- вести воздушную визуальную разведку местности;

- вести радиационную, химическую и бактериологическую разведку;

- обеспечивать ретрансляцию радиосигналов;

- поражать цели, доставлять к цели специальные технические средства.

В настоящее время отсутствует единая и четкая классификация ДПЛА. В частности, принято подразделять беспилотные аппараты по различным признакам:

- в зависимости от применяемой системы управления - на совершающие полет по программе или по радиокомандам (последние часто называются дистанционно пилотируемыми, или телеуправляемыми). Считается, что дальность действия ДПЛА с радиокомандной системой наведения значительно меньше, чем у аппаратов, совершающих полет по программе, поскольку управление ведется, как правило, в УКВ диапазоне и определяется дальностью прямой видимости;

- по стартовому (взлетному) весу и размерам - на малоразмерные (иногда их еще называют миниатюрными), среднеразмерные и крупноразмерные. Судя по сообщениям иностранной прессы, сейчас основные усилия западные специалисты направляют на создание малоразмерных ДПЛА, сравнимых по своим весовым и габаритным характеристикам с радиоуправляемыми моделями самолетов и вертолетов;

- по выполняемым задачам - на разведывательные, радиоэлектронной борьбы и многоцелевые;

- по типу - ДПЛА самолетного типа; вертолетного типа и автожиры; подъемно-привязные системы; газонаполненные аппараты (дирижабли и аэростаты).

В состав воздушных робототехнических средств входят дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА), несколько транспортных средств, обеспечивающих старт, обслуживание и управление.

В качестве силовой установки на ДПЛА применяются авиационные поршневые или турбореактивные двигатели, а для обеспечения их старта (взлета) с земли - пороховые сбрасываемые ускорители. Возвращающиеся с задания беспилотные аппараты спускаются на парашюте или подхватываются в конце глиссады снижения специальной сетью, иногда они производят посадку с помощью шасси.

Состав бортовой аппаратуры определяется главным образом возлагаемыми на ДПЛА задачами: на разведывательных используются аэрофотоаппараты (АФА), телевизионные камеры, инфракрасные (ИК) станции, аппаратура радиотехнической разведки. Аппараты могут нести на борту станции постановки активных помех, устройства выбрасывания противорадиолокационных отражателей и т.д.

В последние годы во многих странах повысился интерес к малогабаритным ДПЛА, обладающим вертикальным взлетом и посадкой. выполненным по вертолетной схеме (рис. 1.4). Подобные МДПЛА характеризуются существенно малой массой (до 50 кг) и габаритами, что позволяет осуществлять их перевозку неспециализированным транспортом и быстрое развертывание на месте применения.

Круг задач, решаемых МДПЛА вертолетного типа, весьма обширен:

- визуальный и технический контроль обширных труднодоступных территорий;

- профилактический контроль местности и объектов;

- поиск людей и объектов;

- доставка медикаментов и грузов.

Рисунок 1.4 - Дистанционно управляемый вертолет

С середины 90-х гг. в США ведутся разработки миниатюрных летательных аппаратов - микроДПЛА (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 - МикроДПЛА (AeroVironment Inc., США)

МикроДПЛА представляют собой дистанционно пилотируемых устройства с габаритами не более 15 см, дальностью полета около 10 км, скоростью 10-20 м/с и временем полета до 1 ч.

В качестве полезной нагрузки используются миниатюрные цифровые камеры, датчики, специальные технические средства.

1.4 Боевые роботы

Боевой мобильный робот (или военный робот) - автоматическое устройство, заменяющее человека в боевых ситуациях для сохранения человеческой жизни или для работы в условиях несовместимых с возможностями человека в военных целях: разведка, боевые действия, разминирование и т.п.

Боевыми роботами являются не только автоматические устройства с антропоморфным действием, которые частично или полностью заменяют человека, но и действующие в воздушной и водной среде, не являющейся средой обитания человека (авиационные беспилотные с дистанционным управлением, подводные аппараты и надводные корабли). Устройство может быть электромеханическим, пневматическим, гидравлическим или комбинированным.

В настоящее время большинство боевых роботов являются устройствами телеприсутствия, и лишь немногие модели имеют возможность выполнять некоторые задачи автономно, без вмешательства оператора [11].

Существуют следующие виды боевых роботов:

- воздушные (БПЛА);

- мобильные робототехнические комплексы;

- морские (надводные или подводные).

