МЕТОД ОДНОЧАСНОЇ ЛОКАЛІЗАЦІЇ ТА КАРТОГРАФУВАННЯ ДЛЯ ПОБУДОВИ 2,5D-КАРТИ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА ЗАСОБАМИ ROS

Метод SLAM (одночасної локалізації та картографування) на сьогодні є актуальною темою для досліджень і розвитку в галузі робототехніки та комп’ютерного зору. SLAM широко застосовується в різних сферах, зокрема автономної навігації інтелектуальних роботів. З допомогою цього методу розв’язуються проблеми в розширеній і віртуальній реальності, БПЛА та інших систем. За останні роки SLAM здобув значні досягнення завдяки поступовому розвитку його алгоритмів, використанню новітніх датчиків, а також покращенню обчислювальної потужності комп’ютерів. Предметом дослідження є сучасні методи одночасної локалізації та картографування в режимі реального часу. Мета роботи – моделювання розробленого алгоритму для побудови карт навколишнього середовища та визначення місця розташування й орієнтації інтелектуального робота в просторі в режимі реального часу за допомогою пакетів ROS. Завдання статті – демонстрація результатів поєднання методів SLAM та розроблення нових підходів до розв’язання проблем одночасної локалізації та картографування. Для досягнення поставлених завдань використано комбінацію методів лазерного сканування (2D LRF) та глибинного відтворення зображень (RGB-D) для одночасної локалізації та картографування інтелектуального робота та побудови 2,5D-карти середовища. Здобуті результати є обнадійливими та демонструють перспективність роботи об’єднаних методів SLAM, що застосовуються разом для забезпечення й очного виконання одночасної локалізації та картографування інтелектуальних роботів у режимі реального часу. Запропонований метод дає змогу враховувати висоти перешкод у побудові карти навколишнього середовища, витрачаючи менші обчислювальні потужності. У висновку такий підхід розширює технології, не замінюючи наявні робочі пропозиції, й уможливлює використання сучасних методів для всебічного виявлення та розпізнавання довкілля за допомогою ефективного локалізаційного та картографічного підходу, надаючи більш точні результати з використанням менших ресурсів

РОЗРОБКА МОДУЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ОРІЄНТАЦІЇ СУГЛОБА МАНІПУЛЯТОРА І ДОСЛІДЖЕННЯ ЙОГО РОБОТИ

In the field of mechatronic systems, manipulators are often used for automated assembly of products, welding, painting parts and more. An important task is to optimize the travel time along a given trajectory of the manipulator. To solve this problem, it is necessary not only to accurately estimate the speed of the manipulator nodes, but also to provide a linear characteristic of the assessment of the position of the mechanism in a wide range of speeds. The matter of the article are methods for determining the orientation of the joint of the manipulator. The goal of the work is to develop a module for determining the orientation of the joint of the manipulator and study its operation in order to determine the suitability subject of the structure for practical use. The following tasks are solved in the article: to investigate the principles of determining the orientation of the joints of industrial robots; choose the design of the orientation determination module; develop an algorithm for determining the position of the joint at any time; perform experimental studies of the position determination module in order to confirm the suitability of the structure for practical use. The following methods used are: experimental research was conducted on a real object - a model of the manipulator joint, created using methods and tools of 3D prototyping; to determine the position of the joint of the manipulator used methods of processing signals received from sensors; processing of experimental results and calculation of values of errors of positioning of a joint of the manipulator is based on methods of the statistical analysis of random sizes. The following results were obtained: the principles of determining the orientation of the joints of industrial robots were studied; the design is developed and the module of definition of orientation of a joint of the manipulator is created; developed an algorithm for determining the position of the joint at any time; the suitability of the design for practical use has been experimentally confirmed. Conclusions: in this paper, two variants of the sensor design are proposed to determine the absolute angle of rotation of the manipulator joint: resistive and magnetic. The proposed design of the resistive sensor was non-technological and much larger than the design of the magnetic sensor. The data obtained in the process of conducting experimental studies of the proposed method of measuring the angle of rotation of the mechanical gearbox of the manipulator joint indicate a fairly accurate determination of the angle using a magnetic sensor. The calculated measurement error was less than 1.4 degrees. The results of the experiment also showed that in addition to the radial direction of movement of the gearbox of the manipulator joint there is a significant displacement along the working plane, and in some cases, such displacements are chaotic. This is due to some defects and imperfections of the surface of the manufactured parts of the joint model used in research.