RU2794556C1 - Method for remote control of mobile robot with delays in the information transmission channel - Google Patents
Method for remote control of mobile robot with delays in the information transmission channel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794556C1 RU2794556C1 RU2022125046A RU2022125046A RU2794556C1 RU 2794556 C1 RU2794556 C1 RU 2794556C1 RU 2022125046 A RU2022125046 A RU 2022125046A RU 2022125046 A RU2022125046 A RU 2022125046A RU 2794556 C1 RU2794556 C1 RU 2794556C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- operator
- robot
- control
- mobile robot
- state
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Изобретение относится к области робототехники, а именно к системам дистанционного управления наземными мобильными роботами.The invention relates to the field of robotics, namely to remote control systems for ground mobile robots.
Для наземных мобильных робототехнических комплексов характерно преимущественно использование режима дистанционного управления. Применяемые системы управления в общем случае состоят из пульта управления, бортовой системы управления мобильного робота и связывающего их канала передачи данных, проводного или беспроводного.For ground-based mobile robotic systems, the use of the remote control mode is predominantly characteristic. The applied control systems generally consist of a control panel, an onboard control system of a mobile robot and a data transmission channel connecting them, wired or wireless.
В процессе управления человек-оператор постоянно генерирует и отправляет с помощью пульта команды приводам робота, основываясь на получаемой от робота информации, включая видеоизображение с установленных на нем телевизионных камер. Наличие временных задержек передачи информации значительно снижает эффективность выполнения задач. Когда задержки постоянны во времени и достаточно малы (различные экспериментальные данные определяют порог в пределах 200-400 миллисекунд), оператор может к ним адаптироваться, предсказывая результат выполнения своих команд. При увеличении задержек, а также их непостоянстве, оператор, чрезмерно корректируя скорость и направление движения робота, начинает выдавать ошибочные команды. Это снижает эффективность управления, а в некоторых случаях может стать причиной потери устойчивости системы управления.During the control process, the human operator constantly generates and sends commands to the robot drives using the remote control, based on the information received from the robot, including the video image from the television cameras installed on it. The presence of time delays in the transmission of information significantly reduces the efficiency of tasks. When the delays are constant in time and small enough (various experimental data determine the threshold in the range of 200-400 milliseconds), the operator can adapt to them, predicting the result of executing his commands. With an increase in delays, as well as their inconsistency, the operator, excessively adjusting the speed and direction of the robot, begins to issue erroneous commands. This reduces the efficiency of control, and in some cases may cause loss of stability of the control system.
Временные задержки, возникающие в системе управления, имеют различную природу и могут быть разделены на несколько групп:Time delays that occur in the control system are of a different nature and can be divided into several groups:
- задержки передачи и выполнения команд управления, вызванные временем, необходимым на обработку данных, получаемых с джойстика, передачу информации между электронными узлами пульта, передачу информации по каналу связи, получение и обработку поступивших команд бортовой системой управления. Типичные значения составляют от 50 до 100 миллисекунд;- delays in the transmission and execution of control commands caused by the time required for processing data received from the joystick, transmitting information between the electronic nodes of the console, transmitting information via a communication channel, receiving and processing the received commands by the on-board control system. Typical values are 50 to 100 milliseconds;
- задержки передачи видео, определяемые временем, необходимым для получения видеоизображения телевизионной камерой мобильного робота, его обработки, наложения технической информации, цифрового сжатия, передачи по каналу связи, предварительной обработки на пульте и отображения на мониторе. Типичные значения составляют от 200 до 500 миллисекунд в зависимости от типа камер и формата видео;- video transmission delays, determined by the time required for receiving a video image by a television camera of a mobile robot, processing it, overlaying technical information, digital compression, transmission over a communication channel, pre-processing on the remote control and displaying on a monitor. Typical values are between 200 and 500 milliseconds depending on camera type and video format;
- задержки, обусловленные применением ретрансляторов сигналов, сетей с ячеистой топологией и пр.;- delays due to the use of signal repeaters, networks with mesh topology, etc.;
- задержки, обусловленные использованием в составе системы специализированных модулей, например, блоков криптографической защиты информации;- delays due to the use of specialized modules as part of the system, for example, blocks of cryptographic information protection;
- задержки, вызванные потерей пакетов между мобильным роботом и пультом управления, требующей повторной передачи данных.- delays caused by packet loss between the mobile robot and the control panel, requiring retransmission of data.
Последние три группы способны оказать существенное влияние на суммарное время задержки в системе управления, не только увеличив его вплоть до единиц секунд, но и сделав непостоянным во времени.The last three groups can have a significant impact on the total delay time in the control system, not only increasing it up to a few seconds, but also making it variable in time.
Уровень техникиState of the art
Существует достаточно большое количество работ, связанных с проблемами управления в условиях действия временных задержек.There is a fairly large number of works related to control problems under the action of time delays.
