CC BY
254
Использование мобильных роботов для автоматизации складских помещений Драницкий И. О.
Драницкий Игорь Олегович /Dranitskiy Igor Olegovich - студент, кафедра «Робототехнические системы и мехатроника»,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, г. Москва
Аннотация: в данной работе освещается вопрос создания робототехнического комплекса для автоматизации складских помещений, с применением мобильных колесных роботов и приводятся алгоритмы, описывающие функционирование системы.
Ключевые слова: автоматизация, мобильный робот, алгоритм управления, склад.
В настоящее время задача автоматизации технологических процессов все глубже проникает в различные производственные сферы. И одной из областей, имеющих большой потенциал автоматизации, является взаимодействие процессов в складских помещениях.
Один из методов, позволяющих произвести автоматизацию в данной области - создание робототехнического комплекса, позволяющего автоматизировать действия, производимые на складах, такие как: погрузка, перемещение по территории склада и разгрузка грузов, планирование оптимального размещения грузов на складских стеллажах.
Основные составляющие, обеспечивающие функционирование комплекса:
1. Колесные мобильные роботы высокой грузоподъемности, оснащенные манипулятором, осуществляющие механические действия, традиционно выполняемые персоналом склада - погрузка, разгрузка, доставка груза от места размещения до зоны погрузки и обратно, перемещение грузов на территории.
2. Система управления, отвечающая за координацию взаимодействия мобильных роботов, постановку цели, оптимизацию сопутствующих логистических процессов внутри склада.
Для лучшего понимания принципов функционирования системы приведем типовой пример алгоритма работы и взаимодействия ее составляющих:
1. В расписание системы управления поступает информация о необходимости погрузки груза Х в указанное время.
2. Система управления анализирует информацию о грузе, получает данные о стеллаже, на котором он размещен.
3. Система управления составляет маршрут для свободного в данный момент мобильного робота с учетом местоположений других роботов, чтобы избежать конфликтов при пересечении траекторий.
4. Мобильному роботу передается указание перемещения по заданному маршруту.
5. Мобильный робот осуществляет поиск груза, захват и перемещение в зону погрузки.
Использование данного комплекса позволяет почти полностью сократить штат, обслуживающий склад,
снизить влияние человеческого фактора и уменьшить вероятность ошибки, а также повысить пропускную способность складских помещений.
При этом большое значение при создании данного типа систем имеет методика, выбранная при разработке системы определения оптимальных путей перемещения и координации взаимодействия между отдельными мобильными роботами, так как оптимизация данных процессов прямо влияет на показатели качества работы системы, например, пропускная способность автоматизированного складского помещения или количество коллизий маршрутов движения мобильных роботов.
Для создания программы движения, обеспечивающей выполнение поставленных перед мобильным роботом задач, были разработаны соответствующие алгоритмы работы системы управления. Функционально данные алгоритмы можно разделить на две части:
В рамках данной статьи рассматривается глобальный алгоритм, обеспечивающий выбор и движение по глобальной траектории - оптимальному маршруту. Общий вид алгоритма движения представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма движения
В отсутствие задачи, робот находится в состоянии ожидания. При этом в памяти записаны данные о курсовом угле робота и текущем местоположении. В то же время в памяти записано два массива данных:
1. Матрица смежности, содержащая информацию о наличии связей между точками и весе этих связей (расстояние между точками).
2. Матрица координат, содержащая в себе значения координат всех точек на плоскости x0y.
На рисунке 2 представлен пример вида графа, узлами которого являются целевые точки (перекрестки в помещении), а ребрами - соединяющие их коридоры и соответствующая ему матрица смежности:
О
2
О
О
О
3
2
О
О
3
О
О
О
О
О
О
3
О
О
3
о
о
2
О
о
о
3
2
О
о
3
о
о
о
о
о
Рис. 2. Матрица смежности и соответствующий ей граф
При поступлении команды на перемещение в заданную точку, запускается функция расчета последовательности точек оптимального пути, реализованная на основе алгоритма поиска минимального расстояния в взвешенном графе - алгоритма Дейкстры. Входными данными функции являются матрица смежности, начальная координата и конечная координата. Результатом работы данной функции является последовательный набор точек, проходя которые робот достигнет заданной цели.
