Поведение мобильных роботов

По определению, все мобильные роботы должны быть способны передвигаться в прямом и обратном направлениях, а также — поворачиваться влево и вправо. Роботы зачастую работают в ограниченном пространстве, поэтому для них также было бы желательно уметь поворачиваться на месте.

Переменная скорость менее важна, и обычно в ней нет необходимости.
Например, робот «Искатель», движется на трех колесах. Два из них (левое и правое) — приводные, каждое — с собственным электродвигателем. Третье колесо — это ролик, используемый для устойчивости.
Робот «Скутер» также оснащен тремя колесами, однако использует только один электродвигатель. Его движения несколько хаотичны, зато он недорог и прост в сборке.

Обнаружение света и реакция на него
Зрение, наверное, — самое важное из всех человеческих чувств. Это же можно сказать и о мобильных роботах. Некоторые из них способны определить источник света на расстоянии в несколько метров и двигаться к нему. Или, наоборот, предпочитает двигаться в противоположном направлении, чтобы скрыться в безопасном темном углу.
Важная особенность света заключается в том, что его можно обнаруживать на расстоянии. Это делает его идеальным фактором для работы дистанционных датчиков. Впрочем, здесь возникает одна проблема: датчики могут быть введены в заблуждение комнатным или солнечным освещением. Одним из способов решить эту проблему являются импульсные источники света.

Обход преград
Другое использование света связано с определением преград. Датчики приближения сообщают роботу о близости (но не касании) некоторого объекта. Под «объектом» подразумеваются неподвижные преграды, наподобие стен или мебели. При использовании датчиков приближения источник света вмонтирован в робота и обычно ориентирован вперед.
Светочувствительный датчик определяет наличие близко расположенного объекта, реагируя на свет, отраженный от этого объекта. Если интенсивность отраженного света превышает некоторое пороговое значение, то робот знает, что поблизости что-то находится. Светочувствительный датчик, направленный в сторону, может использоваться для того, чтобы робот удерживался на фиксированном расстоянии от стены. Движение вдоль стены — распространенный тип поведения робота, который часто используется для определения пути в лабиринте.
Альтернативой свету для определения факта приближения к объекту является ультразвук. Он требует более сложных электронных схем, однако на него не влияет внешнее освещение.
Ультразвуковой датчик можно запрограммировать на измерение расстояния, благодаря чему робот может распознавать окружающую обстановку и легко обходит преграды. Впрочем, хотя такое использование ультразвука и представляет экспериментальный интерес, его нельзя назвать безотказным.

Распознавание касаний

Под касанием подразумевается физический контакт робота с препятствием, наподобие какого-либо массивного объекта или стены. Обычно, роботы оснащены бамперами или проволочными «антеннами», ориентированными таким образом, что касаться близлежащих предметов. Типичная реакция робота на касание — небольшой откат назад, поворот влево или вправо на незначительный угол и повторная попытка проехать вперед. При наличии пары передних бамперов (правого и левого) робот может выбрать наилучшее направление движения. Боковые же бамперы позволяют реализовать следование робота вдоль стены вместо датчиков приближения.
К другим сферами применения датчиков касания относится расчистка некоторой области от легких объектов, а также поиск и подъем таких объектов. Факт контакта с небольшим объектом обычно можно определить по характеру движения робота. Если приводные двигатели включены, однако приводные колеса не поворачиваются, то робот, скорее всего, уперся в неподвижную преграду. Для того чтобы определить, поворачиваются колеса или нет, используется тахометр.
Еще один особый вид контактного поведения робота — следовании линии, нанесенной на поверхность движения. Для этого необходимы Два простых светочувствительных датчика. Программирование в данном случае также не составляет труда. Кроме того такая методика обеспечения пути робота из одной точки в другую — наиболее надежная.

Взаимодействие

В большинстве случаев роботы должны взаимодействовать с людьми те же из них, которые запрограммированы для игр, только этим и занимаются. Например, робот может посылать сообщения человеку, мигая светодиодами или подавая звуковые сигналы.
Связь в обратном направлении обычно сводится к нажатию кнопки или переключению переключателя. Еще одна методика подразумевает использование датчиков, срабатывающих на звук.
Радиосвязь — способ взаимодействия с другими роботами для обмена информацией и координирования действий.

Навигация

Если робот — мобильный, то ему желательно знать, где он находится. На практике это реализовать не так просто, как кажется на первый взгляд. К базовыми методам навигации относятся следование линии, движение вдоль стены и ориентирование на источник света. Они требуют минимального числа датчиков, наиболее просты в программировании, и в большинстве случаев их вполне достаточно.
Однако некоторые операции требуют, чтобы робот перемещался в «свободном пространстве», без привязки к каким-либо линиям, стенам или маякам. Можно было бы предположить, что точное позиционирование робота обеспечивает включение приводных двигателей на точно заданные отрезки времени, однако на практике такой подход не работает по одной единственной причине: два двигателя не вращаются в точности с одинаковой скоростью, даже если они — одного и того же типа. Поэтому, когда оба двигателя вращаются вперед, робот при движении слегка отклоняется влево или вправо, и в точности контролировать угол такого поворота не представляется возможным. Подобные погрешности накапливаются, и вскоре робот полностью теряет ориентацию.
Различия в работе двигателей можно нейтрализовать несколькими способами. Один из них заключается в использовании тахометра для подсчета полных и частичных оборотов каждого приводного колеса. Другой способ — задействовать вместо обычных двигателей постоянного тока шаговые. Однако, даже эти меры не всегда полностью решают проблему. В зависимости от характера поверхности и шин неизбежно присутствует небольшое проскальзывание. Оно обычно возникает в начале движения, при остановке и повороте, причем данная погрешность накапливается. И с этим ничего нельзя поделать.
Оптимальное решение в данном случае — периодическое определение роботом его местоположения, что позволит избежать накопления погрешности. Недостаток такого подхода заключается в необходимости использовать три световых маяка, что усложняет настройку системы. Кроме того, здесь должна быть задействована сложная математика.
Одним из современных решений данной проблемы является магнитный компас. Недорогие компасы с электронным выводом предлагается некоторыми поставщиками робототехнических изделий. К сожалению, они недостаточно точны, однако представляют собой интересный материал для экспериментов.
Наиболее практичным решением будет портальный робот, которому посвящен следующий раздел.
Источник: qwedr.com