RU2730666C1

RU2730666C1 - Autonomous mobile robot platform for snow cleaning

Info

Publication number: RU2730666C1
Application number: RU2019130141A
Authority: RU
Inventors: Алексей Григорьевич Окунев; Александр Дмитриевич Назаров; Игорь Анатольевич Козулин; Андрей Николаевич Чернявский; Роман Анатольевич Горбань; Денис Борисович Кочетков; Игорь Николаевич Машков
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2020-08-24

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to robotic snow removal equipment and can be used for snow removal from streets, from pedestrian paths and sidewalks, as well as for cleaning of any other garbage, for example, tree leaves, in autumn time. Autonomous mobile robot platform for snow cleaning consists of self-propelled wheeled vehicle with accumulator, running motors and ladle. Platform comprises a control unit, a computer with internal memory, to which an ultrasonic location sensor, video cameras, encoders, reed relays are connected, and has a charging system, a computer vision system, infrared sensors and microcontrollers. In the robotic platform there are 9 autonomous motors, a program-electronic pattern recognition system. Wheels of the device operate in autonomous mode, and the maximum turning angle of each of the four wheels is 130 degrees.

EFFECT: invention provides improved manoeuvrability of the robot snowplower and its autonomous operation round the clock, in any terrain, in any weather conditions and changes in terrain or obstacles.

1 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к роботизированной снегоуборочной технике и может быть использовано для уборки снега с улиц, с пешеходных дорожек и тротуаров, а также для уборки любого другого мусора, например, листьев деревьев, в осеннее время.The present invention relates to robotic snow removal equipment and can be used to remove snow from streets, from footpaths and sidewalks, as well as to remove any other debris, such as tree leaves, in the autumn.

Известна система беспроводного управления снегоочистителем [1], содержащая транспортное средство и блок управления транспортным средством, состоящий из компьютера, блока памяти и приемопередатчика.Known system for wireless control of a snowplow [1], containing a vehicle and a vehicle control unit, consisting of a computer, a memory unit and a transceiver.

Система беспроводного управления снегоочистителем в этом изобретении устанавливается на транспортном средстве и содержит пульт дистанционного управления, модуль управления плугом, установленный на снегоочистителе и содержащий соответствующий приемопередатчик; модуль управления транспортным средством, установленный на транспортном средстве и включающий в себя соответствующий приемопередатчик, который осуществляет беспроводную связь с приемопередатчиком модуля управления плугом.The wireless snow blower control system of this invention is installed on a vehicle and comprises a remote control; a plow control module mounted on the snow blower and containing a corresponding transceiver; a vehicle control module mounted on the vehicle and including a corresponding transceiver that wirelessly communicates with the transceiver of the plow control module.

Недостаток данного устройства заключается в необходимости работы оператора, малой маневренности.The disadvantage of this device is the need for operator work, low maneuverability.

Известен робот-снегоуборщик [2] на основе автономного робототехнического устройства, установленного на самоходную колесную машину, содержащий блок управления, включающий в свой состав компьютер (центральный процессор), запоминающее устройство и приемно-передающее устройство, а также связанные с компьютером блок управления, датчик близости и устройство тревожной сигнализации.Known robotic snow blower [2] based on an autonomous robotic device mounted on a self-propelled wheeled vehicle, containing a control unit, including a computer (central processor), a memory device and a receiving and transmitting device, as well as a computer-related control unit, a sensor proximity and alarm device.

Данное автономное робототехническое устройство содержит также шасси; множество колес, установленных на шасси; систему привода, установленную на шасси и функционально связанную с множеством колес; модуль управления, функционально связанный с системой привода; модуль обнаружения осадков, содержащий датчик уровня накопления, выполненный с возможностью генерировать и передавать в модуль управления первый сигнал при обнаружении предварительно определенного начального уровня накопления; и модуль управления, выполненный с возможностью активировать автономное робототехническое устройство для выполнения первого экземпляра рабочей процедуры после приема первого сигнала.This autonomous robotic device also contains a chassis; many wheels mounted on the chassis; a drive system mounted on a chassis and functionally connected to a plurality of wheels; a control module functionally associated with the drive system; a precipitation detection module comprising an accumulation level sensor configured to generate and transmit to the control module a first signal upon detecting a predetermined initial accumulation level; and a control module configured to activate the autonomous robotic device to perform a first instance of an operating procedure upon receiving the first signal.

Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:

- отсутствие возможности объезда препятствия при его обнаружении датчиком близости, то есть при наличии препятствия известный робот-снегоочиститель просто останавливается и прекращает работу;- the inability to bypass the obstacle when it is detected by the proximity sensor, that is, if there is an obstacle, the well-known robot snowplow simply stops and stops working;

- для определения местоположения и ориентации робота-снегоуборщика используется спутниковая навигация, реализованная в виде отдельного блока (LOI), содержащего GPS-датчик, компас и акселерометр. Однако спутниковой навигации присущи характерные недостатки. Самым явным недостатком использования любой такой системы является то, что до приемника при определенных условиях сигнал может и не доходить либо приходить, но со значительными задержками или искажениями. Большая облачность, характерная для снегопада, также может ухудшать прием сигнала со спутников. Сигнал GPS могут также исказить помехи, возникающие в результате магнитных бурь, или помехи от наземных источников радиосигнала. Все это влияет на точность движения робота-снегоуборщика, а также на надежность и качество его работы.- satellite navigation is used to determine the location and orientation of the snow blower robot, implemented as a separate unit (LOI) containing a GPS sensor, a compass and an accelerometer. However, satellite navigation has inherent disadvantages. The most obvious disadvantage of using any such system is that, under certain conditions, the signal may not reach the receiver or may arrive, but with significant delays or distortions. Heavy cloudiness, typical for snowfall, can also impair signal reception from satellites. The GPS signal can also be distorted by interference from magnetic storms or interference from ground-based radio sources. All this affects the accuracy of the movement of the snow blower robot, as well as the reliability and quality of its work.

Известна система и способ для ведения автоматического очистительного устройства по траектории [3]. Устройство содержит базовую станцию, включающую в себя передатчик с возможностью передачи направляющего сигнала в область приема направляющего сигнала, пространственно ограниченную посредством по меньшей мере одного граничного участка; мобильного робота, включающего в себя приводную систему, выполненную с возможностью перемещения этого робота по полу; два расположенных по соседству друг от друга датчика направляющего сигнала, каждый из которых выполнен с возможностью генерации опорного сигнала, который отражает прием этим датчиком этого направляющего сигнала; и контроллер, который оперативно подключается к этой приводной системе и этим датчикам направляющего сигнала, и выполнен с возможностью управления этой приводной системой для перемещения этого робота вдоль этого по меньшей мере одного граничного участка этой области приема направляющего сигнала.The known system and method for conducting an automatic cleaning device along the trajectory [3]. The device comprises a base station including a transmitter capable of transmitting a guide signal to a guide signal receiving region spatially limited by at least one boundary portion; a mobile robot including a drive system configured to move the robot across the floor; two adjacent guide signal sensors, each of which is configured to generate a reference signal that reflects the sensor's reception of the guide signal; and a controller that is operatively connected to this drive system and these guide signal sensors, and is configured to control this drive system to move the robot along this at least one boundary portion of this guide signal receiving region.

Недостатками данной системы является малая мобильность робота, ограниченность его работы наперед заданным участком, невозможность реагирования на изменение обстановки.The disadvantages of this system are the low mobility of the robot, the limitedness of its work in a predetermined area, the impossibility of responding to changes in the situation.

Наиболее близким аналогом к данной полезной модели является робот-снегоуборщик [4], состоящий из самоходной колесной машины, содержащий блок управления, включающий в свой состав компьютер с внутренней памятью, к которому подключены датчик близости, устройство тревожной сигнализации и приемно-передающее устройство.The closest analogue to this utility model is a snow blower robot [4], which consists of a self-propelled wheeled vehicle containing a control unit that includes a computer with internal memory to which a proximity sensor, an alarm device and a transmitting and receiving device are connected.