Известен способ и система управления, описанные в публикации (Toward safe and stable time-delayed mobile robot teleoperation through sampling-based path planning / Nieto J. [et al.] // Robotica. - 2012. - Vol.30. - No. 3. - Pp.351 - 361. - DOI: 10.1017/S0263574711000695). Предлагаемая схема управления построена на основе вероятностного планировщика пути, который, в сочетании с модулем прогнозирования с переменным временем выборки, позволяет оператору осуществлять управление движением мобильного робота без столкновений с препятствиями при наличии непостоянных временных задержек.Known method and control system described in the publication (Toward safe and stable time-delayed mobile robot teleoperation through sampling-based path planning / Nieto J. [et al.] // Robotica. - 2012. - Vol. 30. - No. 3. - Pp.351 - 361. - DOI: 10.1017/S0263574711000695). The proposed control scheme is based on a probabilistic path planner, which, in combination with a variable sampling time prediction module, allows the operator to control the movement of a mobile robot without collision with obstacles in the presence of non-constant time delays.
Существенным недостатком технического решения является возможность его использования лишь в структурированной среде при условии применения дальномеров, предоставляющих информацию о расстоянии до объектов-препятствий. Включение дальномеров в состав системы управления усложняет и удорожает ее реализацию.A significant drawback of the technical solution is the possibility of its use only in a structured environment, subject to the use of rangefinders that provide information on the distance to obstacle objects. The inclusion of rangefinders in the control system complicates and increases the cost of its implementation.
Для мобильных роботов, действующих в реальной обстановке, основными препятствиями, представляющими угрозу, являются перепады высот, места с неподходящими для движения поверхностями и другие особенности рельефа. Обнаружение таких препятствий с помощью только дальномеров сильно затруднено, а применение интеллектуальных средств технического зрения еще больше усложняет систему управления и не всегда возможно.For mobile robots operating in a real environment, the main obstacles that pose a threat are elevation changes, places with unsuitable surfaces for movement, and other terrain features. The detection of such obstacles using only rangefinders is very difficult, and the use of intelligent technical vision tools further complicates the control system and is not always possible.
Также к недостаткам в данном случае можно отнести повышенный уровень автономности системы. Оператор лишь непрерывно задает цель для планировщика, а управление движением система осуществляет самостоятельно. В некоторых случаях, когда задача заключается не столько в объезде препятствий, сколько в позиционировании робота относительно окружающих объектов, например, для последующей работы манипуляторов, предлагаемый способ может сделать управление менее предсказуемым для человека-оператора.Also, the disadvantages in this case include an increased level of system autonomy. The operator only continuously sets the target for the scheduler, and the system controls the movement independently. In some cases, when the task is not so much to avoid obstacles as to position the robot relative to surrounding objects, for example, for the subsequent operation of manipulators, the proposed method can make control less predictable for a human operator.
Известен способ управления мобильным роботом по патенту (Патент US 11173605 В2. Method of controlling mobile robot, apparatus for supporting the method, and delivery system using mobile robot: №16/199,990: заявл. 26.11.2018: опубл. 16.11.2021 / Jin Hyo Kim; заявитель, патентообладатель Dogugonggan Co., Ltd., Gangwon-do (KR)). Способ предусматривает расчет управляющих воздействий на приводы мобильного робота как сумму команд, получаемых от системы прямого управления оператором, и команд модуля автономного управления, включенного в общую систему и работающего параллельно с оператором, взятых с весовыми коэффициентами, определяемыми в зависимости от действующих значений задержки, риска столкновения с препятствиями и сложности окружающей среды.A method of controlling a mobile robot is known under a patent (Patent US 11173605 B2. Method of controlling mobile robot, apparatus for supporting the method, and delivery system using mobile robot: No. 16/199,990: Appl. 11/26/2018: publ. 11/16/2021 / Jin Hyo Kim; Applicant, Patentee Dogugonggan Co., Ltd., Gangwon-do (KR)). The method involves calculating the control actions on the drives of a mobile robot as the sum of commands received from the operator's direct control system and the commands of the autonomous control module included in the overall system and working in parallel with the operator, taken with weight coefficients determined depending on the current values of delay, risk collision with obstacles and the complexity of the environment.
Основные недостатки способа такие же, как и у описанного выше решения: использование информации о расстоянии до препятствий перед роботом и частичное повышение уровня автономности, способное привести к дезориентации оператора.The main disadvantages of the method are the same as those of the solution described above: the use of information about the distance to obstacles in front of the robot and a partial increase in the level of autonomy, which can lead to operator disorientation.
Использование модуля автономного управления также значительно усложняет и удорожает реализацию системы управления.The use of an autonomous control module also significantly complicates and increases the cost of implementing the control system.
