ОГЛАВЛЕНИЕ

Список условных сокращений.......................................................................................... 7

Введение..............................................................................................................................

Глава 1. Проблема обеспечения точности движений и

позиционирования мобильных манипуляционных роботов................................... 22

1.1. Математические модели упругих манипуляторов мобильных роботов

с учетом нелинейных свойств...................................................................................... 22

1.1.1. Геометрически нелинейные математические модели стержневых

систем............................................................................................................................. 22

1.1.2. Методы построения уравнений движения геометрически

нелинейных стержневых механических систем....................................................... 27

1.1.3. Методы численного интегрирования нелинейных уравнений

движения......................................................................................................................... 29

1.2. Задачи динамики и управления движением нелинейных стержневых

систем и упругих манипуляторов................................................................................ 31

1.3. Актуальные проблемы мобильной робототехники................................................ 36

1.3.1. Разновидности и области использования мобильных роботов...................... 36

1.3.2. Локальная и глобальная навигация................................................................... 46

1.3.3. Научные и технические проблемы навигации роботов.................................. 48

1.4. Интеллектуализация систем управления и навигации.......................................... 53

1.5. Системы технического зрения и проблемы обработка

видеоинформации в задачах управления мобильных роботов...............................

1.5.1. Методы реализации на основе видеоинформации простых задач

навигации...................................................................................................................... 61

1.5.2. Наведение путем сопоставления базового и текущего изображений,

распознавание сложных образов и сцен..................................................................... 66

1.5.3. Визуальное управление...................................................................................... 70

1.5.4. Задачи локализации и точного позиционирования мобильных

роботов............................................................................................................................ 72

1.5.5. Использование визуальных ориентиров в задачах локализации

и навигации роботов..................................................................................................... 73

1.5.6. Вероятностные методы локализации и навигации......................................... 75

1.6. Проблема обеспечения точности движения и позиционирования

мобильных манипуляционных роботов...................................................................... 78

1.7. Цель и задачи диссертационной работы................................................................................................... 92

Глава 2. Математические модели, численная методика и программы моделирования задач динамики геометрически нелинейных стержневых систем......................................................... 96

2.1. Основные кинематические соотношения.............................................................. 96

2.2. Конечноэлементная модель геометрически нелинейного

стержневого элемента.................................................................................................. 100

2.2.1. Геометрически нелинейный стержневой конечный элемент....................... 100

2.2.2. Особенности реализации модели в методе конечных элементов.............. 109

2.3.

расчета.......................................................................................................................... ПО

2.3.1. Упругие характеристики отдельного конечного элемента......................... 110

2.3.2. Итерационный алгоритм статического расчета геометрически

нелинейной стержневой системы............................................................................. 112

2.4. Методика учета больших перемещений узлов конечноэлементной

модели стержневой системы..................................................................................... 113

2.5. Численное моделирование динамики нелинейных упругих

стержневых систем с переменными инерционными и жесткостными параметрами 120

2.5.1. Уравнения динамического равновесия системы.......................................... 120

2.5.2. Прямое численное интегрирование нелинейных уравнений

движения..................................................................................................................... 121

2.6. Учет нелинейной зависимости сил инерции от перемещений в

методах прямого численного интегрирования....................................................... 126

2.7. Алгоритмы и программные модули моделирования геометрически

нелинейного стержневого конечного элемента....................................................... 128

2.8. Модуль прямого численного интегрирования уравнений движения

геометрически нелинейных стержневых систем..................................................... 134

2.9. Архитектура комплекса программ «COMPASS»................................................. 137

2.10. Верификация разработанных программ: расчет упругих стержней в

статике, анализ устойчивости сжатых и изогнутых стержней............................... 140

2.11. Динамический анализ стержневых механических систем при наличии

в них состояний неустойчивости...............................................................................

2.12. Выводы.................................................................................................................... 153

Глава 3. Динамика и управление упругими манипуляторами с учетом нелинейностей 155

3.1. Постановка обратных задач кинематики и динамики упругих

манипуляторов............................................................................................................ 155

3.2. Методика формирования уравнений динамики упругого

манипулятора.............................................................................................................. 157

3.3. Методика решения обратной задачи кинематики упругого

манипулятора.............................................................................................................. 164

3.4. Численное и экспериментальное моделирование методики решения

обратной задачи кинематики на пространственном упругом манипуляторе....... 175

3.4.1. Численное моделирование.............................................................................. 175

3.4.2. Экспериментальная проверка методики решения обратной

задачи кинематики на пространственном упругом манипуляторе....................... 178

3.5. Управление с динамической коррекцией упругого манипулятора в

классе систем с переменной структурой.................................................................. 197

3.6. Выводы..................................................................................................................... 205

Глава 4. Обеспечение точности движения мобильных роботов в локальных навигационных задачах с использованием данных видеосенсоров................................................................ 206

4.1. Кинематическая модель мобильного робота с дифференциальным

приводом....................................................................................................................... 208

4.2. Использование систем технического зрения для позиционирования

объектов относительно робота в локальных навигационных задачах..................