Недостатком данного изобретения является низкая маневренность и необходимость использования базовых приемно-передающих устройств, располагаемых по периметру обрабатываемого участка, обеспечивающих связь по соответствующим радиоканалам с приемно-передающим устройством блока управления.The disadvantage of this invention is the low maneuverability and the need to use basic transmitting and receiving devices located along the perimeter of the treated area, providing communication via appropriate radio channels with the receiving and transmitting device of the control unit.

Целью данного изобретения ли является улучшение маневренности робота-снегоуборщика и обеспечение автономной работы робота-снегоуборщика круглосуточно, в любой местности, при любых метеоусловиях и изменениях рельефа местности или появления препятствий.The purpose of this invention is to improve the maneuverability of the robot snow blower and ensure the autonomous operation of the robot snow blower around the clock, in any area, under any weather conditions and changes in the terrain or the appearance of obstacles.

Поставленная задача решается тем, что автономная мобильная робототехническая платформа для очистки снега, состоящая из самоходной колесной машины, на которой размещен аккумулятор, ходовые двигатели и ковш, содержащая блок управления, компьютер с внутренней памятью, к которому подключены ультразвуковой локационный датчик, видеокамеры, энкодеры, герконы, имеющая систему подзарядки, систему компьютерного зрения, инфракрасные датчики, микроконтроллеры, оснащена 9 автономными двигателями, имеется программно-электронная система распознавания образов, максимальный угол разворота каждого из четырех колес составляет 130 градусов.The problem is solved by the fact that an autonomous mobile robotic platform for cleaning snow, consisting of a self-propelled wheeled vehicle, which houses a battery, propulsion motors and a bucket containing a control unit, a computer with internal memory, to which an ultrasonic location sensor, video cameras, encoders are connected, reed switches, which have a recharging system, a computer vision system, infrared sensors, microcontrollers, is equipped with 9 autonomous motors, there is a software-electronic pattern recognition system, the maximum angle of rotation of each of the four wheels is 130 degrees.

Данное изобретение позволит автоматизировать уборку снега на небольших площадках, парковках, тротуарах города и дорожках общего пользования при умеренных снегопадах. Устройство может быть применено для уборки от снега территории многоквартирных или частных домов. Малые размеры мобильной автономной робототехнической платформы позволят использовать ее на территориях со сложной геометрией территории, где применение снегоуборочных машин экономически невыгодно.This invention will make it possible to automate snow removal on small areas, parking lots, city sidewalks and public paths during moderate snowfalls. The device can be used to remove snow from the territory of apartment buildings or private houses. The small size of the mobile autonomous robotic platform will make it possible to use it in areas with complex geometries, where the use of snowblowers is economically unprofitable.

Автономная мобильная робототехническая платформа способна выполнять поставленную задачу в ручном и беспилотном режиме без непосредственного контроля человеком за работой. Устройство оборудовано необходимыми датчиками и видеокамерами, что позволит выполнять задачи по уборке снега (или листьев) в ночное и дневное время в помещениях или на открытом пространстве. Очистка снега может производиться до 3-х часов, после чего робототехническая платформа будет автоматически подзаряжаться и продолжит выполнять поставленную задачу. Экономическая и социальная эффективность устройства заключается в повышении эффективности и качестве выполняемых работ по уборке снега за счет автоматизации и системы распознавания образов.An autonomous mobile robotic platform is capable of performing a task in manual and unmanned mode without direct human control over the work. The device is equipped with the necessary sensors and video cameras, which will allow you to perform tasks of removing snow (or leaves) at night and during the day, indoors or outdoors. Snow can be cleared for up to 3 hours, after which the robotic platform will automatically recharge and continue to perform the task. The economic and social efficiency of the device lies in increasing the efficiency and quality of the snow removal work performed through automation and a pattern recognition system.

Задача изобретения заключается в возможности уборки снега с использованием полноприводного малого автоматизированного колесного робота при помощи фронтального ковша.The objective of the invention is the possibility of snow removal using an all-wheel drive small automated wheeled robot using a front bucket.