В области мехатронных систем часто используются работы-манипуляторы для автоматизированной сборки изделий, сварки, окрашивания деталей и т.п. Важной задачей при этом является оптимизация времени движения по заданной траектории манипулятора. Для решения такой задачи необходимо не только точно оценить скорость движения узлов манипулятора, но и обеспечить линейную характеристику оценки позиции механизма в широком диапазоне изменения скоростей. Предметом исследования в статье являются методы определения ориентации сустава манипулятора. Цель работы – разработка модуля для определения ориентации сустава манипулятора и исследования его работы с целью определения пригодности конструкции для практического использования. В статье решаются следующие задачи: исследовать принципы определения ориентации суставов промышленных роботов; выбрать конструкцию модуля определения ориентации; разработать алгоритм определения позиции сустава в любое время; выполнить экспериментальные исследования работы модуля определения позиции с целью подтверждения пригодности конструкции для практического использования. Используются следующие методы: экспериментальные исследования проводились на реальном объекте – модели сустава робота-манипулятора, созданного с помощью методов и средств 3D-прототипирования; для определения положения сустава манипулятора использовались методы обработки сигналов, полученных от датчиков; обработка результатов экспериментов и расчет погрешностей позиционирования сустава манипулятора основываются на методах статистического анализа случайных величин. Получены следующие результаты: исследованы принципы определения ориентации суставов промышленных роботов; разработана конструкция и создан модуль определения ориентации сустава манипулятора; разработан алгоритм определения позиции сустава в любое время; экспериментально подтверждена пригодность конструкции для практического использования. Выводы: в данной работе предложены два варианта конструкции датчика для определения абсолютного угла поворота сустава манипулятора: резистивный и магнитный. Предложенная конструкция резистивного датчика оказалась нетехнологичной и намного больше по размерам, чем конструкция магнитного датчика. Полученные в процессе проведения экспериментальных исследований предлагаемого метода измерения угла поворота механического редуктора сустава манипулятора данные свидетельствуют о точном определении угла с помощью магнитного датчика. Рассчитанная погрешность измерений составляла менее 1,4 градуса. Также результаты эксперимента показали, что помимо радиального направления движения редуктора сустава манипулятора происходит существенное смещение вдоль рабочей плоскости, причем в некоторых случаях такие смещения носят хаотический характер. Это обуславливается некоторыми дефектами и несовершенством поверхности изготовленных деталей модели сустава, которые использовались в исследованиях.В галузі мехатронних систем часто використовуються роботи-маніпулятори для автоматизованого збирання виробів, зварювання, фарбування деталей тощо. Важливим завданням при цьому є оптимізація часу руху по заданій траєкторії маніпулятора. Для вирішення такого завдання, необхідно не тільки точно оцінити швидкість руху вузлів маніпулятору, але і забезпечити лінійну характеристику оцінки позиції механізму в широкому діапазоні зміни швидкостей. Предметом дослідження в статті є методи визначення орієнтації суглобу маніпулятора. Мета роботи – розробка модуля визначення орієнтації суглобу маніпулятору і дослідження його роботи з метою визначення придатності конструкції для практичного використання. В статті вирішуються наступні завдання: дослідити принципи визначення орієнтації суглобів промислових роботів; обрати конструкцію модуля визначення орієнтації; розробити алгоритм визначення позиції суглобу в будь-який час; виконати експериментальні дослідження роботи модуля визначення позиції з метою підтвердження придатності конструкції для практичного використання. Використовуються