Известен способ и система управления, описанные в публикации (Slawinski Е. Teleoperation of mobile robots with time-varying delay / Slawinski E., Mut V.A., Postigo J.F. // IEEE Transactions on Robotics. - 2007. - Vol.23. -No. 5. - Pp.1071-1082. - DOI: 10.1109/TRO.2007.906249). Способ заключается в непрерывной компенсации влияния непостоянных временных задержек на команды управления линейной и угловой скоростями мобильного робота в процессе движения в среде с препятствиями к заранее заданной цели. Способ основан на использовании информации о текущем состоянии робота и окружающей среды и команд управления, генерируемых оператором, наблюдающим на мониторе пульта задержанные во времени данные об окружении. Способ использует модель оператора и виртуальную силу, зависящую от расстояния до препятствий.Known method and control system described in the publication (Slawinski E. Teleoperation of mobile robots with time-varying delay / Slawinski E., Mut V.A., Postigo J.F. // IEEE Transactions on Robotics. - 2007. - Vol.23. -No. 5. - Pp.1071-1082. - DOI: 10.1109/TRO.2007.906249). The method consists in continuously compensating the influence of non-constant time delays on the commands for controlling the linear and angular velocities of the mobile robot in the process of moving in an environment with obstacles towards a predetermined goal. The method is based on the use of information about the current state of the robot and the environment and control commands generated by the operator, who observes time-delayed environmental data on the console monitor. The method uses an operator model and a virtual force that depends on the distance to obstacles.
Основным недостатком технического решения является использование заранее известной целевой точки движения и координат робота относительно нее, что значительно уменьшает возможности его практического применения.The main disadvantage of the technical solution is the use of a previously known target point of movement and the coordinates of the robot relative to it, which significantly reduces the possibility of its practical application.
Второй недостаток связан с использованием дальномеров и информации о расстоянии до препятствий на пути робота.The second disadvantage is associated with the use of rangefinders and information about the distance to obstacles in the path of the robot.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является способ управления, известный по патенту (Патент US 2015120048 A1. Control synchronization for high-latency teleoperation: №14/062,632: заявл. 24.10.2013: опубл. 30.04.2015 / Matthew D. Summer, Paul M. Bosscher, Michael J. Summer, Miguel Ortega-Morales; заявитель, патентообладатель Harris Corporation, Melbourne, FL (US)), и заключающийся в следующем. Человек-оператор с помощью пульта управления осуществляет ввод команды, в результате выполнения которой мобильный робот должен изменить свое состояние -ориентацию и положение в пространстве самого робота или звеньев установленного на нем манипулятора. Команду передают роботу по каналу связи, имеющему временные задержки. В обратную сторону, от робота к пульту управления, передают данные телеметрии. В момент получения команды на борту робота производят сравнение текущего состояния с более ранним, сохраненным в памяти и актуальным для момента, которому соответствуют данные телеметрии, представленные на мониторе пульта оператору, когда тот вводил команду. На основе результатов этого сравнения и состояния робота, которое должно было быть достигнуто при отсутствии задержки, команду корректируют, чтобы учесть поправку на задержку. Откорректированная команда исполняется приводами робота. Для определения того, какое состояние должно быть выбрано из памяти для сравнения, способ предусматривает несколько различных вариантов, включая оценку состояния канала связи, уровня сигнала и количество ошибок, передачу вместе с командами оператора и телеметрией специальных пакетов метаданных, маркирующих передаваемую информацию и связывающих ее с соответствующими состояниями робота.The closest analogue chosen for the prototype is the control method known from the patent (Patent US 2015120048 A1. Control synchronization for high-latency teleoperation: No. 14/062,632: Appl. 24.10.2013: publ. 30.04.2015 / Matthew D. Summer , Paul M. Bosscher, Michael J. Summer, Miguel Ortega-Morales; Applicant, Patentee Harris Corporation, Melbourne, FL (US)), and consisting in the following. The human operator, using the control panel, enters a command, as a result of which the mobile robot must change its state - the orientation and position in space of the robot itself or the links of the manipulator installed on it. The command is transmitted to the robot via a communication channel with time delays. In the opposite direction, from the robot to the control panel, telemetry data is transmitted. At the moment of receiving the command on board the robot, the current state is compared with the earlier one, stored in memory and relevant for the moment, which corresponds to the telemetry data presented on the console monitor to the operator when he entered the command. Based on the results of this comparison and the state of the robot that should have been reached with no delay, the command is adjusted to account for the delay correction. The corrected command is executed by the robot drives. To determine which state should be selected from the memory for comparison, the method provides for several different options, including the assessment of the state of the communication channel, the signal level and the number of errors, the transmission, along with operator commands and telemetry, of special metadata packets that mark the transmitted information and associate it with corresponding states of the robot.
Способ может обеспечить компенсацию влияния временных задержек в канале связи на результаты выполнения команд оператора и управление мобильным роботом в целом, однако имеет ряд существенных недостатков.The method can provide compensation for the effect of time delays in the communication channel on the results of the execution of the operator's commands and the control of the mobile robot as a whole, however, it has a number of significant drawbacks.
В техническом решении не описан способ определения на основе команд оператора локальной цели - положения и ориентации мобильного робота, которое должно было быть достигнуто роботом при отсутствии задержек в канале. Также решение не описывает способ корректировки команд оператора, включающих задание линейной и угловой скоростей, необходимых для достижения локальной цели из текущего состояния.The technical solution does not describe a method for determining, based on the operator's commands, a local target - the position and orientation of the mobile robot, which should have been achieved by the robot in the absence of delays in the channel. Also, the solution does not describe how to correct operator commands, including setting the linear and angular velocities necessary to achieve a local goal from the current state.