Технический результат, который достигается при помощи изобретения, заключается в возможности автоматизации уборки снега для небольших территорий или площадок города. Пакетом программного обеспечения полезной модели осуществляется поддержка беспилотного режима работы устройства через сеть Wi-Fi. Автоматизация работы робота будет осуществлена на принципе компьютерного зрения/машинного обучения, что позволит автономной мобильной робототехнической платформе с помощью видеокамеры и датчиков ориентироваться на местности по специальным меткам или знакам и контролю расстояний до ближайших препятствий. Механизмы робота имеют электрические приводы и поэтому работают практически бесшумно. Уборка снега по мере его выпадения позволяет избежать смерзания снега и, как результат, позволит с меньшими усилиями добиться очистки территории.The technical result, which is achieved with the help of the invention, is the ability to automate snow removal for small areas or city sites. The utility model software package supports the unmanned operation of the device via a Wi-Fi network. Automation of the robot's work will be carried out on the principle of computer vision / machine learning, which will allow an autonomous mobile robotic platform using a video camera and sensors to navigate the terrain using special marks or signs and control the distance to the nearest obstacles. The mechanisms of the robot are electrically driven and therefore operate almost silently. Removing snow as it falls allows you to avoid freezing snow and, as a result, will allow you to clean up the area with less effort.

Строение предлагаемого устройства поясняется на фиг. 1, на котором изображено шасси электромеханическое, габаритный чертеж автономной мобильной робототехнической платформы для очистки снега. Данное изобретение состоит из механико-электрической и программно-электронной составляющих.The structure of the proposed device is illustrated in Fig. 1, which shows an electromechanical chassis, a dimensional drawing of an autonomous mobile robotic platform for cleaning snow. This invention consists of mechanical-electrical and software-electronic components.

В механико-электрическую часть изобретения включена опорная рама (1), на которую установлен аккумулятор (2), поворотные (3) и ходовые двигатели (4) и ковш (5). В качестве поворотных и ходовых двигателей используются мотор-редукторы стеклоочистителя ВАЗ-2108. Технические характеристики мотор-редуктора: номинальное напряжение - 12 В, номинальная мощность - 10 Вт, максимальный ток - 3.5-5.0 А, номинальная частота вращения - от 30-40 мин-1 до 55-70 мин-1. Всего в конструкции используется 9 двигателей: по два двигателя на каждую из четырех сторон робототехнической платформы и один двигатель (ДК) для подъема и опускания ковша (6).The mechanical-electrical part of the invention includes a support frame (1) on which an accumulator (2), rotary (3) and travel motors (4) and a bucket (5) are installed. VAZ-2108 windshield wiper geared motors are used as rotary and propulsion motors. Technical characteristics of the geared motor: rated voltage - 12 V, rated power - 10 W, maximum current - 3.5-5.0 A, rated speed - from 30-40 min-1 to 55-70 min-1. A total of 9 engines are used in the design: two engines on each of the four sides of the robotic platform and one engine (DC) for raising and lowering the bucket (6).

Общая высота платформы составила 1,06 м, габаритная длина вместе с ковшом составляет 1,21 м, габаритная ширина платформы определяется шириной ковша и равна 0,93 м. Угол разворота каждого из четырех колес составляет 130°, что позволит эффективно управлять конструкцией на местности и проходить препятствия с малым радиусом поворота.The total platform height was 1.06 m, the overall length with the bucket is 1.21 m, the overall platform width is determined by the bucket width and is equal to 0.93 m.The angle of rotation of each of the four wheels is 130 °, which will effectively control the structure on the ground and pass obstacles with a small turning radius.

