Лаборатория робототехники и искусственного интеллекта Политехнического музея

Проект «Робопарк»

Москва, 2009

1. Введение

Робототехнический комплекс «Робопарк» представляет собой множество мобильных минироботов и специально оборудованный полигон. Комплекс предназначен для наглядной демонстрации некоторых моделей поведения простейших организмов. Основная сфера применения – демонстрационно-показательная.

В состав комплекса входят 7 мобильных минироботов и полигон. Полигон – это арена с нанесенным рисунком. В состав полигона входят контроллер и три маяка – маяк «кормушка», маяк «приманка» и маяк «парализатор».

2. Робот

Функции робота

Робот имеет фиксированное количество датчиков и исполнительных механизмов. При этом архитектура робота позволяет некоторое изменение функционала на уровне поведенческих реакций в рамках базовых конструктивных ограничений.

Функции мобильного робота:

1. Движение (вперед, назад, влево, вправо) (2 дифференциальных двигателя).
2. Движение по полосе (2 датчика полосы, АЦП).
3. Движение на маяк.
4. Звуковая сигнализация (пищалка HCM1206XJLR81).
5. Реакция на препятствия (ИК-бампер).
6. Световая индикация состояния (сверхяркие светодиоды).
7. Реакция (звуковая и световая индикация) на низкий уровень заряда аккумулятора.

Конструкция робота

Общие характеристики

Робот представляет собой небольшое автономное мобильное устройство. Конструкция робота включает в себя следующие компоненты:

• базовая ходовая тележка с двигателями и аккумуляторами;
• контроллер робота;
• корпус с датчиками, светодиодной подсветкой и кнопками.

Роботу придан «презентабельный» вид (корпус закрыт пластикой оболочкой). Робот оснащается набором датчиков: глаз (ИК-приемников), датчиков препятствий и проч.

• длина – 160 мм;
• ширина – 105 мм;
• высота - 105 мм.;

Масса – до 500 г.

В качестве базовой ходовой части используется тележка с двумя мотор-редукторами.

Электронные компоненты

Состав модулей

В набор электронных модулей, установленных на роботе, входят следующие компоненты:

1. Микроконтроллер ATMega32, 4 МГц;
2. Датчики полосы (управляемые излучатели, фотоприемники с эмиттерными повторителями) – оцифровка АЦП;
3. 3 глаза (TSOP, асинхронный прием);
4. Пищалка;
5. ИК-бампер – 2 светодиода, TSOP (синхронный прием);
6. Датчик освещенности – ИК фотодиод, оцифровка встроенным АЦП;
7. Сверхяркие светодиоды трех цветов (красный, зеленый и синий).

Силовая часть

Робот питается от 4-х аккумуляторов АА емкостью 1800 мА/ч, подключенных последовательно.

Контроль состояния системы питания (напряжение аккумуляторов) реализован на программном уровне. По достижении критического уровня заряда аккумуляторов робот включает звуковую и световую сигнализацию.

Конструкция робота предусматривает разъем для подключения специального зарядного устройства, входящего в комплект.

Датчики

В роботе реализованы следующие датчики:

• ИК-бампер (датчик препятствий ближнего обнаружения).
• Датчики полосы (ставятся внизу).
• Датчик состояния аккумуляторов (опционально, т.е. возможна программная реализация).
• Датчики маяков.
• Датчик освещенности.

Характеристики ИК-бампера

Органы управления роботом представляют собой тумблер включения/выключения и перемычку «режим работы».

Перемычка «режим работы» находится на плате контроллера (Regime 1) и определяет тип робота – «дневной» (перемычка отсутствует) и «сумеречный» (перемычка установлена).

Режим эксплуатации

Основной режим эксплуатации заключается в переводе роботов в активное состояние на 10-15 минут каждый час (не более 8 включений в день). Остальное время роботы должны находиться в спящем режиме (режиме малой активности).

Замена элементов питания или подзарядка аккумуляторов при указанном режиме эксплуатации – 2 раза в неделю.

Реализуемые модели поведения

Раздражители

Общее освещение полигона – три уровня: низкий (ночь) – режим спячки, средний (сумерки) – активный режим для «сумеречных» роботов, интенсивный (день) - активный режим для «дневных» роботов.

• Сигнал от маяка-кормушки.
• Сигнал от маяка-приманки.
• Сигнал от маяка-парализатора.
• Сигналы от датчиков полосы.
• Обнаружение зоны кормления.
• Препятствия.

Реакция робота

• движение;
• световая индикация;
• звуковая индикация.

Базовые рефлексы

• реакция на разряд аккумулятора;
• движение к маяку-кормушке (приманке);
• реакция на сигнал маяка-парализатора
• избегание препятствий.

Модели поведения

В зависимости от условий внешней среды (освещенности) роботы могут находиться в одном из двух состояний – пассивном (спящем) и активном.

Система функционирует в условиях трехуровневого освещения: «Темно», «Сумерки», «День».

Роботы делятся на две части: активно функционирующие в режиме «Сумерки» и в режиме «День» (соответственно «ночные» и «дневные» организмы).

