Бекшанов С. Детекторы поверхности для роботов типа "гусеница"

Московская область, г. Королев, 2000 г.

Автор: Бекшанов Сергей, лицей НИП, Королев.
Научные руководители: Гладков Ю.А., Головин А.А.

В жизни порой возникают такие условия, работать в которых человек просто не может, либо не может работать эффективно. Для проведения различных работ в подобных условиях существуют роботы, одним из которых может быть робот - гусеница. Гусеница может вползать даже в самые узкие щели (например, для поиска выживших под завалом), работать в космических условиях (например, для ремонта космического корабля) и в условиях радиационной угрозы (например, для ликвидации последствий аварии на АЭС). Именно поэтому создание такого робота - гусеницы сейчас представляется актуальным.

Движение механической гусеницы непременно требует знания рельефа впередилежащей поверхности. Для этого необходимо в процессе движения сканировать рельеф поверхности, по которой предстоит идти. Существует много способов осуществления этого простого с виду действия.

Привлекательно выглядят, методы бесконтактного контроля уровня поверхности, с использованием ультразвуковых или инфракрасных лучей. Мы можем излучать ультразвук или инфракрасный свет, принимать отражённые от поверхности сигналы, и по изменению их уровня делать выводы об изменении уровня поверхности.

Но, к сожалению, этим методам, кроме очевидных достоинств, присущ и ряд недостатков. Например, ультразвуковая установка не может действовать в космических условиях, т. к. звук в вакууме не распространяется. Также, точность работы детектора, выполненного по одному из этих методов, сильно зависит от таких показателей, как запылённость воздуха, задымление, коэффициент прозрачности почвы для соответствующего излучения. К тому же, неизвестно, как будут вести себя эти устройства, например, во время дождя, града или снега. Ведь лучи будут отражаться, или преломляться под воздействием частиц пыли или дождевых капель.

Вероятно, эти недостатки устранимы, но потребуются некоторые материально-технические затраты, что, в большинстве случаев технически не оправдано. Часто, достаточно использовать контактные способы изучения поверхности, например, механически "ощупывать" впередилежащий ландшафт с помощью усов, закреплённых на голове гусеницы. Этот способ вполне обеспечивает необходимую в данном случае точность измерения и ему нипочём дождь и пыль, а, кроме того, он прост в реализации. Учитывая всё вышесказанное, последний способ я посчитал предпочтительным.

Заметим, что придётся соорудить 2 уса, по одному с каждой стороны на линии лапок. При движении робота может возникнуть такая ситуация, когда прямой ус не сможет корректно описать впередилежащую поверхность (например, при движении по круглому мосту щуп может коснуться поверхности не кончиком, а другой своей частью, в то время как кончик будет на весу). Поэтому ус должен быть выполнен в виде крючка.

Надо также определить, как именно распознавать впередилежащую поверхность. Первое что приходит на ум - измерять характеристики в нужный момент времени, т. е. остановить гусеницу в нужный момент времени, опустить усы, получить данные, поднять усы, продолжить движение (опускаться усы будут сами, а поднимать и удерживать их в верхнем положении можно с помощью электромагнита). Такой способ очень эффектен, но, усложняет конструкцию в целом. На мой взгляд, лучше закрепить на конце каждого уса колёсико. Пусть из-за радиуса колёсика возникнет небольшая погрешность, зато показания усов будут поступать в любой момент времени, конструкция значительно упростится, и, как следствие, возрастёт надёжность.

Возможно, что во время движения гусеница наткнётся на такое препятствие, которое не сможет преодолеть (например, отвесную стену). Усы упрутся и будут давать ложные показания. Может произойти авария. Чтобы не допустить этого, нужно на конце каждого уса закрепить кнопку. Теперь, когда робот упрётся в стену, мы сможем отследить нажатие кнопки, что будет сигналом к остановке гусеницы.

Теперь нужно придумать, как передавать результаты замеров усов на компьютер. Устройство считывания показаний усов можно выполнить по тому же принципу, по которому выполнена мышь персонального компьютера. Изучив характерные особенности строения мышки, можно, используя детали мышки, создать устройство, демонстрирующее описанный выше метод. Каждый ус прикрепляется к колесу. Каждое колесо будет связано с осью (для обеспечения более плотного контакта стоит использовать резинку), на которой находится колесо с зубцами, проходящими между фотодиодом и светодиодом. Это сделано для того, чтобы увеличить точность измерения (чем больше колесо, тем быстрее вращается ось шестерёнки, и тем большее количество зубцов пройдёт между фотодиодом и светодиодом). Так мы сможем измерить даже самый маленький угол наклона.

Рабочая программа считает изменение координат мышки относительно начального уровня (200; 200 в пикселях) и преобразовывает их в углы наклона. После подсчётов программа строит 2 столбика, определяющих угол наклона каждого уса.

Рабочая программа также преобразовывает данные, полученные от усов, и строит визуальную модель поверхности. Поскольку наш макет состоит лишь из усов и не включает в себя всю гусеницу, мы не можем контролировать скорость движения макета, то принимаем V=87 мм/с. Программа производит замеры каждую четверть секунды и, с учётом скорости, длины усов и углов наклона, используя алгоритм би-линейной интерполяции, строит поверхность.