На фиг. 2 представлена схема расположения датчиков и детектирующих элементов движения на роботизированной автономной робототехнической платформе. На данной схеме приведены: передние двигатели поворотные (3) и ходовые (4): (ДХ-ПЛ, ДП-ПЛ, ДХ-ПП, ДП-ПП); задние двигатели поворотные (3) и ходовые (4): (ДХ-ЗЛ, ДП-ЗЛ, ДХ-ЗП, ДП-ЗП) и двигатель ковша (ДК). Маркировкой (ПЦ, ПП, П, ЗП, ЗЦ, ЗЛ, ЦЛ, ПЛ) приведено место расположения датчиков, для регистрации объектов на расстоянии от 1 метра от роботизированной платформы. Здесь расположены 8 ультразвуковых датчиков, и 4 дальних инфракрасных датчика Sharp GP2Y0A710K0F (1 - 5.5 м). Маркировкой (ИКС-ПЛ, ИКС-ПП, ИКС-ЗЛ, ИКС-ЗП) приведены инфракрасные датчики средней дальности Sharp GP2Y0A02YK0F (20-150 см), которые установлены на оси роботизированной автономной робототехнической платформы, что позволит регистрировать препятствия малой высоты, расположенные от снегоуборщика на расстоянии от 20 до 150 см.FIG. 2 shows a diagram of the location of sensors and motion detecting elements on a robotic autonomous robotic platform. This diagram shows: front rotary engines (3) and running (4): (DH-PL, DP-PL, DH-PP, DP-PP); rear rotary engines (3) and running (4): (DH-ZL, DP-ZL, DH-ZP, DP-ZP) and bucket engine (DK). The marking (PC, PP, P, ZP, ZTs, ZL, TsL, PL) shows the location of the sensors for registering objects at a distance of 1 meter from the robotic platform. There are 8 ultrasonic sensors and 4 far infrared Sharp GP2Y0A710K0F sensors (1 - 5.5 m). Marking (IKS-PL, IKS-PP, IKS-ZL, IKS-ZP) shows the Sharp GP2Y0A02YK0F mid-range infrared sensors (20-150 cm), which are installed on the axis of a robotic autonomous robotic platform, which will allow registering low obstacles located from snow blower at a distance of 20 to 150 cm.

Программно-электронная часть включает в себя системы распознавания образов и ввода-вывода информации. На фиг. 3 представлена общая схема расположения базовых элементов программно-электронной части роботизированной платформы. Основным модулем здесь является компьютер или головной модуль (7). Мощность компьютера должна быть достаточной, чтобы обрабатывать информацию с датчиков, а также проводить анализ видеопотока, который будет поступать с установленных видеокамер. Для этой цели используется промышленный миникомпьютер Intel Core 17 В13 i7 7500U с частого процессора - 2.3 ГГц, объемом памяти - 16 Гб и объемом жесткого диска - 512 ГБ, что позволит работать с большими объемами данных. К компьютеру подключены два микроконтроллера STM32F4 Discovery, которые будут обеспечивать контроль за работу двигателей, анализировать данные, поступающие с датчиков. Каждый микроконтроллер STM32F4 Discovery отвечает за работу со своей группой датчиков.The software and electronic part includes image recognition systems and information input-output. FIG. 3 shows the general layout of the basic elements of the software and electronic part of the robotic platform. The main module here is a computer or a head module (7). The power of the computer must be sufficient to process information from the sensors, as well as analyze the video stream that will come from the installed video cameras. For this purpose, an industrial minicomputer Intel Core 17 B13 i7 7500U is used with a frequent processor - 2.3 GHz, memory capacity - 16 GB and hard disk capacity - 512 GB, which will allow working with large amounts of data. Two STM32F4 Discovery microcontrollers are connected to the computer, which will provide control over the operation of the engines, analyze the data received from the sensors. Each STM32F4 Discovery microcontroller is responsible for working with its own group of sensors.

На первый микроконтроллер STM32F4 Discovery будет поступать напряжение с аккумуляторной батареи. Данный микроконтроллер отвечает за работу передних (правых/левых) ходовых и поворотных колес робототехнической платформы. Контроль работы 4-х двигателей осуществляется через два двухканального драйвера Pololu Dual VNH5019 Motor Driver и еще один драйвер будет использовать для контроля работы ковша. Кроме того, осуществляется обработка данных с 4-х энкодеров, отвечающих за расчет скорости/частоты вращения передних ходовых и поворотных двигателей (ЭХ-ПЛ, ЭП-ПЛ, ЭХ-ПП, ЭП-ПП), с 4-х ультразвуковых датчиков (УЗ-ПЦ, УЗ-ЗЦ УЗ-ЦЛ, УЗ-ЦП), с 4-х дальних инфракрасных датчиков (ИКД-ПЦ, ИКД-ЗЦ, ИКД-ЦЛ, ИКД-ЦП) и 2-х инфракрасных датчиков средней дальности (ИКС-ПЛ, ИКС-ПП).The first STM32F4 Discovery microcontroller will receive voltage from the battery. This microcontroller is responsible for the operation of the front (right / left) travel and swing wheels of the robotic platform. The control of the operation of 4 motors is carried out through two two-channel Pololu Dual VNH5019 Motor Driver and one more driver will be used to control the operation of the bucket. In addition, data processing is carried out from 4 encoders responsible for calculating the speed / rotation frequency of the front running and swing motors (EH-PL, EP-PL, EH-PP, EP-PP), from 4 ultrasonic sensors (US -PC, UZ-ZTs UZ-TsL, UZ-TsP), from 4 far infrared sensors (IKD-PC, IKD-ZTs, IKD-TsL, IKD-TsP) and 2 infrared medium-range sensors (IKS- PL, IKS-PP).