такі методи: експериментальні дослідження проводилися на реальному об’єкті – моделі суглобу робота-маніпулятора, створеного за допомогою методів і засобів 3D-прототипування; для визначення положення суглобу маніпулятора використовувалися методи обробки сигналів, отриманих від датчиків; обробка результатів експериментів і розрахунок величин похибок позиціонування суглобу маніпулятора базується на методах статистичного аналізу випадкових величин. Отримано наступні результати: досліджено принципи визначення орієнтації суглобів промислових роботів; розроблено конструкцію і створено модуль визначення орієнтації суглобу маніпулятора; розроблено алгоритм визначення позиції суглобу в довільний час; експериментально підтверджено придатність конструкції для практичного використання. Висновки: в даній роботі запропоновано два варіанта конструкції датчика для визначення абсолютного куту оберту суглоба маніпулятора: резистивний і магнітний. Запропонована конструкція резистивного датчика виявилася нетехнологічною і набагато більша за розмірами ніж конструкція магнітного датчика. Отримані в процесі проведення експериментальних досліджень запропонованого методу вимірювання куту оберту механічного редуктора суглобу маніпулятора дані свідчать про досить точне визначення кута за допомогою магнітного датчика. Розрахована похибка вимірювань становила менше 1,4 градуси. Також результати експерименту показали, що крім радіального напрямку руху редуктора суглобу маніпулятора відбувається істотне зміщення вздовж робочої площини, причому в деяких випадках такі зміщення мають хаотичний характер. Це обумовлюється деякими дефектами і недосконалістю поверхні виготовлених деталей моделі суглобу, що використовувалися у дослідженнях

РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО МОДУЛЯ ОПЕРАТИВНО-ДИСПЕТЧЕРСЬКОГО КОНТРОЛЮ ВИРОБНИЦТВА НА БАЗІ КІБЕР-ФІЗИЧНИХ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ

The subject of research in the article is production management processes based on cyber-physical systems. The purpose of the work is to automate the management of production processes using the cybernetic component and analyze the results. To achieve this goal, it is necessary to solve the following tasks: develop an analytical and logical model of the CPPS development management process taking into account the requirements specified in the terms of reference for the development CPPS; to present the analytical and logical structure of connections in the form of a model of interaction of the main windows and all the necessary graphical elements for the implementation of the full-featured interface of the developed CPPS; to carry out experimental researches of efficiency and practical approbation of the received theoretical results, by comparison of classical methods and the developed ones. Results: The targets, physical and cybernetic components of the CPPS development management process were combined in a single information space from the beginning of development to its implementation. The process of checking the achievement of the main goal of CPPS development has been automated, which makes it possible to make changes and manage the CPPS development process at any level and stage of the proposed technology. The process of managing the development of the cybernetic component is automated on the basis of synthesized algorithms of functioning using the GUI elements of object-oriented programming languages, which made it possible to increase the flexibility of the proposed architecture and technologies for automating the CPPS development process and to reduce the development time of the cybernetic component. Conclusions: the proposed models and methods will not only automate the process of managing the development of CPPS from scratch, but will also make it possible to automate the process of managing the development of the cybernetic component for the modernization and improvement of existing CPPS.Предметом исследования в статье являются процессы управления производством на базе кибер-физических систем. Цель работы – автоматизация управления производственными процессами с помощью кибернетической составляющей и анализ полученных результатов. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: разработать аналитически-логическую модель процесса управления разработкой CPPS с учетом требований указанных в техническом задании на разрабатываемый CPPS; представить аналитически-логическую структуру связей в виде модели взаимодействия основных окон и всех необходимых графических элементов для реализации полнофункционального интерфейса разрабатываемой CPPS; провести экспериментальные исследования эффективности и практической апробации полученных теоретических результатов, путем сравнения классических методов и разработанных. Результаты: Объединены целевые, физические и кибернетические составляющие процесса управления разработки CPPS в едином информационном пространстве от начала разработки до его внедрения. Автоматизирован процесс проверки достижения главной цели разработки CPPS, который дает возможность вносить изменения и управлять процессом разработки CPPS на любом уровне и этапе предлагаемой технологии. Автоматизирован процесс управления разработки кибернетической составляющей на базе синтезированных алгоритмов функционирования с использованием GUI элементов объектно-ориентированных языков программирования, что позволило увеличить гибкость предложенной архитектуры и технологий автоматизации процесса разработки CPPS и сократить время разработки кибернетической составляющей. Выводы: предложенные модели и методы позволят не только автоматизировать процесс управления разработкой CPPS с "нуля", но и даст возможность автоматизировать процесс управления разработкой кибернетической составляющей для модернизации и усовершенствования уже существующих CPPS.Предметом дослідження в статті є процеси керування виробництвом на базі кібер-фізичних систем. Мета роботи – автоматизація керування виробничими процесами за допомогою кібернетичної складової і аналіз отриманих результатів. Для досягнення поставленої мети необхідне вирішення наступних завдань: розробити аналітично-логічну модель процесу управління розробкою CPPS з урахуванням вимог зазначених в технічному завданні на розроблювальний CPPS; представити аналітично-логічну структуру зв'язків у вигляді моделі взаємодії основних вікон і всіх необхідних графічних елементів для реалізації повнофункціонального інтерфейсу розроблюваної CPPS; провести експериментальні дослідження ефективності та практичну апробацію отриманих теоретичних результатів, шляхом порівняння класичних методів та розроблених. Результати: Об'єднано цільові, фізичні та кібернетичні складові процесу управління розробки CPPS в єдиному інформаційному просторі від початку розробки до його впровадження. Автоматизовано процес перевірки досягнення головної мети розробки CPPS, який дає можливість вносити зміни і керувати процесом розробки CPPS на будь-якому рівні і етапі запропонованої технології. Автоматизовано процес управління розробки кібернетичної складової на базі синтезованих алгоритмів функціонування з використанням GUI елементів об'єктно-орієнтованих мов програмування, що дало можливість збільшити гнучкість запропонованої архітектури і технологій автоматизації процесу розробки CPPS та скоротити час розробки кібернетичної складової. Результати наукових і теоретичних досліджень впроваджено в освітній процесс, у виробничий процес ряду державних і приватних підприємств, також викладені рішення захищені авторськими свідоцтвами. Висновки: запропоновані моделі та методи дозволять не тільки автоматизувати процес управління розробкою CPPS з "нуля", а й дасть можливість автоматизувати процес управління розробкою кібернетичної складової для модернізації і удосконалення вже існуючих CPPS

РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО МОДУЛЯ ОПЕРАТИВНО-ДИСПЕТЧЕРСЬКОГО КОНТРОЛЮ ВИРОБНИЦТВА НА БАЗІ КІБЕР-ФІЗИЧНИХ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ

The subject of research in the article is production management processes based on cyber-physical systems. The purpose of the work is to automate the management of production processes using the cybernetic component and analyze the results. To achieve this goal, it is necessary to solve the following tasks: develop an analytical and logical model of the CPPS development management process taking into account the requirements specified in the terms of reference for the development CPPS; to present the analytical and logical structure of connections in the form of a model of interaction of the main windows and all the necessary graphical elements for the implementation of the full-featured interface of the developed CPPS; to carry out experimental researches of efficiency and practical approbation of the received theoretical results, by comparison of classical methods and the developed ones. Results: The targets, physical and cybernetic components of the CPPS development management process were combined in a single information space from the beginning of development to its implementation. The process of checking the achievement of the main goal of CPPS development has been automated, which makes it possible to make changes and manage the