При инциализации метка вершины а считается равной нулю, а метки остальных вершин — бесконечности. Это отражает то, что расстояния от а до других вершин пока неизвестны. Все вершины графа помечаются как непосещенные.
Шаг алгоритма. Если все вершины посещены, алгоритм завершается. В противном случае из ещё не посещённых вершин выбирается вершина u, имеющая минимальную метку. Мы рассматриваем всевозможные маршруты, в которых u является предпоследним пунктом. Вершины, в которые ведут рёбра из u, назовём соседями этой вершины. Для каждого соседа вершины u, кроме отмеченных как посещённые, рассмотрим новую длину пути, равную сумме значений текущей метки u и длины ребра, соединяющего u с этим соседом. Если полученное значение длины меньше значения метки соседа, заменим значение метки полученным значением длины. Рассмотрев всех соседей, пометим вершину u как посещённую и повторим шаг алгоритма [3].
Например, для приведенной выше схемы для перемещения из точки 1 в точку 5, результатом работы алгоритма может быть последовательность: 1 - 2 - 3 - 5.
Для каждой из полученных точек поочередно выполняется следующий алгоритм движения:
1. По координатам текущей и следующей точки вычисляется угол отклонения вектора, их соединяющего, от оси Ox.
2. На основе значения текущего угла курса и необходимого угла, формируется значение угла поворота.
3. Выполняется функция поворота на заданный угол, сохраняется новое значение угла курса.
4. Выполняется функция движения по прямой.
По достижении конечной точки, робот переходит в режим ожидания.
Тестирование разработанного алгоритма и сравнение с существующими аналогами позволило сделать вывод, что использование методики упрощенного представления плана помещения в виде взвешенного графа позволяет производить расчеты при минимальном использовании ресурсов, что позволяет сэкономить на вычислительных мощностях системы, что положительно влияет на экономическую составляющую проекта.
Также важным моментом является необходимость выбора метода определения координат местоположения робота. Наиболее распространенным способом решения данной проблемы является использование одометрических датчиков, используемых для подсчета пробега каждого из колес, что позволяет получить относительную координату положения в пространстве. Типичным примером данного вида датчиков является фотоэлектрические инкрементные преобразователи угловых перемещений (инкрементные энкодеры), которые могут быть установлены на валах редукторов или двигателя. Недостатком данного метода является возникновение накопленных погрешностей, связанных с проскальзыванием колес при движении в реальных условиях.
Проведенные исследования показали, что при работе алгоритма расчета пути на основе плана помещения в виде взвешенного графа, с использованием инкрементных энкодеров с разрешающей способностью 150 угловых секунд, установленных на выходных валах при движении в течение 1 часа, накопленная погрешность местоположения составила 25 сантиметров. Поэтому с целью снижения величины накопленной погрешности предлагается использование дополнительных методов контроля положения: датчики в потолке или в полу, расположенные в определенных точках, при проезде через которые значение накопленной погрешности обнуляется.
В заключение необходимо отметить, что разработанный алгоритм является универсальным и может быть использован в рамках практически любого производственного процесса с незначительными изменениями. Также при использовании одометрических датчиков и дополнительной системы обнуления погрешности обеспечивается высокая точность работы системы, что позволяет применять ее в ответственных процессах с высокой ценой ошибки.
Литература
1. Девянин Е. А. О движении колесных роботов. // Докл. науч. школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы». 1998. C. 169-200.
2. Мартыненко Ю. Г. Динамика мобильных роботов. // Соросовский образовательный журнал. 2000. № 5. С. 110-116.
3. Алгоритм Дейкстры - Википедия: [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Алгоритм_Дейкстры. (Дата обращения: 05.05.2015).
