21УДК 004.9
Нгуен Чанг Хоанг Тхуи Nguyen Trang Hoang Thuy Нгуен Кыонг Тхе Nguyen Cuong The
Аспирант PhD Student
Национальный исследовательский Томский государственный университет Вьетнамский морской университет, Хайфон, Вьетнам National research Tomsk State University Vietnam maritime University, Haiphong, Vietnam
РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТОВ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ НАВИГАЦИИ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ
DEVELOPING SIMULATION MODEL BUILDING TOOLS FOR MOBILE
ROBOT NAVIGATION
Аннотация. В статье рассматривается использование высокопроизводительных компьютерных систем с параллельной операционной архитектурой для решения задач навигации мобильных роботов, а также разработка математических моделей для работы с системой. Отсюда создаются 2D-карты SLAM для навигации мобильных роботов в помещениях.
Abstract: The article discusses the use of high performance computer systems with parallel operating architecture to solve the problems of navigation for mobile robots, along with the development of mathematical models to operate the system. From there, 2D maps for SLAM are created to navigate mobile robots in indoor environments.
Ключевые слова. SLAM, перестраиваемая вычислительная среда, высокопроизводительная вычислительная система.
Key words: SLAM, Reconfigurable Computing Environment, High-performance Computing System.
Введение
В настоящее время разработка роботов постепенно достигла значительных успехов. Если раньше технология GPS не позволяла определять короткие расстояния, то теперь используются даже очень маленькие[1] роботы для определения коротких расстояний. Эти улучшения в позиционировании привели к новым открытиям, интересующим многих ученых, а именно к построению 2D пространственных карт SLAM для навигации мобильных роботов внутри помещений.
2. Синтез модели
ПВС (Перестраиваемая вычислительная среда) - это отдельная математическая модель высокопроизводительной компьютерной системы, состоящая из идентичных и взаимосвязанных общих элементов, программно настроенных для выполнения любых функций из полного набора логических функций, памяти и различных соединений с соседними элементами.
Основные вычислительные элементы (Элементарные Вычисления (ЭВ)) запрограммированы на выполнение любых функций из полного набора
логических функций, памяти и любого соединения с соседними компонентами. ЭВ работают только на основе логических функций И - ИЛИ - НЕ.
Перетраиваемый автомат можно представить как автомат с такой же мощностью и настройками, идентифицирующими данный автомат [2, 3]. Этот выходной сигнал является выходом полностью перестраиваемого автомата. Следовательно, перестраиваемый автомат может делать только автоматические отображения [2, 4].
Если устройство, которое автоматически настраивается различным образом, выдает значение сигнала на своем выходе, зависящее только от значения сигнала на входе, оно называется автоматически комбинированным логическим модулем или многофункциональным логическим модулем [2, 3, 4].
Создаются автоматические сопоставления, которые должен выполнять реконфигурируемый автомат, чтобы гарантировать вычисление логической формулы, указанной в слое. На основе структурированного автоматического метода создана система булевых формул для описания всех основных вычислений ПВС [5]:
/1 = Х1 /2 = *1 /з = *1
/4_т = (*1. ^1) V (*2. ^1) V Оз. ^1) V О4. ^1) V (д5. г2. г5) V (д5. г5) V
(д5. гз. г5) V (^5. ^4. г5) V г2. ^ V %24) V гз. V
(^б. г4. г5) V г2. V ¿4) V гз. 24. г5) V £3. V
г5) V (^8. ^1. г2. гз. г5) V ^ г2. % г5) V г2. г4) V
(^8. ^1. ^2. гз. г5) V (^8. ^1. % ^ V ^24. г5) V ^ V гз. г4) V
V (^9. ^1. гз. г5) V г2. гз) V ^ V г4).
/5_т = (*1. V (Х2. V (Хз. V О4. V (^5. г2. г5) V (^5. г5) V (^5. ^1. гз. г5) V (^5. ^4. г5) V г2. ^ V % 24) V гз. V
(^б. ^4. г5) V г2. ^4) V ^2. г4) V (^7. гз. 24. г5) V ^ V
г5) V (^8. ^1. г2. гз. г5) V ^ г2. % г5) V г2. г4) V
(^8. ^1. ^2. гз. г5) V (^8. ^1. ^2. % ^ V ^24. г5) V ^ V гз. г4) V
V (^9. ^1. гз. г5) V ^1. г2. гз) V ^2. ^4) V ^з. г4).
(1)
Общая булева формула (1) будет использоваться в автомате (Элементарные Вычисления (ЭВ) (Рис.1).
Рис. 1. Элементарные вычисления, встроенные в перестраиваемую
вычислительную среду.
