В чем заключается главная трудность, связанная с использованием акселерометра для оценки относительного положения? Что является причиной и следствием этой проблемы?

19?

20. Опишите различные виды передвижения мобильных роботов. Приведите примеры применения различных видов передвижения мобильных роботов.

Мобильный робот — автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колёсными, шагающими и гусеничными (существуют также ползающие, плавающие и летающие мобильные робототехнические системы.Пример нужно привести самому)

Способы перемещения

Колёсные и гусеничные роботы

Наиболее распространёнными роботами данного класса являются[12][13] четырёхколёсные и гусеничные роботы. Создаются также роботы, имеющие другое число колёс — два или одно. Такого рода решения позволяют упростить конструкцию робота, а также придать роботу возможность работать в пространствах, где четырёхколёсная конструкция оказывается неработоспособна. Сегвей в Музее роботов в Нагоя. Двухколёсные роботы, как правило, для определения угла наклона корпуса робота и выработки подаваемого на приводы роботов соответствующего управляющего напряжения (с целью обеспечить удержание равновесия и выполнение необходимых перемещений) используют те или иные гироскопические устройства. Задача удержания равновесия двухколёсного робота связана с динамикой обратного маятника[14]. На данный момент, разработано множество подобных «балансирующих» устройств[15]. К таким устройствам можно отнести Сегвей, который может быть использован, как компонент робота; так например сегвей использован как транспортная платформа в разработанном НАСА роботе Робонавт[16]. Одноколёсные роботы во многом представляют собой развитие идей, связанных с двухколёсными роботами. Для перемещения в 2D пространстве в качестве единственного колеса может использоваться шар, приводимый во вращение несколькими приводами. Несколько разработок подобных роботов уже существуют. Примерами могут служить шаробот разработанный в университете Карнеги — Меллона, шаробот «BallIP», разработанный в университете Тохоку Гакуин (англ. Tohoku Gakuin University)[17], или шаробот Rezero[18], разработанный в Швейцарской высшей технической школе. Роботы такого типа имеют некоторые преимущества, связанные с их вытянутой формой, которые могут позволить им лучше интегрироваться в человеческое окружение, чем это возможно для роботов некоторых других типов[19]. Существует некоторое количество прототипов сферических роботов. Некоторые из них для организации перемещения используют вращение внутренней массы[20][21][22][23]. Роботов подобного типа называют англ. spherical orb robots, англ. orb bot[24] и англ. ball bot[25][26]. Для перемещения по неровным поверхностям, траве и каменистой местности разрабатываются шестиколёсные роботы, которые имеют большее сцепление, по сравнению с четырёхколёсными. Ещё большее сцепление обеспечивают гусеницы. Многие современные боевые роботы, а также роботы, предназначенные для перемещения по грубым поверхностям разрабатываются как гусеничные. Вместе с тем, затруднено использование подобных роботов в помещениях, на гладких покрытиях и коврах. Примерами подобных роботов могут служить разработанный НАСА робот англ. Urban Robot («Urbie»)[27], разработанные компанией iRobot роботы Warrior и PackBot.

