Průzkumník s telepresencí

Transkript

1 Průzkumník s telepresencí Ing. Ondřej Lebeda Ondrej.Lebeda@phd.feec.vutbr.cz Kybernetika,automatizace a měření Ústav kybernetiky,automatizace a měření, Údolní 53, Brno, Česká republika Tento článek popisuje lehký průzkumný mobilní robot pojmenovaný ReVis. Účelem tohoto robotu je zajistit základní a rychlý průzkum neznámého terénu za pomocí telepresence. Proto je robot vybaven digitální bezdrátovou komunikací s operátorským pultem. Robot je osazen řídicí jednotkou, která zpracovává přijatá data a jejich prostřednictvím řídí činnost robotu. Dva pohonné DC motory jsou řízeny FET prvky s rekuperačním režimem. Jako zpětná vazba během ovládání robotu slouží obraz z čb kamery na přídi podvozku. Tato vysoce citlivá kamera spolu s infračerveným přisvětlení zajišťuje pohodlný průzkum zcela temných prostor. O přenos video signálu se stará samostatný radiový vysílač. Celý robot je napájen Li-POLY akumulátorem, který jako jediný nabízí nízkou hmotnost a vysokou kapacitu potažmo dlouhou dobu provozu. Obsah 1. Úvod 2. Bezdrátová komunikace 2.1 Přenos řídicích dat 2.2 Přenos obrazu 3. Budič DC motorů 4. Vícekanálový generátor servosignálu 5. Konstrukce robotu 6. Závěr 7. Literatura 1. Úvod Myšlenka vytvořit malého průzkumného robota vznikla během práce na větším, velice sofistikovaném, záchranném robotickém systému Orfeus. Mobilní robot ReVis je tak jeho drobnou alternativou avšak poskytující velmi rychlý a snadný průzkum telepresencí [1 ]a nesrovnatelné pořizovací náklady. Obecným úkolem záchranných mobilních robotů je zajistit co nejrychlejší průzkum kritického terénu. Ve zkoumaném prostředí je pak třeba lokalizovat živé objekty nebo i bezvládná těla pro jejich pozdější záchranu. K tomuto účelu bývají roboty vybaveny zpětnovazebním řízením, kamerami, telepresencí, laserovými skenery a jinými typy nejrůznějších senzorů. Zde popisovaný robot, jehož název pochází z latinského "remotus visio" neboli "vzdálené vidění", je lehkou alternativou výše popisovaným robotickým systémům. Avšak jeho užitná hodnota je jen o málo nižší a vyvážena především nesrovnatelnou pořizovací cennou. Robot je vybaven jednou vysoce citlivou čb kamerou umístěnou na přídi podvozku. Signál z této kamery je bezdrátově přenášen na obrazovku operátora, který má možnost nejen natáčet 7-1

2 kamerou ale samozřejmě i ovládat celý pohyb robotu. Řídicí data přenášená bezdrátově jsou kódována bezchybovým protokolem a zpracována řídicí jednotkou na robotu. Ovládání pohybu podvozku i kamery je proporcionální, zatímco přisvětlení kamery lze ovládat pouze ve třech krocích. Základem celého robotu je drobný diferenciální podvozek s plastovou převodovkou a robustními koly tak, jak ukazuje Obrázek Bezdrátová komunikace Obrázek 1: Podvozek robotu Systém disponuje dvěmi bezdrátovými linkami. Řídicí linka je digitální zprostředkovaná radiovým vysílačem AC4486 [2 ]. Druhá, tedy linka pro přenos obrazu, je analogová. Z celkového pohledu je bezdrátová komunikace klíčovým problémem celého systému. 2.1 Přenos řídicích dat Činnost robotu je ovládána příkazy z ovládacího pultu. Tento ovládací pult se sestává z prověřených prvků jakými jsou pákový ovladač pro ovládání pohybu, samostatný prvek pro naklánění kamery a přepínač pro ovládání IR přisvětlení. Toto rozvržení poskytuje pohodlné a intuitivní ovládání robotu. Veškeré údaje z ovladačů jsou sbírány hlavní jednotkou tvořenou mikrokontrolérem ATmega8 [3]. Zde jsou data kódována a odeslána radiovým modulem AC4486 k robotu. Pro zajištění bezpečné komunikace mezi hlavní jednotkou a radiovým modulem byl sestaven tzv. hand-shake přenos dat. Pro zajištění bezchybovosti bezdrátového přenosu byl protokol rozšířen o kontrolu přijímaných dat. Obrázek 2 znázorňuje přenos řídicích dat. 7-2