4.2.1. Модель видеокамеры и ее кинематические параметры................................ 209

4.2.2. Калибровка кинематических параметров модели видеокамеры

на вращающейся платформе...................................................................................... 211

4.2.3. Позиционирование объектов относительно робота по

информации с визуальных сенсоров........................................................................ 214

4.2.4. Позиционирование робота относительно визуальных ориентиров........... 217

4.3. Использование систем технического зрения для визуального

сервоуправления в простых навигационных задачах............................................. 221

4.3.1. Обработка изображения в системе технического зрения для

задачи движения мобильного робота по направляющей........................................ 221

4.3.2. Реализация навыка отслеживания с помощью программного

визуального серворегулятора..................................................................................... 226

4.3.3. Реализация навыка отслеживания с помощью обучаемого

нейросетевого визуального серворегулятора........................................................... 229

4.4. Выводы...................................................................................................................... 235

Глава 5. Управление точным позиционированием мобильного робота в неорганизованном рабочем пространстве с использованием видеосенсоров................................................... 237

5.1. Постановка задачи визуального сервоуправления с целью

точного позиционирования робота........................................................................... 238

5.2. Общий подход к решению задачи корректного сопоставления

визуальных ориентиров на текущем и базовом изображениях.............................. 241

5.2.1. Обнаружение естественных ориентиров на базовом изображении

и автоматизация этой операции.................................................................................

5.2.2. Сопоставление ориентиров на совмещаемых изображениях....................... 242

5.2.3. Методы повышения корректности сопоставления ориентиров................... 243

5.3. Релаксационный вероятностный метод сопоставления визуальных

ориентиров на двух изображениях............................................................................ 244

5.3.1. Вероятностный метод сопоставления ориентиров........................................ 245

5.3.2. Релаксационная методика решения задачи маркировки объекта................. 251

5.3.3. Численная реализация и экспериментальная проверка

алгоритма...................................................................................................................... 256

5.4. Метод проверки корректности сопоставления ориентиров на

основе проективного инварианта.............................................................................. 262

5.4.1. Вычисление параметров преобразования координат между

базовым и текущим изображениями.......................................................................... 263

5.4.2. Свойства проективного инварианта............................................................... 265

5.4.3. Использование свойств проективного инварианта для проверки

корректности сопоставления характерных точек..................................................... 266

5.4.4. Метод проверки корректности сопоставления пар ориентиров................... 268

5.4.5. Экспериментальная проверка предложенного метода................................... 271

5.5. Эксперимент по точному позиционированию MP с использованием

визуального сервоуправления..................................................................................... 273

5.6. Выводы....................................................................................................................... 275

Глава 6. Вероятностные методы локализации мобильных роботов с использованием визуальных ориентиров при навигации по карте....................................................................... 277

6.1. Локализация робота на карте рабочего пространства с использованием

визуально различимых ориентиров............................................................................ 278

6.2. Вероятностный метод Марковской локализации с использованием

визуальных ориентиров............................................................................................... 281

6.2.1. Постановка задачи и теоретические основы................................................... 281

6.2.2. Пример использования метода Марковской локализации............................ 283

6.2.3. Вероятностная модель движения мобильного робота.................................... 288

6.2.4. Моделирование ошибок при вычислении местоположения

по данным одометрии.................................................................................................. 289

6.2.5. Вычисление функции плотности условной вероятности для

перемещения робота.................................................................................................... 292

6.2.6. Увеличение неопределенности местоположения робота при

использовании вероятностной модели движения................................................... 293

6.3. Повышение эффективности метода Марковской локализации с

визуальными ориентирами.......................................................................................... 294

6.3.1. Использование выборочных вычислений для повышения

эффективности Марковской локализации................................................................. 295

6.3.2. Определение областей обновления в пространстве состояний.................... 298

6.3.3. Вычисление сенсорной функции плотности условной вероятности

для областей обновления............................................................................................. 306

6.3.4. Организация выборочных вычислений........................................................... 308

6.3.5. Алгоритм Марковской локализации с выборочными

вычислениями............................................................................................................... 309

6.3.6. Результаты численных экспериментов............................................................ 310

6.4. Выводы....................................................................................................................... 316

Глава 7. Разработка алгоритмов обработки изображений в прикладных задачах автоматизации видеоинспекций, измерений и распознавания образов........................................ 317

7.1.Автоматизированный контроль состояния подводных объектов видеосистемой мобильных роботов в реальном масштабе времени........................................................................................ 318

7.1.1. Архитектура системы......................................................................................... 319

7.1.2. Реализация блочного построения алгоритмов обработки

изображения.................................................................................................................. 322

7.1.3. Автоматизация обнаружения дефектов подводных сооружений................ 324

7.1.4. Разработка алгоритма обнаружения наростов ракушечника на

сооружениях................................................................................................................. 327

7.2. Программная система визуального контроля горизонтальной

скорости беспилотного вертолета.............................................................................. 333

7.3. Применение алгоритмов обработки изображений в задачах

распознаваниия образов и тепловизионного мониторинга оборудования............ 336

7.4. Концепция мобильного программно-инструментального комплекса

для видео- термомониторинга состояния тоннелей.................................................. 337

7.4.1. Схема предлагаемого контрольно-диагностического

мобильного робота........................................................................................................ 339

7.4.2. Возможные функции программно-инструментального комплекса............. 341

7.4.3. Принципы функционирования и эффективность комплекса........................ 342

7.5. Выводы....................................................................................................................... 344

Основные результаты и выводы................................................................................... 346

Список использованной литературы............................................................................ 349

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Выражения для вычисления элементов матрицы и вектора узловых сил упругой реакции........................................................................................................................................ 374

Приложение 2. Экспериментальная установка - упругий манипулятор

FLEBOt-II.......................................................................................................................... 392

Приложение 3. Принципы распределенного управления мобильными сервисными роботами 397

Приложение 4. Алгоритм распознавания окружностей со случайным поиском для робототехнической системы......................................................................................................................... 410

Приложение 5. Автоматизация периодического тепловизионного

контроля, мониторинга и диагностики состояния оборудования................................. 420

Приложение 6. Документы об использовании результатов

диссертационной работы.................................................................................................. 429