В общем случае боевые БПЛА используются для ведения разведки, нанесения ударов по наземным целям, корректировки огня и т.д. Существуют следующие модели БПЛА: Ка-37; Ка-137; ПС-01 «Комар»; Шмель-1 - прототип беспилотного летательного аппарата Пчела-1Т; Пчела-1Т; ВР-2; ВР-3; Ту-123 «Ястреб» (ДБР-1) - cверхзвуковой дальний беспилотный разведчик; Ту-130; Ту-141 «Стриж»; Ту-143 «Рейс»; Ту-243 «Рейс-Д» - дозвуковой разведчик; Ту-300 «Коршун»; «Скат» - дозвуковой ударный; ZALA 421-08; Эльф-Д. Рассмотрим подробнее некоторые из боевых воздушных роботов.

БПЛА «Скат» (рис. 1.6) - разведывательный и ударный беспилотный летательный аппарат. Впервые был представлен на авиасалоне МАКС-2007 в качестве полноразмерного макета, предназначенного для отработки конструкторско-компоновочных решений.

Рисунок 1.6 - БПЛА «Скат»

Этот летательный аппарат выполняет ведение разведки, нанесение ударов по наземным целям авиабомбами и управляемыми ракетами Х-59, уничтожение радиолокационных систем ракетами Х-31.

ZALA 421-08 - сверхмалый беспилотный летательный аппарат. Этот робот предназначен для наблюдения, целеуказания, корректировки огня, оценки ущерба.

Весь комплекс состоит из системы управления и двух аппаратов. Полевая комплектация предусматривает компактный ручной электрогенератор для зарядки аккумуляторов. В качестве сменной полезной нагрузки в стандартном варианте на борту установлены две цветные камеры: одна смотрит вниз и вперёд, вторая поворотная по крену смотрит вниз-вбок.

Весь комплекс состоит из системы управления и двух аппаратов. Полевая комплектация предусматривает компактный ручной электрогенератор для зарядки аккумуляторов. В качестве сменной полезной нагрузки в стандартном варианте на борту установлены две цветные камеры: одна смотрит вниз и вперёд, вторая поворотная по крену смотрит вниз-вбок. В качестве дополнительных полезных нагрузок выступает тепловизор и фотокамера. Маршрут БПЛА можно изменять в реальном времени. Если оператора интересует какой-то объект более подробно, он просто нажимает пальцем на сенсорный экран ноутбука, и выбирает например фигуру «круг влево» и ZALA 421-08, закладывая левый вираж, начинает делать «воронку», непрерывно удерживая цель в объективе бортовой камеры. Запускается ZALA 421-08 с рук. Метод посадки - автоматически с парашютом.

Следующий вид боевых роботов, которые необходимо рассмотреть - это мобильные робототехнические комплексы. Ознакомимся более подробно с некоторыми из моделей современных боевых МРК.

МРК Guardium (рис. 1.7) - беспилотный военный автомобиль. Создан израильской фирмой G-NIUS, принадлежащей израильским оборонным компаниям «Эльбит Маарахот» и «Таасия Авирит». Предназначен для патрулирования, сопровождения автоколонн, ведения разведки и охраны. Guardium построен на базе четырехколесного багги, обеспечивающего повышенную проходимость на пересеченной местности. Поступил на вооружение Армии обороны Израиля в начале 2009 года.

МРК Swords (сокращение от Special Weapons Observation Reconnaissance Detection Systems) - специальная боевая система наблюдения и разведки.

Создан компанией Фостер-Миллер TALON Робот. По утверждению производителя робот предназначен для действий в городе, способен предолевать песок, воду и снег (до 30,48 м глубины), а также осуществлять подъем по лестнице.

Рисунок 1.7 - Беспилотный военный автомобиль Guardium

Он рассчитан на 8,5 часов работы от батарей в нормальном эксплуатационном режиме - ожидания до 7 суток. Контролируется оператором на расстоянии до 1000 метров. Он весит около 45,36 кг или 27,22 кг в версии для разведки.

Есть целый ряд различных видов оружия, которые могут быть размещены на SWORDS: винтовки M16, 5,56-мм SAW M249, 7,62 мм пулемет M240, винтовки Барретт M82.50, шестиствольный 40-мм гранатомет или четырехствольный 66 мм M202A1 FLASH.

1.5 Бытовые мобильные роботы

Изначально роботы появились в наших домах в виде роботов-игрушек. Одним из первых примеров удачной массовой промышленной реализации роботов-игрушек стала собачка AIBO корпорации Sony (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 - Робот-собака AIBO

Она имеет множество модификаций, первая модель была выпущена в 1999 году. AIBO умеет ходить, «видеть» окружающие его предметы с помощью видеокамеры и инфракрасных датчиков расстояния, распознавать команды и лица. Робот является полностью автономным: он может учиться и развиваться, основываясь на побуждениях своего хозяина, обстановки, или другого AIBO. Несмотря на это, он поддаётся настройкам с помощью специальных программ. Существует программное обеспечение имитирующее «взрослую собаку», которая сразу использует все свои функции и программное обеспечение имитирующее «щенка», который раскрывает свои возможности постепенно.

