РАЗРАБОТКА НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ РОБОТА НА ПОВЕРХНОСТИ ЛУНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМОВ ОДНОВРЕМЕННОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ И КАРТОГРАФИИ (SLAM) (57-62)

Национальная ассоциация ученых ( НАУ) # 50 , 201 9 57
РАЗР АБОТКА НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ РОБОТА НА П ОВЕРХНОСТИ ЛУНЫ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОР ИТМОВ ОДНОВРЕМЕННОЙ ЛОКАЛИ ЗАЦИИ И КАРТОГРАФИИ
(SLAM )

Спирина Н.С., Спирин В.В., Тара чков М.В., Шарамет А.А.
DOI: 10.31618/nas.2413 -5291.2019.3.50.123
Аннотация
В данной статье рассматривается возможность прим енения алгоритмов одновременной локализации
и картографии ( SLAM ) для навигации робототехнических систем на пове рхности Луны. Ав тор на
прототипе колесного робота показывает, какое техническое и программное обеспечение используется для
реализации системы нав игации с применением алгоритмов SLAM . Приводится пример исп ользования
программной платформы Robot Operatin g Sys tem (ROS ) для уп равления роботом. В заключении автор
указывает на возможные улучшения представленной системы.
Ключевые слова : робот отехника, манипу лятор, 3Д -модель, Луна, навигация, SLAM , ROS ,
программное обеспечение

Введение
Освоение Луны является ва жным шагом для
дальнейшего проникновения человека в
космиче ское пространство. Данная задача сложна
тем, что в н астоящее время п роблематично
длительное время поддерживать нахождение на
Луне космонавтов для проведения исследований.
[1] Поэтому научное сообще ство прибегает к
использованию робототехнических систем.
Ва риантом такой системы может быть робот на
колесной п латформе с закре пленной на ней
торсовой частью, обладающей двумя
манипуляторами [2].

Рис.1. Луноход с торсовой частью ант ропоморфного робота д ля исследований каменистых, скальных
пород и с возможностью ремонта (себя и другой лунной техники).

Актуальной является пробле ма управления
таким роботом, в частности, решение задачи
навигации. Супервизорное управление
осуществляется с задержкой порядка т рёх секунд и
чувствительно к качеству связи с Землей. Поэто му
возможным вариантом является автономное
управлени е. На Земле нави гация робота была бы
решена при помощи данных со спутников о его
местоположении. Обладая развитой системой
базовых станций можно получить точность
позиционирования до 2 см в режиме кинемат ики
реального времени (РТК). Но в условиях
нахождени я на поверхности Луны данный подход
неприменим (по крайней мере, до создания в
окололунной области специальной навигационной
системы).
Поэтому о дним из возможных решений может
быть использование алгоритм ов одновременной
локализации и картографии ( SLAM ). [ 3] С их
помощью робот, получая данные от датчиков
(лазерный сканер, камеры, одометры), способен
построить карту окружающего пространства и
опреде лить свое местоположение.
В данной статье описан вариант ко лесной
платформы, которая по данным от лазерного
ска нера и одометров осуществляет автономную
навигацию .
Программная платформа ROS
В настоящее время для управления роботами
широко используется прог раммная платформа
Robot Operating System (ROS ). [4] Это сво бодное
программное обеспечение, которое работает под
управлением ОС Linux , позволяет осуществлять
взаи модействие разнородных программ, которые
могут быть написаны на разных языках,
посредством меха низма обмена сообщения. ROS
имеет большое и развивающееся с ообщество и
готовые пакеты (отдельные программы, мод ули),
которые мо жно использовать за основу при
раз работке собственных. В том числе, ROS
содержит большое количество пакетов, в которых
реализован алгоритм SLAM .
Робот в ROS описывается при помощи
формата Unified Robot Description Format (URDF ).
[5] Данный формат вводит ос обенности при
создании трехмерной модели робота.