Шагающие роботы[править | править вики-текст] Робот-андроид ASIMO, производство Honda. Первые публикации, посвящённые теоретическим и практическим вопросам создания шагающих роботов, относятся к 1970 — 1980-м годам XX в.[28][29]. Перемещение робота с использованием «ног» представляет собой сложную задачу динамики. Уже создано некоторое количество роботов, перемещающихся на двух ногах, но эти роботы пока не могут достичь такого устойчивого движения, какое присуще человеку. Также создано множество механизмов, перемещающихся на более чем двух конечностях. Внимание к подобным конструкциям обусловлено тем, что они легче в проектировании[30][31]. Предлагаются также гибридные варианты (как, например, роботы из фильма «Я, робот», способные перемещаться на двух конечностях во время ходьбы и на четырёх конечностях во время бега). Роботы, использующие две ноги, как правило, хорошо перемещаются по полу, а некоторые конструкции могут перемещаться по лестнице. Перемещение по пересечённой местности является сложной задачей для роботов такого типа. Существует ряд технологий, позволяющих перемещаться шагающим роботам: Сервопривод + гидромеханический привод — ранняя технология конструирования шагающих роботов, реализованная в ряде моделей экспериментальных роботов изготовленных компанией General Electric в 1960-е гг. Первым воплощённым в металле по указанной технологии проектом GE и, по всей вероятности, первым в мире шагающим роботом военного назначения стал «четвероногий транспортёр» Walking Truck (машина имеет роботизированные конечности, управление осуществляется человеком, находящимся непосредственно в кабине). ZMP-технология: ZMP (англ.) (англ. Zero Moment Point, «точка нулевого момента») — алгоритм, использующийся в роботах, подобных ASIMO компании Хонда. Бортовой компьютер управляет роботом таким образом, чтобы сумма всех внешних сил, действующих на робота, была направлена в сторону поверхности, по которой перемещается робот. Благодаря этому не создаётся крутящего момента, который мог бы стать причиной падения робота[32]. Подобный способ движения не характерен для человека, в чём можно убедиться сравнив манеру перемещения робота ASIMO и человека[33][34][35]. Прыгающие роботы: в 1980-х годах профессором Марком Рейбертом (англ. Marc Raibert из англ. «Leg Laboratory» Массачусетского технологического института был разработан робот, способный сохранять равновесие посредством прыжков, используя только одну ногу. Движения робота напоминают движения человека на тренажёре пого-стик[36]. Впоследствии алгоритм был расширен на механизмы, использующие две и четыре ноги. Подобные роботы продемонстрировали способности к бегу и способность выполнять сальто[37]. Роботы, перемещающиеся на четырёх конечностях, продемонстрировали бег, перемещение рысью, аллюром, скачками[38]. Адаптивные алгоритмы поддержания равновесия. В основном базируются на расчете отклонений мгновенного положения центра масс робота от статически устойчивого положения или некоей наперед заданной траектории его движения. В частности, подобную технологию использует шагающий робот-носильщик Big Dog. При движении этот робот поддерживает постоянным отклонение текущего положения центра масс от точки статической устойчивости, что влечет необходимость своеобразной постановки ног («коленки внутрь» или «тянитолкай»), а также создает проблемы с остановкой машины на одном месте и отработкой переходных режимов ходьбы. Адаптивный алгоритм поддержания устойчивости также может базироваться на сохранении постоянного направления вектора скорости центра масс системы, однако подобные методики оказываются эффективными только на достаточно высоких скоростях. Наибольший интерес для современной робототехники представляет разработка комбинированных методик поддержания устойчивости, сочетающих расчет кинематических характеристик системы с высокоэффективными методами вероятностного и эвристического анализа.

Другие методы перемещения[править | править вики-текст]

Летающие роботы. Большинство современных самолётов являются летающими роботами, управляемыми пилотами. Автопилот способен контролировать полёт на всех стадиях — включая взлёт и посадку[39]. К летающим роботам относятся также беспилотные летательные аппараты (БПЛА; важный их подкласс составляют крылатые ракеты). Подобные аппараты имеют, как правило, небольшой вес (за счёт отсутствия пилота) и могут выполнять опасные миссии; некоторые БПЛА способны вести огонь по команде оператора. Разрабатываются также БПЛА, способные вести огонь автоматически. Кроме метода движения, используемого самолётами, летающими роботами используются и другие методы движения — например, подобные тем, что используют пингвины, скаты, медузы; такой способ перемещения используют роботы Air Penguin[40][41], Air Ray[42] и Air Jelly[43] компании Festo, или используют методы полёта, присущие насекомым, как, например, RoboBee[44]. Два змееподобных ползающих робота. Левый оснащён 64-мя приводами, правый — десятью. Ползающие роботы. Существует ряд разработок роботов, перемещающихся подобно змеям, червям, слизням[45]; при этом для реализации движения робот может использовать силы трения (при движении по шероховатой опорной поверхности)[46][47] или изменение кривизны поверхности (в случае гладкой поверхности переменной кривизны)[48]. Предполагается, что подобный способ перемещения может придать им возможность перемещаться в узких пространствах; в частности, предполагается использовать подобных роботов для поиска людей под обломками рухнувших зданий[49]. Разработаны также змееподобные роботы, способные перемещаться в воде; примером подобной конструкции может служить японский робот ACM-R5[50][51]. Роботы, перемещающиеся по вертикальным поверхностям. При их проектировании используют различные подходы. Первый подход — проектирование роботов, которые перемещаются подобно человеку, взбирающемуся на стену, покрытую выступами. Примером подобной конструкции может служить разработанный в Стэнфордском университете робот Capuchin[52]. Другой подход — проектирование роботов, перемещающихся подобно гекконам и снабжённых вакуумными присосками[53]. Примерами подобных роботов являются Wallbot[54] и Stickybot[55]. Плавающие роботы. Существует много разработок роботов, которые перемещаются в воде, подражая движениям рыб. По некоторым подсчётам, эффективность подобного движения может на 80 % превосходить эффективность движения с использованием гребного винта[56]. Кроме того, подобные конструкции производят меньше шума, а также отличаются повышенной манёвренностью. Это является причиной высокого интереса исследователей к роботам, движущимся подобно рыбам[57]. Примерами подобных роботов являются разработанный в Эссекском университете робот Robotic Fish[58] и робот Tuna разработанный Institute of Field Robotics (англ.) для исследования и моделирования способа движения, характерного для тунца. Существуют также разработки плавающих роботов других конструкций[59]. Примерами являются роботы компании Festo: Aqua Ray имитирующий движения ската и Aqua Jelly, имитирующий движение медузы

