processed to recognize the free cells and categorize them into vertical and horizontal streets. A supplementary algorithm is used to find valid paths between any two streets in the map-shot. The approach has been tested on Yekaterinburg city centre map-shot, and the results show an effective performance in processing, recognizing and searching the map-shot.
3. Rotating range finder approach to use a movable sensor to discover the environment instead of multi fixed sensors. The approach proposes a new method for the AMR to discover the surrounding environment. A mathematical model of the movable range sensor has been derived and a simulation study of using movable ultrasonic sensor compared with multi fixed sensors has been conducted. The results confirm the ability of movable sensor to discover the obstacles in the environment more frequently than the multi fixed sensors approach.
4. A path-generation approach to generate a path that enables AMR to change the current lane while moving in a structure environment like a city. The new approach depends on geometrical parameters of the AMR located in a global frame to produce a path consists of three parts. It provides a simple way to generate a path when the position of the destination point can be slightly varied. This method is suitable for situation like overtaking a vehicle along motorway. This gives an advantage over the current using approach that are bounded with strict destination position for the AMR. The results show the approach ability to generate multi paths with different destination points, optimize the curvature of the path and to export the generated path as point-heading array.
A computer software package has been programmed using Python and Java to provide an interactive simulation software to model, test and simulate (Differential Drive Mobile Robot, DDMR). The program gives the opportunity to the researchers to check the resulting motion behavior for different models of DDMR with different geometrical parameters and angular velocities’ configurations. The simulation motion, set of admissible trajectories and current trajectory are shown in a 2D animation environment, which gives an easy interactive way for the researchers to optimize their model design.
1). Набор допустимых путей, приближение к пути с известным радиусом. Подход предоставляет AMR новый метод следования по пути с учетом радиуса этого пути, вместо использования метода следования по определенным точкам на пути. Результаты расчетов подтверждают, что этот подход достаточно быстрый в вычислительном плане и дает приемлемые результаты по точности.
2). Подход к распознаванию карт-снимков для распознавания улиц на изображении-снимке карты и поиска последовательности путей между любыми двумя улицами. Подход обеспечивает метод вычисления с использованием фильтра изображения для преобразования изображения снимка карты в действительную карту-сетку со свободными и занятыми ячейками, отражающими улицы на снимке карты. Полученные данные обрабатываются для распознавания свободных ячеек и их классификации на вертикальные и горизонтальные улицы. Дополнительный алгоритм используется для поиска допустимых путей между любыми двумя улицами на карте. Подход был протестирован на снимке карты центра Екатеринбурга, и результаты показывают эффективную производительность при обработке, распознавании и поиске снимка карты.
3). Подход предлагает новый метод для AMR для исследования окружающей среды с использованием вращающегося дальномера с подвижным датчиком, вместо нескольких фиксированных датчиков. Была получена математическая модель подвижного датчика дальности и проведено имитационное исследование использования подвижного ультразвукового датчика по сравнению с несколькими фиксированными датчиками. Результаты подтверждают способность подвижного датчика обнаруживать препятствия в окружающей среде чаще, чем подход с несколькими фиксированными датчиками.
4). «Подход генерации пути», который позволяет AMR менять текущую полосу движения при движении в структурной среде, такой как город. Новый подход зависит от геометрических параметров AMR, расположенных в глобальной системе отсчета, чтобы создать путь, состоящий из трех частей. Он обеспечивает простой способ создания пути, когда положение точки назначения может немного варьироваться. Этот метод подходит для таких ситуаций, как обгон транспортного средства на автомагистрали. Это дает преимущество по сравнению с текущим подходом использования, который ограничен строгой позицией назначения для AMR. Результаты показывают способность подхода генерировать несколько путей с разными точками назначения, оптимизировать кривизну пути и экспортировать сгенерированный путь в виде массива точек-заголовков.
Пакет компьютерного программного обеспечения был запрограммирован с использованием Python и Java для предоставления программного обеспечения для интерактивного моделирования для моделирования, тестирования и имитации (Мобильный робот с дифференциальным приводом, DDMR). Программа дает исследователям возможность проверить результирующее поведение движения для различных моделей DDMR с различными геометрическими параметрами и конфигурациями угловых скоростей. Движение симуляции, набор допустимых траекторий и текущая траектория отображаются в среде 2D-анимации, что дает исследователям простой интерактивный способ оптимизации конструкции модели.
At the recent years, there is an increasing interest about the research topics related to (Autonomous Mobile Robot, AMR). Such interest is a result of the involvement of AMR in most of the industrial applications. The main goal of this study is to develop a set of approaches and algorithms that help AMR to overcome the current challenges. The research proposes the following four approaches:
1. A set of valid paths, an approximation to a path with a known radius. The approach provides AMR with a new method of following a path given the radius of that path, instead of using the method of following certain points along the path. The calculation results confirm that this approach is computationally fast enough and gives acceptable results in terms of accuracy.
2. Map-shot recognition approach to recognize the streets in a map-shot image and to find path sequence between any two streets. The approach provides a computation method by using image filter to convert an image of map-shot into a valid grid-map with free and occupied cells reflect the streets in the map-shot. The obtained data is processed to recognize the free cells and categorize them into vertical and horizontal streets. A supplementary algorithm is used to find valid paths between any two streets in the map-shot. The approach has been tested on Yekaterinburg city centre map-shot, and the results show an effective performance in processing, recognizing and searching the map-shot.
3. Rotating range finder approach to use a movable sensor to discover the environment instead of multi fixed sensors. The approach proposes a new method for the AMR to discover the surrounding environment. A mathematical model of the movable range sensor has been derived and a simulation study of using movable ultrasonic sensor compared with multi fixed sensors has been conducted. The results confirm the ability of movable sensor to discover the obstacles in the environment more frequently than the multi fixed sensors approach.
4. A path-generation approach to generate a path that enables AMR to change the current lane while moving in a structure environment like a city. The new approach depends on geometrical parameters of the AMR located in a global frame to produce a path consists of three parts. It provides a simple way to generate a path when the position of the destination point can be slightly varied. This method is suitable for situation like overtaking a vehicle along motorway. This gives an advantage over the current using approach that are bounded with strict destination position for the AMR. The results show the approach ability to generate multi paths with different destination points, optimize the curvature of the path and to export the generated path as point-heading array.
A computer software package has been programmed using Python and Java to provide an interactive simulation software to model, test and simulate (Differential Drive Mobile Robot, DDMR). The program gives the opportunity to the researchers to check the resulting motion behavior for different models of DDMR with different geometrical parameters and angular velocities’ configurations. The simulation motion, set of admissible trajectories and current trajectory are shown in a 2D animation environment, which gives an easy interactive way for the researchers to optimize their model design.