58 Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 50 , 201 9
Создание 3 D-модели колесного робота
Трехмерная модель колесного робота была
соз дана в программе Solidworks . Важно выделить
отдельными элем ентами колеса робота и лидар.
Модели элементов следу ет созд авать дву х видом.
Одни должны быть максимально простыми. Это
связано с тем, что при планировании движений
робота происходит расчет возможн ых соударений
элементов робота с объектами окружающей среды .
Чем модель проще, тем быстрее происходит расчет.
Второй в ариант мо делей элементов может быть
более изящным, поскольку используется только
для визуализации и в расчетах соударений не
участвует.

Рис 2. Трехмерная модель робота в программе Solidworks .

Для САПР Solidwroks сущес твует плагин
Solidworks 2URDF Exporter , котор ый осуществляет
конвертацию трехмерной модели в формат URDF .
[6] В результате чего подготавливается пакет ROS ,
содержащий описани е робота.
Визуализация робота в программе RViz
RViz – это программа для визуализации,
которая входит в програм мную платформу ROS .
RViz позволяет визуализировать модель робота,
карту местности, облака точек, отображать
вспомогательные объекты и осуществлят ь
управление моделью робота.

Рис 3. Визуализация модели робота в программе RViz .

Сборка робота
По трехмерно й модели был соб ран реальный
робот. Конструкция робота была сделана из
элементов конструктора, потому что это позволяет
осуществлять быстрое прот отипирование. Были
использованы всенаправленные колеса, или колеса
Илона, которые позволяют роботу осуществлять
перемещение в л юбом направле нии.

Национальная ассоциация ученых ( НАУ) # 50 , 201 9 59
Рис 4. Всенаправленные колеса.
.
В качестве приводов использовались
коллекторные электродвигатели с редуктор ом и
встроенным инкрементным энкодером для
определения скор ости вращения. Реальная
конструкция транспорт ной пла тформы на Луне
может значительно отличаться от приведенной, но
это связано решением самой навигационной
задачи.

Рис 5. Электродвигатель с встро енным энкодером.

Общий вид колесного робота приведен на
ри сунке 6.

Рис 6. Колесный робот.

Также на раме роб ота был закрепле н лазерный
сканер HOKUYO URG -04LX -UG01. Данный
дальномер имеет 1 луч, точность 3 см., дальность от
0.3 до 5 м, угол сканирования 240 градусов.

60 Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 50 , 201 9
Рис 7. Лазерный дальномер Hokuyo.

Электро ника
Электрическая схема колесного робота
создавалас ь исходя из необ ходимости управления
четырьмя приводами всенап равленных колес. Она
состоит из драйверов электродвигателей на основе
мостовой схем ы, которая обеспечивает вращение
колес в обе стороны, а так же регулировку скорости
вращения при помощи ШИМ. Для измерения
скоро сти вращения колес были использованы
инкремент ные энкодеры, расположенные на
каждом колесе. Управления драйверами
электродвигател ей и чтение сигналов от энкодеров
осуществляет микроконтрол лер STM 32 F103,
который находится внутри контроллера VEX . Для
осущест вления высокоуровневого управления
колесным ро ботом используется микрокомпьютер
Raspberry Pi 3. Он располагается на роботе и
взаи модействует с микроконтроллером
посредством преобразователя USB -UART .
Поскольку помимо автономного управления
предполагалось уп равление колесным роботом в
супервизорном режи ме, а также для визуализации
текущего положения робота и состояния
окружающей его с реды в схему был включен
компьютер оператора, который связа н с Raspberry
Pi 3 через роутер. Полная электрическа я схема
приведен а на рис. 8.


Рис 8. Электрическая схема робота.