Предложенный в техническом решении способ сохранения в памяти робота его состояния, включая положение и ориентацию, в том числе описанные с помощью географических координат, ведет к необходимости оснащения мобильных роботов системами геопозиционирования или другими навигационными системами, позволяющими точно определять положение в окружающем пространстве. Использование таких систем усложняет и удорожает реализацию.The method proposed in the technical solution for storing its state in the robot’s memory, including position and orientation, including those described using geographic coordinates, leads to the need to equip mobile robots with geopositioning systems or other navigation systems that can accurately determine the position in the surrounding space. The use of such systems complicates and increases the cost of implementation.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности дистанционного управления за счет исключения негативных сторон, присущих известным способам управления с компенсацией временных задержек, а именно:The problem to which the invention is directed is to increase the efficiency of remote control by eliminating the negative aspects inherent in known control methods with compensation of time delays, namely:
- исключения необходимости в использовании информации о находящихся перед мобильным роботом препятствиях и соответствующих датчиков, включая дальномеры и системы технического зрения;- eliminating the need to use information about the obstacles in front of the mobile robot and the corresponding sensors, including rangefinders and vision systems;
- исключения необходимости в использовании информации о положении мобильного робота и целевой точки движения в системе координат, связанной с окружающим пространством, и соответствующих систем навигации и определения положения в пространстве;- eliminating the need to use information about the position of the mobile robot and the target point of movement in the coordinate system associated with the surrounding space, and the corresponding systems for navigation and positioning in space;
- исключения влияния элементов, вызывающих дезориентацию человека-оператора и снижение предсказуемости управления.- exclusion of the influence of elements that cause disorientation of the human operator and reduce the predictability of control.
Задача решается путем применения способа дистанционного управления, заключающегося во внедрении в программное обеспечение бортовой системы мобильного робота блока компенсации задержек, который, получая команды от пульта управления, корректирует их на основе данных о ранее поступивших командах оператора и текущем состоянии робота.The problem is solved by applying a remote control method, which consists in introducing a delay compensation unit into the software of the onboard system of the mobile robot, which, receiving commands from the control panel, corrects them based on data on previously received operator commands and the current state of the robot.
Подобной корректировке подлежит только угловая скорость, определяющая направление движения. Линейная скорость влияет на качество управления не столь сильно: оператор в большинстве случаев быстро адаптируется и оказывается в состоянии оценить положение робота в окружающем пространстве с учетом задержки даже при ее изменении во времени. Корректировка линейной скорости системой может помешать этой адаптации и сделать управление менее предсказуемым для человека-оператора. С другой стороны, отсутствие необходимости в корректировке линейной скорости мобильного робота позволяет упростить способ и систему управления за счет исключения дополнительных расчетов.Only the angular velocity, which determines the direction of motion, is subject to such an adjustment. Linear speed does not affect the quality of control so much: the operator in most cases quickly adapts and is able to assess the position of the robot in the surrounding space, taking into account the delay, even if it changes in time. Line speed adjustments by the system can interfere with this adaptation and make control less predictable for the human operator. On the other hand, the absence of the need to adjust the linear speed of the mobile robot makes it possible to simplify the control method and system by eliminating additional calculations.
В процессе управления видеокамера непрерывно фиксирует информацию о состоянии окружающей среды и положении в ней мобильного робота. Система управления передает эту информацию на пульт. В блоке компенсации определяют мгновенное значение суммарной действующей временной задержки между моментом фиксации информации и получением бортовой системой команд оператора, сформированных на основе этой информации.During the control process, the video camera continuously captures information about the state of the environment and the position of the mobile robot in it. The control system transmits this information to the console. In the compensation block, the instantaneous value of the total effective time delay between the moment of fixing the information and the receipt by the on-board system of the operator's commands generated on the basis of this information is determined.
В каждый момент времени на борту вычисляют на основе данных с датчиков приводов и сохраняют в оперативной памяти бортовой системы управления значения линейной и угловой скоростей мобильного робота. Используя локальную систему координат, связанную с текущим состоянием робота (положением и ориентацией), время задержки и данные о действующих на ее протяжении скоростях, с помощью численного интегрирования определяют состояние робота в момент фиксации видеоизображения.At each moment of time on board, based on the data from the sensors of the drives, the values of the linear and angular velocities of the mobile robot are stored in the RAM of the onboard control system. Using the local coordinate system associated with the current state of the robot (position and orientation), the delay time and data on the speeds acting during it, the state of the robot at the time of fixing the video image is determined by numerical integration.
Используя полученные от пульта команды оператора и вычисленные положение и ориентацию робота, определяют координаты локальной цели, в которую оператор хотел привести робота.Using the operator's commands received from the console and the calculated position and orientation of the robot, the coordinates of the local target to which the operator wanted to bring the robot are determined.