CPPS development process at any level and stage of the proposed technology. The process of managing the development of the cybernetic component is automated on the basis of synthesized algorithms of functioning using the GUI elements of object-oriented programming languages, which made it possible to increase the flexibility of the proposed architecture and technologies for automating the CPPS development process and to reduce the development time of the cybernetic component. Conclusions: the proposed models and methods will not only automate the process of managing the development of CPPS from scratch, but will also make it possible to automate the process of managing the development of the cybernetic component for the modernization and improvement of existing CPPS.Предметом исследования в статье являются процессы управления производством на базе кибер-физических систем. Цель работы – автоматизация управления производственными процессами с помощью кибернетической составляющей и анализ полученных результатов. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: разработать аналитически-логическую модель процесса управления разработкой CPPS с учетом требований указанных в техническом задании на разрабатываемый CPPS; представить аналитически-логическую структуру связей в виде модели взаимодействия основных окон и всех необходимых графических элементов для реализации полнофункционального интерфейса разрабатываемой CPPS; провести экспериментальные исследования эффективности и практической апробации полученных теоретических результатов, путем сравнения классических методов и разработанных. Результаты: Объединены целевые, физические и кибернетические составляющие процесса управления разработки CPPS в едином информационном пространстве от начала разработки до его внедрения. Автоматизирован процесс проверки достижения главной цели разработки CPPS, который дает возможность вносить изменения и управлять процессом разработки CPPS на любом уровне и этапе предлагаемой технологии. Автоматизирован процесс управления разработки кибернетической составляющей на базе синтезированных алгоритмов функционирования с использованием GUI элементов объектно-ориентированных языков программирования, что позволило увеличить гибкость предложенной архитектуры и технологий автоматизации процесса разработки CPPS и сократить время разработки кибернетической составляющей. Выводы: предложенные модели и методы позволят не только автоматизировать процесс управления разработкой CPPS с "нуля", но и даст возможность автоматизировать процесс управления разработкой кибернетической составляющей для модернизации и усовершенствования уже существующих CPPS.Предметом дослідження в статті є процеси керування виробництвом на базі кібер-фізичних систем. Мета роботи – автоматизація керування виробничими процесами за допомогою кібернетичної складової і аналіз отриманих результатів. Для досягнення поставленої мети необхідне вирішення наступних завдань: розробити аналітично-логічну модель процесу управління розробкою CPPS з урахуванням вимог зазначених в технічному завданні на розроблювальний CPPS; представити аналітично-логічну структуру зв'язків у вигляді моделі взаємодії основних вікон і всіх необхідних графічних елементів для реалізації повнофункціонального інтерфейсу розроблюваної CPPS; провести експериментальні дослідження ефективності та практичну апробацію отриманих теоретичних результатів, шляхом порівняння класичних методів та розроблених. Результати: Об'єднано цільові, фізичні та кібернетичні складові процесу управління розробки CPPS в єдиному інформаційному просторі від початку розробки до його впровадження. Автоматизовано процес перевірки досягнення головної мети розробки CPPS, який дає можливість вносити зміни і керувати процесом розробки CPPS на будь-якому рівні і етапі запропонованої технології. Автоматизовано процес управління розробки кібернетичної складової на базі синтезованих алгоритмів функціонування з використанням GUI елементів об'єктно-орієнтованих мов програмування, що дало можливість збільшити гнучкість запропонованої архітектури і технологій автоматизації процесу розробки CPPS та скоротити час розробки кібернетичної складової. Результати наукових і теоретичних досліджень впроваджено в освітній процесс, у виробничий процес ряду державних і приватних підприємств, також викладені рішення захищені авторськими свідоцтвами. Висновки: запропоновані моделі та методи дозволять не тільки автоматизувати процес управління розробкою CPPS з "нуля", а й дасть можливість автоматизувати процес управління розробкою кібернетичної складової для модернізації і удосконалення вже існуючих CPPS