Национальная ассоциация ученых ( НАУ) # 50 , 201 9 61
Питание электрических элементов
осуществлялось от расположенных на роботе
аккумуляторов.
Низкоуровневые драйвера
Разработка программ ного обеспечения для
контроллера VEX осуществлялась на языке C. Была
реализована схема управления с обратной связью
по скорости на основании данных от
установленном на каждом колесе инкрементном
энкодере.
По собст венному протоколу контроллер VEX
передает д анные о скорости вращения колес на
микрокомпьютер Ra spberry Pi 3. Та кже через него
осуществляется задание уставки скорости
вращения для каждого из колес.
Ответная часть на микрокомпьютере Raspberry
Pi 3 была реали зована с использованием пакета
ROS Control .[7] Данный пакет осуществляет
взаимодействие с вирту альным последова тельным
портом и принимает данные от более
высокоуровневых программ, каковой является
программа управления движением робота.
Ис пользование алго ритма семейства SLAM
Для тестирования на со бранном колесном
роботе был выбран алгоритм построен ия карты
GMappin g, потому что он является наиболее
простым в реализации и показывает
удовлетворительные результаты. Данный алгоритм
получал в кач естве входных да нных облако точек с
лазерного сканера и пок азания одометров.
Алгоритм Adaptive Monte Carlo Loca lization
(AMCL ) использовался для определения
местоположения робота на карте и определения
пути к заданной точке.
Управление роботом осуществлял пакет
move _base [8].

Рис 9. Схема взаимодействия оборудо вания и программного обеспечения.

Результаты
Были проведены испытания колесного робота,
в ходе которых он должен был переместиться из
точки А в точку В, ориентируясь на показания
сенсоров. Оператор мог наблюдать процесс
построения карты окружающего пространства на
компьютере супервизорног о управления в
программе RViz .

62 Национальная ассоциация ученых (НАУ) # 50 , 201 9
Рис 10. Карта местности в программе RViz .

Выводы
Алгоритмы семейства SLAM могут быть
использованы в системе на вигации
робототехнических систем на поверхности Луны,
где о тсутствуют спутниковые системы навигации,
а управлен ие с Земли ослож няется задержкой
сигнала порядка 3 секунд. Применение алгоритмов
SLAM в системе навигации робота позволит
задавать с Земли только точку н азначения.
Программная платформа ROS упрощает
реали зацию алгоритмов семейства SLAM и
управления роботом .
Для получения более плотного облака точек
могут быть использованы многолучевые лидары,
например, Velodyne VLP 32 c, Ouster OS 1-64.
Для получения цветов облака точек может
быть использована стереосистема камер или
омникамера, например, Ladybug 5+.

Литерату ра
1. А. В. Сидоров , Д. В. Щеголькова,
«Освоение Луны: политика, коммерческий интерес
или научные исследования»
2. O. Saprykin. About actual robots for scientific
research of Moon and creation of a circumlunar
infrastructure. / The 8th CSA -IAA Conference on
Adva nced S pace Techn ology. Shanghai, China, 2019.
3. Котов К.Ю., Мальцев А.С., Соболев М.А.
«Метод решения задачи одновременной
локализации и построения карты при движении
автономного мобильного робота»
4. WHY ROS? // ROS.ORG. [Электрон.
ресурс]. Режим доступа: http ://www.ros.org/i s-ros -
for -me/ (дата обращения 15.08.2019)
5. Joseph L. Mastering ROS for robotics
programming. Packt Publish ing Ltd., p. 67
6. SolidWor ks to URDF Exporter //
WIKI.ROS.ORG. [ Электрон . ресурс ]. Ре жим
доступа: http://wiki.ros.org/sw_urdf_exporter (дата
обращения 16 .08.2019)
7. Тарачков М.В., Ширкин А.Е., Перминов
И.К. Разработка элементов системы управления
антропоморфны м роботом АР -601. Издате льство
БФУ им. И. Канта, 2018. С. 368
8. Mahtani A., Sanchez L ., Fernandez E.,
Martinez A. Effective Robotics Prog ramming with
ROS . Packt Publishing Ltd., 2016, p. 104
9. Перминов И.К. Разработка модели,
имитирующей работу видеокамер и ли дара для
системы распозн авания образов. Сборник статей
XV Международной научно -прак тической
конференции. В 2 ч. Ч. 1. С 11.