С помощью модели оператора вычисляют задание угловой скорости, обеспечивающей движение робота из более раннего, задержанного во времени With the help of the operator model, the task of the angular velocity is calculated, which ensures the movement of the robot from the earlier, delayed in time
состояния, в точку локальной цели. Вычисляют поправку, позволяющую компенсировать индивидуальные особенности оператора, как разницу между командами человека-оператора и модели.state, to the point of the local goal. A correction is calculated to compensate for the individual characteristics of the operator, as the difference between the commands of the human operator and the model.
С использованием той же модели рассчитывают задание угловой скорости, обеспечивающей движение робота из текущего состояния в точку локальной цели. Рассчитанное значение корректируют с помощью вычисленной поправки. Полученное откорректированное значение угловой скорости и заданное оператором значение линейной скорости используют для вычисления заданий для приводов робота.Using the same model, the task of the angular velocity is calculated, which ensures the movement of the robot from the current state to the point of the local target. The calculated value is corrected using the calculated correction. The obtained corrected value of the angular velocity and the value of the linear velocity specified by the operator are used to calculate tasks for the robot drives.
Способ не использует никаких дополнительных систем и датчиков, кроме встроенных в приводы датчиков скорости вращения, с помощью которых вычисляются скорости робота. Корректировка с помощью поправки, учитывающей различие в управлении моделью и человеком, значений угловой скорости, рассчитанных с использованием модели оператора, а также использование неоткорректированного значения линейной скорости, делают управление более предсказуемым для человека-оператора.The method does not use any additional systems and sensors, except for the rotation speed sensors built into the drives, with the help of which the robot speeds are calculated. Correcting with a correction that takes into account the difference in control of the model and the person, the angular speed values calculated using the operator model, as well as the use of the uncorrected line speed value, make the control more predictable for the human operator.
Краткое описание рисунковBrief description of the drawings
Сущность изобретения поясняется фигурами 1-3.The essence of the invention is illustrated by figures 1-3.
На фигуре 1 показана система управления с блоком компенсации задержки. Отмечены:Figure 1 shows a control system with a delay compensation unit. Noted:
1 - оператор мобильного робота;1 - mobile robot operator;
2 - пульт управления;2 - control panel;
3 - блок вывода информации;3 - information output block;
4 - интерфейс управления;4 - control interface;
5 - канал передачи данных;5 - data transmission channel;
6 - задержка передачи видеоизображения hv,6 - video transmission delay h v ,
7 - задержка передачи команд hc;7 - delay transmission of commands h c ;
8 - бортовая система управления робота;8 - onboard control system of the robot;
9 - блок датчиков и видеокамер;9 - block of sensors and video cameras;
10 - блок компенсации задержки;10 - delay compensation block;
11 - система управления приводами;11 - drive control system;
12 - окружающая среда.12 - environment.
Видеоизображение, получаемое с помощью видеокамер 9, передают с помощью канала связи 5 на пульт управления 4. В том же блоке 9 формируется вектор состояния s, представленный значениями скоростей мобильного робота где - линейная скорость, - угловая. Вектор состояния передают в блок компенсации 10.The video image obtained using
От пульта управления 4 на блок компенсации 10 поступает вектор управления представленный командами оператора: где - задание линейной скорости, - угловой.From the
Откорректированный вектор управления где - задание линейной скорости, - угловой, передают из блока компенсации 10 в систему управления приводами 11.Corrected control vector Where - line speed setting, - angular, transferred from the
На фигуре 2 показана ось времени, задержки в системе управления и отмечены:Figure 2 shows the time axis, delays in the control system and marked:
- текущий момент времени, в котором происходит вычисление заданий для приводов мобильного робота; - the current moment of time at which tasks are calculated for the drives of the mobile robot;
- момент времени, в который оператор на основе полученных данных сформировал вектор управления - the point in time at which the operator, based on the received data, formed the control vector
- момент времени, который оператор видел на мониторе пульта, когда формировал вектор управления; - the moment of time that the operator saw on the console monitor when he formed the control vector;
- задержка передачи видеоизображения; - video transmission delay;
- задержка передачи команд. - command transmission delay.
На фигуре 3 показаны положения робота и цели в локальной системе координат:Figure 3 shows the positions of the robot and the target in the local coordinate system:
- вектор текущего состояния робота, принятого за начальное, содержащий координаты робота и угол его поворота; - the vector of the current state of the robot, taken as the initial one, containing the coordinates of the robot and the angle of its rotation;
- вектор более раннего состояния, актуального для момента времени t3, также содержащий координаты и угол поворота; - the vector of an earlier state, relevant for the time t 3 , also containing the coordinates and the angle of rotation;
- вектор, определяющий локальную цель; - a vector that defines a local goal;
- линейные скорости робота в моменты времени t1 и t3; - linear speeds of the robot at times t 1 and t 3 ;
- угловые скорости робота в моменты времени t1 и t3; - angular velocities of the robot at times t 1 and t 3 ;
- угол поворота робота в момент времени t3; - the angle of rotation of the robot at time t 3 ;
- курсовой угол на локальную цель в момент времени t3; - heading angle to the local target at time t 3 ;
- угловая ошибка в моменты времени t1 и t3. - angular error at times t 1 and t 3 .