В чем заключается главная трудность, связанная с использованием акселерометра для оценки относительного положения? Что является причиной и следствием этой проблемы?

Используемые в авиации инерциальные системы навигации [6] позволяют рассчитывать оценку локации объекта (в том числе и высоту полета), отклонение которой от истинного положения без корректировки увеличивается с течением времени. Применение атмосферных датчиков давления позволяет значительно повысить точность определения высоты полета [7], хотя в силу изменчивости атмосферного давления в долгосрочном периоде абсолютную высоту можно измерять, только используя дополнительные данные, например от GPS-модулей.

Для ряда приложений точного определения абсолютной высоты не требуется. В таких случаях достаточно зафиксировать лишь изменение положения объекта по высоте. В [11] авторы оценивают точность определения фактов падения людей при ходьбе на основе резких отклонений в показаниях датчиков давления. Такие системы позволяют медицинскому персоналу быстрее оказывать помощь людям в специальных учреждениях. Подобные системы относятся к классу приложений, использующих шаблоны поведения человека при ходьбе [10]. Датчики давления, закрепленные на теле человека и используемые совместно с датчиками ускорения, значительно повышают точность определения высоты положения человека при ходьбе, а также при перемещениях между этажами по сравнению с использованием только датчиков ускорения [5]. В [5; 8] авторы анализируют точность определения относительной высоты, используя датчик с заранее известной высотой (опорный датчик). Высота рассчитывается по разнице между показаниями давления опорного датчика и датчика, закрепленного на объекте (мобильный датчик).

Поскольку датчики измеряют давление с некоторой погрешностью, а атмосферное давление с течением времени меняется, то вычисление абсолютной высоты всегда сопряжено с ошибками.

Использование показаний от одного опорного и одного мобильного датчиков с целью определения относительной высоты положения последнего возможно только при соответствующем усреднении показаний. Однако при усреднении за большой период времени точность определения высоты может ухудшиться: сглаживание показаний может нивелировать резкие изменения положения датчика по высоте. Дополнительным ограничением при использовании усредненных показаний является энергопотребление. Чем больше данных используется для усреднения за один и тот же период времени, тем больше энергозатрат требуется на получение соответствующих показаний. Это особенно критично при использовании мобильных датчиков с автономным питанием.

Использование данных от акселерометра, гироскопа и/или магнетометра незначительно улучшает точность определения высоты, поскольку точность у датчиков давления выше, чем у остальных [8]. Предложенный в работе способ расчета оценки высоты датчика основан на усреднении данных от нескольких опорных датчиков давления. В работе приводятся результаты расчета высоты положения датчика при различном количестве данных и различном количестве датчиков. Выполнен анализ причин отклонения скорости уменьшения эмпирической дисперсии оценки высоты при увеличении количества данных по сравнению с теоретической дисперсией; построена соответствующая модель. В заключение приводятся: способ расчета доверительного интервала оценки используемой для расчета высоты положения датчика, результаты расчетов дисперсии при различном количестве показаний датчиков и способ выбора оптимального набора датчиков для расчета наилучшей в определенном смысле оценки неизвестной высоты