Однако сейчас самыми распространенными бытовыми роботами являются роботы-пылесосы. Существуют такие модели этих устройств - Roomba (производитель - iRobot), Trilobite (производитель - Electrolux), Karcher RC3000 (производитель - Karcher).

Roomba - роботизированный пылесос, разработанный и продаваемый iRobot (рис. 1.9). Устройство представляет собой диск 34 см в диаметре и менее 9 см в высоту. Большой контактный сенсор установлен в передней части устройства, с инфракрасным датчиком по центру в верхней передней части. Для работы Roomba использует внутренние аккумуляторы и нуждается в регулярной подзарядке от настенного модуля. Новые модели третьего поколения имеют возможность поиска зарядного устройства, связываясь с ним через инфракрасный датчик. Roomba имеет небольшую высоту. Он достаточно низкий, чтобы пройти под кроватью или другой мебелью. Если он поймет, что застрял, он перестанет двигаться, и начнет подавать звуковые сигналы, помогающие владельцу его обнаружить.

Рисунок 1.9 - Робот-пылесос Roomba

Другой класс устройств - сторожевые или охранные роботы. iRobot Corporation представила универсального домашнего робота-тележку iRobot-LE, управлять которым можно из любой точки мира через любой web-браузер.

Для этого робот оборудован всем необходимым: видеокамерой, микрофонами, движителем, позволяющим даже самостоятельно подниматься по стандартным лестницам, бортовым компьютером класса Pentium II, беспроводным доступом в Интернет, датчиками и сенсорами, предотвращающими столкновения и даже позволяющими почувствовать запах гари. В качестве бортовой операционной системы используется Linux.

2. ДАТЧИКИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1 Сенсорные системы

Сенсорные системы предназначены для получения информации о внешней среде и положении робота в ней. В отдельных системах роботов имеются также различные чувствительные устройства - датчики, необходимые для функционирования этих систем (например, датчики обратной связи в приводах, во вторичных источниках питания и т.п.) [12]. Эти устройства, ориентированные на внутренние параметры робота, не специфичны для него в целом и не относятся к сенсорным системам робота.

Но выявляемым свойствам и параметрам сенсорные системы можно разделить на следующие 3 группы:

– системы, дающие общую картину окружающей среды с последующим выделением отдельных объектов, значимых для выполнения роботом его функций;

– системы, определяющие различные физико-химические свойства внешней среды и ее объектов;

– системы, определяющие координаты местоположения робота и параметры его движения, включая его координаты относительно объектов внешней среды и усилия взаимодействия с ними.

К сенсорным системам первой группы относятся системы технического зрения и различного типа локаторы. Вторая группа сенсорных систем наиболее многообразна. Это измерители геометрических параметров, плотности, температуры, оптических свойств, химического состава и т.д. Третья группа сенсорных систем определяет параметры, относящиеся к самому роботу. Это измерители его географических координат в пространстве от спутниковых систем до использующих магнитное поле Земли, измерители угловых координат (гироскопы), измерители перемещения и скорости, в том числе и относительно отдельных объектов внешней среды вплоть до фиксации соприкосновения с ними.

В составе робота все эти сенсорные системы ориентированы на обслуживание двух исполнительных систем - передвижения и манипуляции.

Это определяет и основные требования к сенсорным системам - дальность действия, точность, быстродействие и т.д.

Сенсорные системы, используемые в системах передвижения робота, подразделяются на системы, обеспечивающие навигацию в пространстве и системы, обеспечивающие безопасность движения (предотвращение столкновений с препятствиями и опрокидываний на уклонах, попадания в недопустимые для робота внешние условия и т.п.).

Сенсорные системы, обслуживающие манипуляторы, тоже образуют две подгруппы: системы, входящие в контур управления движением манипулятора, и системы, очувствления его рабочего органа. В число последних систем часто входят размещенные у рабочего органа манипулятора системы технического зрения и измерители усилий.

Важным параметром сенсорных систем является дальность действия. По этому показателю сенсорные системы роботов можно разделить на контактные, ближнего, дальнего и сверхдальнего действия.