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Способ управления заключается в следующем.The control method is as follows.
В первую очередь определяют мгновенное значение действующей задержки. Для этого в процессе дистанционного управления (фигура 1) данные, передаваемые бортовой системой управления 8 и содержащие видеоизображение с телевизионной камеры, маркируют пакетами метаданных, включающими значения внутреннего таймера, которые фиксируют момент времени отправки. Пульт управления 2 при передаче команд оператора маркирует посылки метаданными, полученными с видеоизображением, отображаемым на мониторе в момент формирования команд. На борту робота с помощью, полученной в метаданных информации о моменте отправки видеоизображения определяют мгновенное значение суммарной задержки как разницу между текущим значением таймера и принятым в посылке (фигура 2).First of all, the instantaneous value of the effective delay is determined. To do this, in the remote control process (figure 1), the data transmitted by the
В некоторых случаях маркировка данных, содержащих видеоизображение, существенно затруднена, например, при использовании аналоговых видеокамер и соответствующих специализированных приемопередатчиков. В этом случае для определения времени задержки могут быть применены другие подходы, включая использование суммы заранее определенного времени передачи видеоданных и рассчитанного с помощью синхронизированных часов пульта и робота времени передачи команд.In some cases, marking data containing video is significantly more difficult, for example, when using analog video cameras and corresponding specialized transceivers. In this case, other approaches can be used to determine the delay time, including using the sum of a predetermined video data transmission time and the command transmission time calculated using the synchronized console and robot clocks.
Для дальнейших расчетов используют систему координат, привязанную к состоянию мобильного робота в момент времени t1 (фигура 3).For further calculations, a coordinate system is used that is tied to the state of the mobile robot at time t 1 (figure 3).
В процессе движения мобильного робота в оперативной памяти на борту постоянно сохраняются значения линейной и угловой скоростей определяемые на основе данных, получаемых с датчиков в составе приводов. На основе этих данных и информации о суммарном времени задержки с помощью численного интегрирования восстанавливают состояние робота в момент t3.During the movement of a mobile robot, the values of linear and angular velocities are constantly stored in the RAM on board. determined on the basis of data received from sensors in the actuators. On the basis of these data and information about the total delay time using numerical integration restore the state of the robot at time t 3 .
Может быть применен любой метод численного интегрирования, включая прямой метод Эйлера. Несмотря на то, что полученная оценка является приближенной, сравнительно короткий интервал интегрирования позволяет считать точность достаточной для дальнейшего ее применения.Any method of numerical integration can be applied, including the direct Euler method. Despite the fact that the estimate obtained is approximate, a relatively short integration interval allows us to consider the accuracy sufficient for its further application.
Используя команды, отправляемые оператором, и вычисленное состояние робота в момент t3, определяют координаты локальной цели - точки, в которую оператор хотел направить мобильного робота:Using the commands sent by the operator and the calculated state of the robot at the moment t 3 , the coordinates of the local target are determined - the point to which the operator wanted to direct the mobile robot:
где - координаты искомой точки, - коэффициенты, определяющие интервал предсказания угла и расстояния соответственно, зависящие от индивидуальных особенностей оператора. Коэффициенты в общем случае могут быть определены эмпирически для каждого оператора мобильного робота.Where - coordinates of the desired point, - coefficients that determine the interval for predicting the angle and distance, respectively, depending on the individual characteristics of the operator. The coefficients in the general case can be determined empirically for each mobile robot operator.
Далее вычисляют угловую ошибку в момент времени t3, определяющую разницу между курсовым углом на вычисленную локальную цель и углом поворота робота:Next, the angular error is calculated at time t 3 , which determines the difference between the heading angle to the calculated local target and the rotation angle of the robot:
Так как в используемой локальной системе угол поворота робота в момент времени нулевой, угловая ошибка в этот момент равна курсовому углу, и ее вычисляют с на основе координат цели:Since in the local system used, the rotation angle of the robot at the moment of time zero, the angular error at this moment is equal to the heading angle, and it is calculated from the coordinates of the target:
Для вычисления задания угловой скорости, обеспечивающей движение робота к локальной цели, используют модель оператора, представленную модифицированным законом управления, описанным в (Closed loop steering of unicycle like vehicles via Lyapunov techniques / Aicardi M. [et al.] // IEEE robotics & automation magazine. - 1995. - Vol.2. - No. 1. - Pp.27-35. - DOI: 10.1109/100.388294), из которого исключен член, отвечающий за конечную ориентацию робота:To calculate the angular velocity setting that ensures the movement of the robot to a local target, an operator model is used, represented by a modified control law described in (Closed loop steering of unicycle like vehicles via Lyapunov techniques / Aicardi M. [et al.] // IEEE robotics & automation magazine. - 1995. - Vol. 2. - No. 1. - Pp.27-35. - DOI: 10.1109/100.388294), from which the member responsible for the final orientation of the robot is excluded:
где - угловая ошибка, - эмпирически подбираемые коэффициенты, учитывающие индивидуальные особенности оператора.Where - angular error, - empirically selected coefficients, taking into account the individual characteristics of the operator.