3 Obrázek 2: Přenos řídicích dat Použitý protokol dovoluje adresování robotů, což umožňuje ovládat až 32 robotů z jednoho pultu. Bezpečná pracovní vzdálenost je vzhledem k vysílacímu výkonu 0,5 W přinejmenším 1 km na volném prostranství. 2.2 Přenos obrazu Pro snadné jisté ovládání a průzkum terénu musí být robot vybaven zpětnou vazbou na pohyb robotu. Tato zpětná vazba je jednoduše zajištěna obrazem z kamery na palubě robotu. Jedná se o vysoce citlivou kameru s automatickým řízením závěrky a IR přisvětlením tak, aby umožnila plnohodnotný provoz robota v temném prostředí. Přenos obrazové informace je proveden tak, jak naznačuje Obrázek 3. K přenosu byly použity analogové moduly Vostek. Kromě jejich nízké ceny je jejich výhodou také aspoň částečný obraz při strátě plného signálu. Obrázek 3: Přenos obrazových dat Obrazová informace je přenášena s TV kvalitou a na volném prostranství je dosah přibližně 1 km. 7-3

4 3. Budič DC motorů Pohonnou jednotkou podvozku jsou dva stejnosměrné motory s plastovou převodovkou. Tyto motory lze řídit buď lineárním budičem anebo budičem s pulsně šířkovou modulací proudu. Zde byla použita druhá varianta právě pro její vysokou účinnost a snadné řízení logickými obvody jako je mikrokontrolér ATmega8. Použitý PWM budič je čtyřkvadrantový s regeneračním režimem provozu [4]. Ten dovoluje řídit motor v obou smyslech otáčení včetně jeho brzdění. Brzdění DC motoru je dosaženo vracením nadbytečné energie zpět do zdroje jehož vnitřní odpor pak nepřímo klade odpor rotoru motoru. PWM budič rovněž pracuje v tzv. rekuperačním režimu. To znamená, že v neaktivní periodě je vinutí uzamčeno v jedné z větví H budiče. Následkem toho dochází k rekuperaci magnetické energie nashromážděné v motoru, tedy k samobuzení. Činnost budiče je naznačena na Obrázku 4. Obrázek 4: Čtyřkvandrantový jednokanálový budič DCmotoru s rekuperací Veškerá činnost DC motorů je tedy ovládaná řídicí jednotkou tvořenou mikrokontrolérem ATmega8. Ten generuje PWM signál společně se signálem DIR podle příkazů z ovládacího panelu operátora. Posléze jsou PWM a DIR signály konvertovány s ohledem na rekuperaci [5] logickým obvodem na signály IN1 a IN2 ovládající přímo H můstek budiče. Pracovní frekvence PWM je 62,5 khz, což je dostatečná frekvence pro plynulý a tichý chod. Každý ze dvou motorů je buzen samostatným budičem, avšak oba jsou ovládány jednou řídicí jednotkou. 4. Vícekanálový generátor servosignálu Servo je běžně používaný akční člen nejen v modelářském sportu ale i v robotice. Ve srovnání s digitálními servi je analogové levnější, častější a je dobře známa technika jeho ovládání. Analogová serva jsou napájena a ovládána přes jediný konektor. Logický signál, jež je vstupem do serva, uchovává analogově informaci o poloze. Ta je odvislá právě od délky logických pulsů vstupního signálu. Jejich délka se zpravidla mění od 1 ms do 2 ms. Zatímco perioda je 20 ms. Ačkoliv na robotu je osazeno pouze jedno servo, byla řídicí jednotka konstruována jako vícekanálová k ovládání až osmi serv. Vzhledem k potřebné přesnosti je generování servosignálu časově kritický proces pro mikrokontrolér. Jednokanálový generátor může být 7-4