Контактные сенсорные системы применяются для очувствления рабочих органов манипуляторов и корпуса (бампера) мобильных роботов. Они позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды (тактильные сенсоры), измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия (силомоментные сенсоры), определять проскальзывание объектов при их удержании захватным устройством. Контактным сенсорным системам свойственна простота, но они накладывают существенные ограничения па динамику и прежде всего на быстродействие управления роботом.

Тактильные сенсоры помимо получения информации о контакте применяются и для определения размеров объектов (путем их ощупывания) [13]. Они реализуются с помощью концевых выключателей, герметизированных магнитоуправляемых контактов, на основе токопроводящей резины ("искусственная кожа") и т.д. Важным требованием, предъявляемым к этим устройствам, является высокая чувствительность (срабатывание при усилии в единицы и десятки грамм), малые габариты, высокая механическая прочность и надежность.

Сенсорные системы ближнего действия обеспечивают получение информации об объектах, расположенных в непосредственной близости от рабочего органа манипулятора или корпуса робота, т.е. на расстояниях, соизмеримых с их размерами. К таким системам относятся оптические локаторы, дальномеры, дистанционные измерители плотности грунта и т.п. Такие бесконтактные устройства технически сложнее контактных, но позволяют роботу выполнять задание с большей скоростью и заранее выдавать информацию о различных объектах до соприкосновения с ними.

Сенсорные системы дальнего действия служат для получения информации о внешней среде в объеме всей рабочей зоны манипуляторов роботов и окружающей среды мобильного робота.

Сенсорные системы сверхдальнего действия применяются главным образом в мобильных роботах. К ним относятся различные навигационные системы, локаторы и другие сенсорные системы соответствующей дальности действия. Эти устройства находят применение и в стационарных роботах при работе с подвижными объектами, чтобы заранее предвидеть их появление в рабочей зоне.

В бесконтактных сенсорных системах для получения требуемой информации используются излучаемые ими специальные сигналы (оптические, радиотехнические, ультразвуковые и т.д.) и естественные излучения среды и ее объектов. В зависимости от этого различают активные и пассивные сенсорные системы. Активные сенсорные системы имеют передатчик, излучающий первичный сигнал, и приемник, регистрирующий прошедший через среду прямой сигнал или вторичный сигнал, отраженный от объектов среды. Пассивные системы имеют, естественно, только приемное устройство, а роль излучателя играют сами объекты внешней среды. Поэтому пассивные сенсорные системы обычно технически проще и дешевле активных, но менее универсальны. Для некоторых применений важна также скрытность действия пассивных систем. Заметим, что все органы чувств человека являются пассивными. Однако у некоторых животных (летучие мыши, дельфины), поскольку подобные системы и, прежде всего, зрение не обеспечивают их необходимой информацией, существуют и активные сенсорные системы.

Наконец, сенсорные системы роботов можно разделить на системы с фиксированным направлением восприятия и с переменным (сканирующие).

В настоящее время для очувствления роботов наиболее широкое применение получили системы технического зрения, локационные, силомоментные и тактильные.

2.2 Датчики роботов и их интерфейсы

2.2.1 Датчики соударений и наклона

Как правило, датчик соударений представляет собой выключатель, подающий информацию логического типа. Выключатель может находиться в одном из двух положений - разомкнутом или замкнутом. Может показаться, что эту информацию легко преобразовать для использования в программе.

В физическом смысле датчики соударений представляют собой выключатели концевого типа, или кнопки [14].

Они используются в качестве бамперов мобильных роботов на колесах, а также для остановки вращения оси, пришедшей в положение соприкосновения с ограничительным упором.

На рисунке 2.1 представлены схемы интерфейса для датчиков такого типа.

Как правило, в состоянии покоя выключатель находится в разомкнутом положении, но это необязательно. Важным является то, что, когда датчик находится в состоянии покоя, в центр управления подается верхний уровень напряжения, определяемый нагрузочным резистором. Это необходимо по двум причинам. Первая заключается в потребляемом токе, так как предполагается использование датчика только в определенные моменты, а вторая - в том, что резистор зачастую устанавливается на плате управления, вблизи физических входов процессора.

Рисунок 2.1 - Интерфейс для датчика соударений

У этих датчиков имеется серьезный недостаток: контакт не замыкается сразу. Появляется эффект дребезга контакта, который может быть неправильно интерпретирован центром управления. Решение этой проблемы заключается во введении в программу достаточно длительной задержки, перекрывающей интервал времени дребезга контакта, между двумя интервалами времени чтения этих входов. Такое решение используется в программах, имеющих узел реального времени.

Датчики наклона предназначены для использования на пересеченной местности, но не просто найти модель, указывающую наклон с большой точностью до двух градусов наклона и более.