С помощью модели оператора для текущего состояния робота (в момент t1) и восстановленного (в момент t1) определяют задания угловых скоростей:Using the operator model for the current state of the robot (at time t 1 ) and the restored state (at time t 1 ), the tasks of angular velocities are determined:
Вычисляют поправку, определяющую разницу между командами, сформированными человеком-оператором и моделью для момента времени t3:A correction is calculated that determines the difference between the commands generated by the human operator and the model for the time t 3 :
С помощью рассчитанной поправки компенсируют значение обеспечивающее движение робота из текущего состояния в точку, в которую его хотел направить оператор:With the help of the calculated correction, the value is compensated ensuring the movement of the robot from the current state to the point where the operator wanted to send it:
Использование поправки, определенной для момента при расчете движения в момент позволяет:Using the moment correction when calculating the movement at the moment allows:
- значительно снизить влияние коэффициентов на качество управления и избавиться от необходимости их определения для каждого оператора, используя усредненные значения;- significantly reduce the influence of coefficients on the quality of control and get rid of the need to determine them for each operator, using averaged values;
- увеличить предсказуемость управления, уменьшая отклонение итоговой траектории движения робота, управляемого системой, реализующей предлагаемый способ, от ожидаемой оператором. Это позволяет дополнительно снизить чрезмерные корректировки оператором курса и тем самым повысить качество управления.- increase the predictability of control by reducing the deviation of the final trajectory of the robot, controlled by the system that implements the proposed method, from the expected by the operator. This makes it possible to further reduce excessive course corrections by the operator and thereby improve the quality of control.
Откорректированный вектор управления формируют из линейной скорости, заданной оператором, и вычисленной угловой скорости:The corrected control vector is formed from the linear speed specified by the operator and the calculated angular speed:
Эти значения передают дальше в систему управления для вычисления заданий для приводов робота.These values are passed on to the control system to calculate the tasks for the robot drives.
Для проверки предложенного способа была создана компьютерная модель и проведен ряд экспериментов. В основу модели положен программный комплекс на основе платформы Unity. В процессе экспериментов оператор управлял с помощью джойстика моделью мобильного робота, осуществляя движение по заранее заданной эталонной траектории, отображаемой на экране. Видео с виртуальной камеры передавали напрямую или с заданной задержкой. Команды так же передавали на модель робота с заданной задержкой. Траектории движения робота в виртуальной среде записывали для последующего анализа. Для оценки эффективности управления использовали время выполнения задания и сходство записанной траектории с эталонной. В качестве меры сходства применяли расстояние Фреше (A comparative analysis of trajectory similarity measures / Tao Y. [et al.] // GIScience & Remote Sensing. - 2021. - Vol.58. - No. 5. - Pp.643-669. - DOI: 10.1080/15481603.2021.1908927).To test the proposed method, a computer model was created and a number of experiments were carried out. The model is based on a software package based on the Unity platform. During the experiments, the operator controlled the mobile robot model with a joystick, moving along a predetermined reference trajectory displayed on the screen. Video from the virtual camera was transmitted directly or with a specified delay. Commands were also transmitted to the robot model with a given delay. The robot's movement trajectories in the virtual environment were recorded for subsequent analysis. To evaluate the control efficiency, we used the task execution time and the similarity of the recorded trajectory with the reference one. Fréchet distance was used as a similarity measure (A comparative analysis of trajectory similarity measures / Tao Y. [et al.] // GIScience & Remote Sensing. - 2021. - Vol.58. - No. 5. - Pp.643-669 .- DOI: 10.1080/15481603.2021.1908927).
Результаты моделирования показали, что при отсутствии задержки использование предлагаемого способа не мешает оператору и не оказывает заметного влияния на результаты выполнения задания.The simulation results showed that in the absence of a delay, the use of the proposed method does not interfere with the operator and does not have a noticeable effect on the results of the task.
При задержках в пределах половины секунды время выполнения задания различается мало, так как оператор в состоянии достаточно быстро адаптироваться к задержке и в определенных пределах предсказывать результат выполнения команд. При этом траектории, полученные при использовании предлагаемого способа, более гладкие по сравнению с управлением без компенсации задержек и имеют в среднем на 20% меньшие значения расстояния Фреше.With delays within half a second, the task execution time differs little, since the operator is able to quickly adapt to the delay and, within certain limits, predict the result of command execution. At the same time, the trajectories obtained using the proposed method are smoother compared to control without delay compensation and have, on average, 20% lower Fréchet distance values.