Вычислительная среда реконфигурации будет состоять из идентичных автоматов одной конструкции. Когда робот движется, расстояние от робота до препятствия будет передано автомату. На этапе обработки данных машина автоматически отображает сигнал 0 (нет препятствий), 1 (есть препятствия). Оттуда карта будет автоматически обновляться параллельно и непрерывно по мере движения робота.
Работа автомата проиллюстрирована на примере двухмерного картирования пространства (Рис. 2). А построение 2D ПВС основано на элементарных вычислениях (Рис. 1). Рассмотрены 16 случаев, соответствующих изменениям окружающей среды в каждом слое. При изменении кода настройки элемента z будет получен соответствующий выход £
Рис. 2. Робот Turtlebot 3 в Turtlebot World в Gazebo
Рис. 3. Модель, связывающая S-функцию с роботом и перестраиваемой вычислительной средой.
Имитационная модель
Для построения имитационной модели навигации мобильных роботов в помещении большинство ученых в настоящее время выбирают операционную систему роботов ROS [6], потому что она обладает открытым исходным кодом. Кроме того, в этой операционной системе робота инструменты и библиотеки были упрощены, чтобы программисты могли легко взаимодействовать и управлять им.
Помимо создания отдельной среды с разнообразными объектами вокруг, помещения робота в центральное положение, а также управления движением робота в этой среде, необходима среда моделирования. Gazebo - это высокоточная и эффективная среда моделирования роботов для сложных сред как внутри, так и снаружи помещений [7].
Исследование было проведено с роботом Turtlebot 3, поскольку он подходит для встроенной системы, робот Turtlebot 3 с вращающимся на 360 градусов лазерным датчиком подходит для отслеживания и обнаружения препятствий в среде, в которой он движется[8].
Таким образом, робот может запускать алгоритмы Slam (одновременная локализация и отображение) для построения карты.
Заключение
Параллельное использование Simulink в Matlab с ROS, Turtblebot 3 и Gazebo очень удобно. На основе параллельной системы были разработаны логические компоненты Simulink в Matlab. Эти элементы будут точками в облаке точек, и на основе этого сигнальные контакты каждого элемента будут настроены для создания карты для робота.
Конструкция связи ПВС с роботом будет разделена на 2 части, одна часть, прикрепленная к сигнальным контактам, будет прикреплена к «Tf». Остальные сигнальные контакты будут прикреплены к «сканированию». Связь с роботом будет использоваться через S-функцию в Matlab. Вся логическая модель будет напрямую связана с данными, полученными от робота. А именно, что данные из центральных местоположений будут выбраны из диапазона областей данных, и данные лазерного сканирования будут приниматься от робота при каждом его
движении. После обработки этих данных создается карта для робота в двух измерениях..
Путем подключения логической модели, разработанной специально для роботов в Robot от Simulink, в сочетании с ROS, Gazebo и Slam, была построена двухмерная карта робота. Это новый шаг в картировании роботов с помощью параллельного программного обеспечения, данный метод повышает скорость и качество отображения роботов в двух измерениях.
Библиографический список:
1. Nguyen T. Tunable computing Slam navigation environments [Electronic resource] / T. Nguyen, S. Shydlovsky // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2019. - Vol. 516 : III International Conference «Cognitive Robotics». Tomsk, Russian Federation, November 22-24, 2018. - Article number 012053. - 8 p.
- URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/516/1/012053 (access date: 23.09.2020).
2. Шидловский С. В. Автоматическое управление. Реконфигурируемые системы: учебное пособие / С. В. Шидловский. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 2010.
- 168 с.
3. Automata Theory Introduction [Electronic recource] // Tutorials Point. -Electronic data. - 2020. - URL: https://www.tutorialspoint.com/automata_theory/automata_theory_introduction.htm (access date: 11.01.2020).
4. Шашев.Д.В. Морфологическая обработка двоичных изображений с использованием настраиваемых вычислительных сред / Д. В. Шашев, С. В. Шидловский. - 2015. - С. 19-26.
5. Нгуен Ч. Построение навигационных реконфигурируемых моделей мобильных роботов / Нгуен Чанг Хоанг Тхуи // Журнал: Современные наукоемкие технологии. - 2020. - № 11 (часть 1) - С. 49-55. - URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=38337 (дата обращения: 01.12.2020).
6. [Электронный ресурс] URL: https://roboticsbackend.com/what-is-ros/ (дата обращения: 02.11.2020).
7. Gazebo: Robot simulation made easy // Gazebo. - Open Source Robotics Foundation, 2014. - URL: http://gazebosim.org (access date: 03.11.2020).
8. Turtlebot3: Package Summary // ROS.org. - Electronic data. - URL: http://wiki.ros.org/turtlebot3 (access date: 10.01.2020).
9. [Электронный ресурс] URL: http://wiki.ros.org/tf (дата обращения: 02.11.2020).