В режиме освещения «Темно» все роботы находятся в спящем режиме. В режиме «Сумерки» активно функционирует «ночные», при этом «дневные» находятся в режиме спячки. В режиме «День» функционируют «дневные» устройства, а «ночные» переходят в пассивный режим.

Ждущий (пассивный) режим. При выключенном освещении полигона роботы находятся в режиме спячки. При этом они периодически (редко) подсвечиваются вспышками индикаторных светодиодов и совершают медленные перемещения с остановками. Это – основной энергосберегающий режим.

Активный режим. При определенном уровне освещения роботы «просыпаются» и переходят в активный режим. В этом режиме роботы активно двигаются по полосам, не сталкиваясь друг с другом.

При включении маяка-кормушки, они сползаются к нему. «Голодный» робот светится красным, «сытый» зеленым светом (разной интенсивностью). Зеленая зона вокруг маяка-кормушки - это зона кормления. Находясь в ней, робот «питается», постепенно меняя цвет на зеленый. После того, как робот наелся, он уползает по своим делам.

Индикация состояний робота

3. Полигон

Полигон представляет собой арену с нанесенным рисунком. В состав полигона входят контроллер, маяки и зарядное устройство.

Арена (площадка) представляет собой круг, оснащенный внешними бортами.

Диаметр круга – 1.5м.

Высота бортов – не менее 100 мм.

Арена сверху закрыта прозрачным куполом. В куполе имеются люки для обеспечения доступа к роботам (2 люка на противоположных сторонах полигона).

Маяки

Маяки представляет собой ИК-излучатели определенной последовательности импульсов.

В системе реализованы 3 маяка:

• маяк-кормушка (основной маяк)
• маяк-приманка
• маяк-парализатор (опционально)

Работа излучателей продублирована светом (индикаторный светодиод).

Маяк «Кормушка». Стационарный маяк. Устанавливается стационарно в центре полигона. Управление маяком и питание– внешнее, от контроллера полигона. В режиме «Ночь» маяк выключается.

Маяк «Приманка». Автономное устройство. Питается от батареи типа «Крона».

Маяк-приманка служит для подманивания роботов. Робот реагирует на сигнал маяка в любом состоянии (активном и спящем).

При ловле роботов веер излучателей должен находиться на уровне глаз робота. Маяк при этом желательно держать горизонтально.

Отсутствие мигания индикаторного светодиода может быть следствием разряженности батареи питания.

 Маяк «Парализатор». Конструктивно реализуется маяком-приманкой установкой соответствующего кода (3). Код устанавливается при помощи перемычек на плате контроллера. Робот реагирует на сигнал маяка в любом состоянии (активном и спящем). Реакция заключается в том, что контроллер робота переходит в спящее состояние, вывести из которого можно только выключением-включением робота.

Контроллер полигона

Контроллер полигона предназначен для управления маяками. Задача контроллера – включать и выключать маяки в определенные моменты времени. Кроме того, контроллер управляет режимами освещенности полигона.

Контроллер определяет следующую последовательность режимов:

«День» ® «Сумерки-1» ® «Ночь» ® «Сумерки-2»

Для каждого из режимов определяются следующие параметры:

• Длительность режима
• Интенсивность освещения
• Продолжительность переходного процесса

Контроллер полигона работает в двух режимах – основном (рабочий режим) и режиме программирования. При включении питания контролер освещения начинает отрабатывать программу управления светом.

Кнопка «РЕЖИМ» осуществляет переключение режимов работы на начало следующего режима, т.е. начинается переход в следующий режим с плавным переключением света. В режимах «ДЕНЬ» и «СУМЕРКИ» включается центральный маяк. В режиме «НОЧЬ» он отключается.

Демонстрация

Комплекс включается утром, а выключается вечером. После включения полигон переходит в основной автоматический режим работы, циклически включая освещенность:

• «День» (5 мин., активизируются «дневные» - желтого цвета - роботы)
• «Сумерки» (5 мин., активизируются «сумеречные» - красного цвета -  роботы)
• «Ночь» (50 мин., вес роботы «спят»).

Таким образом, комплекс включается каждый час на 10 мин.

При этом изменение освещенности осуществляется плавно в течение заданного переходного периода (порядка 10 сек.).

Примечание 1. Возможно оперативное переключение режимов работы. Для этого используется кнопка «Режим». Нажатие кнопки «Режим» включает следующий вид освещенности (День-Сумерки-Ночь).

Примечание 2. Индикатор отображает время, оставшееся до конца работы режима (в минутах).

Зарядное устройство

При нормальном режиме эксплуатации зарядка роботов осуществляется 2-3 раза в неделю. По достижении предельно допустимого уровня разряда аккумуляторов значения робот многократно повторяет следующие действия:

Звуковой сигнал, мигание светодиодами RED, GREEN, BLUE

Одновременно к зарядному устройству можно подключить до трех роботов. Устройство снабжено индикаторами, показывающими состояние уровня заряда аккумуляторов: в процессе зарядки красные индикаторы светятся, по окончании зарядки – гаснут.