Задержки в одну и две секунды существенно сказываются на качестве управления и приводят к появлению характерных «петель» в траекториях движения. Применение способа позволяет значительно улучшить контролируемые показатели: уменьшить время выполнения задания до 20% и траекторную ошибку до 30%.Delays of one and two seconds significantly affect the quality of control and lead to the appearance of characteristic "loops" in the motion trajectories. The application of the method allows to significantly improve the controlled indicators: to reduce the task execution time to 20% and the trajectory error to 30%.
Управление при задержках в пять и более секунд уже меньше зависит от использования способа. Это объясняется тем, что оператор интуитивно переходит к стратегии «старт-стоп»: отправляет команду и ждет отображения на мониторе результатов ее выполнения перед отправкой следующей. Такой подход значительно увеличивает время, а в траекториях появляется заметное число прямолинейных участков.Management at delays of five seconds or more is less dependent on the use of the method. This is because the operator intuitively switches to the start-stop strategy: he sends a command and waits for the result of its execution to be displayed on the monitor before sending the next one. This approach significantly increases the time, and a noticeable number of straight sections appear in the trajectories.
Таким образом, компьютерное моделирование показало, что предложенный способ обеспечивает повышение эффективности дистанционного управления мобильным роботом при наличии временных задержек в каналах управления.Thus, computer simulation has shown that the proposed method provides an increase in the efficiency of remote control of a mobile robot in the presence of time delays in the control channels.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2794556C1 true RU2794556C1 (en) | 2023-04-21 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2288550C1 (en) * | 2005-02-28 | 2006-11-27 | Владимир Анатольевич Ефремов | Method for transferring messages of any physical origin, for example, method for transferring sound messages and system for its realization |
JP2009193097A (en) * | 2008-02-12 | 2009-08-27 | Yaskawa Electric Corp | Control device for mobile robot and mobile robot system |
RU2633703C1 (en) * | 2015-05-26 | 2017-10-17 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Integrated inertial-satellite systems of orientation and navigation |
RU2733453C1 (en) * | 2020-07-07 | 2020-10-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Automatic control method of robotic drone in autonomous mode |
WO2022066082A1 (en) * | 2020-09-24 | 2022-03-31 | Husqvarna Ab | Construction machines with reduced latency actuator controls |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2288550C1 (en) * | 2005-02-28 | 2006-11-27 | Владимир Анатольевич Ефремов | Method for transferring messages of any physical origin, for example, method for transferring sound messages and system for its realization |
JP2009193097A (en) * | 2008-02-12 | 2009-08-27 | Yaskawa Electric Corp | Control device for mobile robot and mobile robot system |
RU2633703C1 (en) * | 2015-05-26 | 2017-10-17 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Integrated inertial-satellite systems of orientation and navigation |
RU2733453C1 (en) * | 2020-07-07 | 2020-10-01 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Automatic control method of robotic drone in autonomous mode |
WO2022066082A1 (en) * | 2020-09-24 | 2022-03-31 | Husqvarna Ab | Construction machines with reduced latency actuator controls |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111045425B (en) | Auxiliary teleoperation driving method for ground unmanned vehicle | |
EP3422697B1 (en) | Information processing method, and electronic device and computer storage medium | |
Ollero et al. | Predictive path tracking of mobile robots. Application to the CMU Navlab | |
EP2199038B1 (en) | Robot and task execution system | |
EP2286397B1 (en) | Controlling an imaging apparatus over a delayed communication link | |
Kosecka et al. | A comparative study of vision-based lateral control strategies for autonomous highway driving | |
Ma et al. | Robust multi-sensor, day/night 6-DOF pose estimation for a dynamic legged vehicle in GPS-denied environments | |
US7509177B2 (en) | Self-calibrating orienting system for a manipulating device | |
US20060149489A1 (en) | Self-calibrating sensor orienting system | |
WO2012153629A1 (en) | Device and method for controlling prediction of motion | |
CN105242533A (en) | Variable-admittance teleoperation control method with fusion of multi-information | |
CN107943049A (en) | A kind of unmanned vehicle control method and unmanned grass-cutting vehicle | |
CN104476544A (en) | Self-adaptive dead zone inverse model generating device of visual servo mechanical arm system | |
CN114347033B (en) | Robot character grabbing method and device, robot and storage medium | |
US11964667B2 (en) | Vehicle control device, vehicle control method, and vehicle control system | |
JP2019113926A (en) | Model predictive control device | |
CN106527439A (en) | Motion control method and apparatus | |
Pyrkin et al. | Simple robust and adaptive tracking control for mobile robots | |
KR101436555B1 (en) | Internet based Teleoperation System of UAV | |
RU2794556C1 (en) | Method for remote control of mobile robot with delays in the information transmission channel | |
CN109211260A (en) | The driving path method and device for planning of intelligent vehicle, intelligent vehicle | |
CN108037523A (en) | A kind of electron assistant beam alignment applied to unmanned plane | |
CN112650217B (en) | Robot trajectory tracking strategy dynamic optimization method based on evaluation function | |
Nieto et al. | Toward safe and stable time-delayed mobile robot teleoperation through sampling-based path planning | |
EP2026589B1 (en) | Online calibration of stereo camera systems including fine vergence movements |