5 snadno vytvořen postupným časováním časovače a přepínáním výstupu. Tato technika se stává naprosto nedostačující pro generování více nezávislých kanálů. Použitý vícekanálový generátor je založen na tabulce s průběhem signálů. Celý proces začíná výpočtem tabulky podle řídicích dat. Jediný časovač je poté použit pro generování základní periody všech kanálů. Na tu je programově namodulován průběh z tabulky, což bylo naprogramováno v jazyce Assembler. Takto lze snadno a velice přesně generovat 8, 16 či více kanálů pro ovládání modelářských sevr. 5. Konstrukce robotu Jednotlivé elektronické bloky jsou propojeny tak, jak ukazuje Obrázek 5. Každý z bloků na Obrázku 5 představuje samostatný reálný elektronický obvod. Uvedeno je nejen datové propojení ale i výkonové. Po mechanické stránce věci je základem robotu diferenční čtyřkolový podvozek vyrobený z plastu tak, jak ukazuje Obrázek 1. Podvozek je přibližně 35 cm dlouhý a 25 cm široký. Jeho symetrická konstrukce a to včetně umístění pohonů zaručuje výborné vyvážení podle jeho středu. Pohon zajišťují dva stejnosměrné motory. O přenos mechanického výkonu na podložku se pak starají mohutná kola z měkké gumy. Všechny elektronické prvky byly navrženy tak, aby přesně a účelně pasovaly do podvozku i s akumulátorem a to i s ohledem na vzájemné rušení. Kamera umístěná v přední části podvozku je navlečena na průchozí osu přední nápravy a spojena s naklápěcím servem. Konektorový panel je umístěn vzadu. Nachází se na něm vypínač, konektor nabíjení a servisní datový konektor k programování řídicí jednotky. Akumulátor Li-POLY dodává robotu dostatek energie na dobu 90 minut k čemuž přispívá i jeho nízká hmotnost. Provozní dosah rádia je přibližně 1 km na volné ploše a desítky metrů v budově. 7-5

6 Obrázek 5: Schéma robotu 6. Závěr Vyvinutý mobilní robot drobných rozměrů vybaven jednoduchou telepresencí zcela plní základní požadavky na vizuální průzkum neznámého terénu. Vyvážený a symetrický diferenciální podvozek má velice dobrou průchodnost terénem a vysokou mechanickou odolnost. Vysoce citlivá kamera s přisvětlením, jenž je zpětnou vazbou operátorovi, dovoluje pohodlně prozkoumávat prostor, a to i zcela neosvětlený. Vysokofrekvenční budiče motorů a rychlá komunikace zajišťují jemné ovládání robotu. Provozní doba je 1,5 h na vzdálenost 1 km ve volném prostranství. Výše uvedené vlastnosti spolu nízkou cenou dělají z robota ReVis zajímavým zařízením. Vzhledem k tomu, že elektronické prvky robotu byly navrženy jako universální, lze je snadno použít i pro jiné zařízení. Rovněž samotný robot je připraven k rozšíření o další typy senzorů. Je tedy předmětem pro další využití. 7-6

7 Literatura [1] Transparent Telepresence Research Group, University of Strathclyde, Glasgow, Scotland, K dispozici na telepresence.dmem.strath.ac.uk ( ) [2] AeroComm: AC MHz OEM TRANSCEIVERS User's Manual Version 1.8, K dispozici na omm.com/docs/user_manual_ac4486.pdf ( ) [3] Atmel Corporation: ATmega8 Full datasheet, revision 2486O-AVR-10/04, K dispozici na ( ) [4] Vysoký O.: Elektronické systémy II, ČVUT, Praha, [5] SGS-Thomson Microelectronics: L6203 datasheet, K dispozici na ( ) 7-7