Положение датчика очень важно во избежание получения ложной информации. Малейшее ускорение робота вызывает срабатывание датчиков. Необходимо установить несколько датчиков для проверки истинности полученной информации и дождаться остановки робота для прочтения их значения.

Интерфейсы датчиков наклона идентичны интерфейсам, предназначенным для датчиков соударений.

2.2.2 Оптические датчики

Оптические датчики включают в себя фоторезисторы, фототранзисторы, фотодиоды, пироэлектрические датчики и видеокамеры. Выбор того или иного типа зависит от таких параметров, как длина волны оптического спектра излучения или скорость считывания показаний датчика. Длиной волны определяется цвет источника света, который может меняться от ультрафиолетового до инфракрасного, проходя через видимую область спектра. На рисунке 2.2 показаны области известных источников света.

Рисунок 2.2 - Длины волн оптического спектра излучений

Время срабатывания представляет собой важный фактор времени расчета для подтверждения информации. Фотодиоды и фототранзисторы являются самыми быстрыми, а фоторезисторы и видеокамеры - более медленными.

Эти датчики могут оснащаться как простыми электронными интерфейсами подобно датчикам соударений, так и сложными интерфейсами, необходимыми, например, для видеокамеры. Данные, получаемые от датчика, могут быть аналоговыми или цифровыми в зависимости от выбранного интерфейса. Для улучшения чувствительности при конкретном применении может понадобиться дополнительный источник света. Например, кодированное ИК-сообщение информирует робот-пылесос о местонахождении разъема для зарядки батареи.

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещенности, при уменьшении которой его сопротивление увеличивается. Очень просто изготовить интерфейс для данного компонента с аналоговым входом для подключения платы управления. Достаточно всего одного резистора в паре с фоторезистором. При помощи резистора мы создаем делитель напряжения, выходное значение которого зависит от освещенности (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 - Интерфейс для фоторезистора

Этот датчик очень чувствителен к видимому свету, соответственно, данная информация может быть очень полезна для управления роботом. Подобно человеку датчик должен быть способен различать градации света: темноту, затемненные зоны и изменения яркости света.

ИК-датчиками являются фототранзисторы или фотодиоды.

Фототранзистор и фотодиод обладают максимальным покрытием ИК-области спектра, но их также можно применять и в красной области спектра. Фотодиод имеет более быстрое время срабатывания, чем фототранзистор.

Фотодиоду отдают предпочтение, когда необходимо обнаружение кодированного сообщения, например, при приеме сигналов пультом дистанционного управления телевизора. Но для усиления принятого сигнала необходим интерфейс, и, соответственно, фотодиод не может подключаться непосредственно к плате управления.

Фототранзистор используется в качестве замены фоторезистора для обнаружения быстрых перепадов освещенности окружающего пространства. Как и фоторезистор, фототранзистор подключается непосредственно к плате управления при помощи простого интерфейса (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 - Интерфейс для фототранзисторов и фотодиодов

Фототранзисторы часто используются совместно с излучателем фотонов - источником света, например светодиодом (французское обозначение - Del, английское обозначение -Led). Эти совместно работающие компоненты называются оптопарой и в зависимости от ориентации могут образовывать датчик отражения или оптокоммутатар. Схема включения неизменна для обоих типов датчиков (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 - Интерфейс для датчика отражения и оптокоммутатора

Для сведения к минимуму влияния окружающего света на датчик используется ИК-модель светодиода. Светодиод настраивается на оптимальное значение светового излучения при помощи переменного резистора, которым регулируется количество излучаемых фотонов. Это позволяет избежать насыщения приемника, в результате которого приемник становится непригодным для использования. Сопротивление нагрузки фототранзистора зависит от модели. Оптимальное значение сопротивления подбирается опытным путем.

Датчик отражения используется для обнаружения градаций монохромного (черно-белого) цвета на плоской поверхности. Темная поверхность поглощает излученные фотоны, и транзистор остается в закрытом состоянии. Светлая поверхность отражает свет в направлении фототранзистора, в результате чего происходит его насыщение - транзистор переходит в другое, открытое, состояние.

Таким же образом возможно обнаружение и других цветов, например зеленого. Оптимальное расстояние обнаружения составляет порядка 5 мм. При изменении этого расстояния характеристики датчика заметно ухудшаются.

2.2.3 Детекторы приближения

Очень полезно уметь уклоняться от столкновения с неподвижным или мобильным препятствиями. Столкновение может привести к неожиданным последствиям. Итак, данное умение - очень ценное преимущество робота.

Страницы: 1, 2, 3