Второй микроконтроллер STM32F4 Discovery отвечает за работу задних (правых/левых) ходовых и поворотных колес робототехнической платформы. Контроль работы 4-х двигателей осуществляется через два двухканального драйвера Pololu Dual VNH5019. На микроконтроллере осуществляется обработка данных с 4-х энкодеров, отвечающих за расчет скорости/частоты вращения задних ходовых и поворотных двигателей (ЭХ-ЗЛ, ЭП-ЗЛ, ЭХ-ЗП, ЭП-ЗП), с 4-х ультразвуковых датчиков (УЗ-ПЛ, У3-ПП УЗ-ЗЛ, УЗ-ЗП), с 4-х дальних инфракрасных датчиков (ИКД-ПЛ, ИКД-ПП, ИКД-ЗЛ, ИКД-ЗП) и 2-х средних инфракрасных датчика (ИКС-ПЛ, ИКС-ПП).The second microcontroller STM32F4 Discovery is responsible for the operation of the rear (right / left) travel and swivel wheels of the robotic platform. The operation of 4 motors is monitored via two two-channel Pololu Dual VNH5019 drivers. The microcontroller processes data from 4 encoders responsible for calculating the speed / rotational speed of the rear running and rotary motors (EH-ZL, EP-ZL, EH-ZP, EP-ZP), from 4 ultrasonic sensors (UZ- PL, U3-PP UZ-ZL, UZ-ZP), from 4 far infrared sensors (IKD-PL, IKD-PP, IKD-ZL, IKD-ZP) and 2 medium infrared sensors (IKS-PL, IKS-PP).

Для регистрации крайнего положения колес, при поворотах вправо/влево, используются концевые датчики (герконы), обозначенные на схеме К1 и К2. Концевой датчик установлен и на ковше, для регистрации крайнего верхнего и крайнего нижнего расположения ковша. За обработку информации, поступающей с передних (правых/левых) концевых датчиков (КД-ПЛ, КД-ПП) и концевых датчиков ковша (КД-КП, КД-КО) отвечает первый микроконтроллер STM32F4 Discovery. За обработку информации, поступающей с задних (правых/левых) концевых датчиков (КД-ЗЛ, КД-ЗП) отвечает второй микроконтроллер STM32F4 Discovery.To register the extreme position of the wheels, when turning right / left, end sensors (reed switches) are used, indicated on the diagram K1 and K2. The end sensor is also installed on the bucket to register the extreme upper and extreme lower positions of the bucket. The first STM32F4 Discovery microcontroller is responsible for processing the information coming from the front (right / left) end sensors (KD-PL, KD-PP) and bucket end sensors (KD-KP, KD-KO). The second microcontroller STM32F4 Discovery is responsible for processing the information coming from the rear (right / left) end sensors (KD-ZL, KD-ZP).

Claims

An autonomous mobile robotic platform for clearing snow, consisting of a self-propelled wheeled vehicle, which houses a battery, propulsion motors and a bucket, containing a control unit, a computer with internal memory, to which an ultrasonic location sensor, video cameras, encoders, reed switches are connected, and has a recharging system, a computer vision system, infrared sensors, microcontrollers, characterized by the fact that there are 9 autonomous motors, a program-electronic image recognition system, the wheels of the device work in autonomous mode, the maximum angle of rotation of each of the four wheels is 130 degrees.