Разработка программного обеспечения для управления движением мобильной платформы KUKA youBot

Цель работы
Организовать движение робота с постоянной скоростью вдоль линии, объезд одиночного препятствия и возврат на исходный курс при помощи лазерного дальномера и средств Robot Operating System (ROS).
Основные задачи
Рассмотреть робот KUKA youBot и прилагаемое к нему программное обеспечение
Разработать алгоритм объезда одиночного препятствия и возврата на курс

Объекты исследования
Объектами исследования данной работы являются робот KUKA youBot, лазерный дальномер Hokuyo URG-04LX и программное обеспечение для управления робототехническими системами Robot Operating System (ROS)

Всенаправленные колеса
Главное преимущество всенаправленных (mecanum, sweedish) колес заключается в том, что с их помощью платформа может перемещаться в плоскости не меняя своей ориентации. Таким образом, это позволяет делать маневры в стесненных условиях, например, складских, где обычные колеса оказываются неэффективными.

Управление платформой и youBot API
Для управления платформой используется интерфейс youBot API. Он позволяет управлять как каждым отдельным колесом, так и всей платформой сразу как абсолютно твердым телом на плоскости. Для этого требуется задать только три скорости: продольную (vL), поперечную (vT) и угловую (Ω) .

ROS и его структура
Robot Operating System (ROS) – это операционная система, предназначенная для управления роботами. ROS представляет собой сеть процессов (нодов, англ. node), объединенных внутренней системой передачи данных. Все данные публикуются при помощи мастер-сервиса roscore в потоки, называемые топиками (англ. topic).
node1
topic1
node2

Работа с дальномером
Лазерный дальномер Hokuyo URG-04LX-UG01 предоставляет данные измерений в следующем виде: минимальный и максимальный угол измерений (рад), угловой шаг измерений (рад), время полного измерения и время между измерениями на каждом шагу (с), массив измеренных расстояний (м). Для каждого значения массива расстояний (ρ) можно восстановить соответствующий ему угол (α).

Алгоритм обнаружения препятствия
Все точки, полученные с дальномера проверяются на принадлежность к некоторой прямоугольной области перед роботом. Если таковые имеются, то определяются координаты его границ по некоторому критерию.

Критерий выделения границ препятствия
Данные с дальномера можно представить в виде графика:
Из него видно, что в окрестностях крайних точек препятствия, возникает резкое изменение измеряемого расстояния при малом изменении угла. На основе этого определяются их координаты.

Постановка задачи объезда препятствия
Требуется, чтобы платформа 1 двигалась вдоль прямой линии 2 с постоянной скоростью, используя показания дальномера 3, установленного спереди платформы, для поиска препятствия 4, и при его обнаружении выполняла маневр объезда с возвращением на линию 2.

Схема алгоритма решения
Опрос дальномера, проверка на наличие препятствия в области и по бокам от платформы, определение его границ
Счисление текущих координат платформы
Выбор направления маневра
Задание командных скоростей

Счисление координат
Счисление координат центра платформы используется для определения ее положения относительно препятствия. С их помощью устанавливаются условия возврата робота на линию. Координаты получим при помощи численного интегрирования уравнений кинематики по формуле Эйлера.

Выбор направления маневра

Результаты отработки алгоритма
Во время пробного запуска были получены:
траектория движения центра платформы 1
набор точек, соответствующих препятствию 2

Результаты отработки алгоритма