Navigarea autonomă a unei platforme cu roți [610312]

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi”
Facultatea de Automatic ă și calculatoare, Iași

Navigarea autonomă a unei platforme cu roți
Mecanum

Cocuț Gabriela – Monica
Grupa 1403A

Cuprins

Capitolul 1. Introducere ………………………….. ………………………….. ……. 1
1.1 Prezentare generală ………………………….. …………………….. 6
1.2 Tema lucrării ………………………….. ………………………….. . 6
1.3 Argumentarea alegerii temei ………………………….. ……………………… 6
Capitotul 2.Prezentarea platformei ………………………….. ………………… 4
Capitotul 3. Resursele hardware ………………………….. …………………….. 4
1.1 Placa de dezvoltare Jetson Nano B01 ………………………….. …… 6
1.1 Radarul SLAMTEC A2 ………………………….. ………………… 6
Capitotul 4. Proiectarea aplicației ………………………….. ………………….. 4
Capitotul 5. Implementarea aplicației ………………………….. …………….. 4
Capitotul 6. Testarea aplicației și rezultatele experimentale …………. 4
Capitotul 7. Concluzii ………………………….. ………………………….. ……….. 4
Capitotul 8. Referințe bibliografice ………………………….. ………………… 4
Capitotul 9. Anexa ………………………….. ………………………….. ……………. 4

Capitolul 1. Introducere
1.1 Prezentarea generală
În secolul vitezei, în care totul se schimbă de la o zi la alta cu o viteză aproape ireală, în mediile
industriale există o nevoie constantă de automatizare. Astfel, un rol important în adaptarea la
continua schimbare îl joacă optimizarea etapelor de producție prin introducerea sistemelor
autonome complexe. Aceste sisteme se evidențiază prin flexibilitatea crescută și adaptarea ușoară
și continuă la spațiile de lucru în continuă schimbare.
Sistemele autonome complexe se pot împărți în două categorii : roboții mobili și
manipulatoarele robotice. La rândul lor, platformele autonome se împart în alte două ramuri :
vehiculele ghidate autonome (AVGs) și roboții autonomi mobili (AMRs). Ambele reprezintă o
modalitate de transport autonom a unei sarcini pe o distanță mare, unde sarcina poate fi
reprezentată de piese, alți roboți și multe alte obiecte a căror greutate, de multe ori, depășește limita
pe care un om o poate transporta.
Deci, roboții mobili se împart la rândul lor în roboți mobili autonomi și vehicule ghidate
autonome, dar, care este diferența între acestea? Vehiculele ghidate tradiționale sau AGV -urile
sunt limitate la căi prestabilite, căi construite din fire magnetice sau electrice și se folosesc d e
senzori optici sau senzori cu infraroșu pentru evitarea obstacolelor.
În ceea ce privește roboții mobili, nu există o definiție clară a acestora, dar de cele mai multe
ori sunt definiți ca fiind dispozitive care se pot deplasa fără intervenția operatoru lui uman dintr -un
loc în altul pentru a îndeplini un set de obiective. Dacă ar fi să ne gândim la cel mai de bază nivel,
micul aspirator care se plimbă zi de zi prin casele noastre este un robot mobil. Sarcina unui robot
mobil este foarte asemănătoare cu c ea a unui AGV, să transporte lucruri din punctul A în punctul
B, dar modul în care îndeplinește această sarcină este complet diferit. Acesta are încorporat un
grad de inteligență mult mai ridicat în comparație cu un vehicul clasic și este capabil să își
recalculeze traseul atunci când întâlnește un obstacol.
În prezent aceste sisteme mobile “inteligente” sunt componentele critice ale fabricilor de
producție, deoarece pe măsură ce rata de producție crește, flexibilitatea sistemelor ghidate clasice
reprezin tă o constrângere necesitând numeroase intervenții umane pentru rezolvarea blocajelor.
Cu toate că pare un lucru extrem de simplu înlocuirea platformelor clasice cu sistemele noi mai
inteligente și productive, principala provocare care apare constă în dezv oltarea unui sistem fiabil
care să se poată integra pe deplin în mediile de fabricație deja existente.

1.2 Tema lucrării
Lucrarea își propune să dezvolte un sistem de control pentru o platfomă mobilă cu roți
Mecanum echipată cu un microcontroler Jetson Nano la care este conectată o cameră video ce
preia informații din mediul în care se deplasează. Un senzor LiDAR ajută la o mai bună detecție a
obstacolelor și obiectelor din mediu, precum și a persoanelor din apropiere, sporind siguranța
deplasării platfo rmei.
Pentru implementarea proiectului se va folosi mediul de dezvoltare JetPack, pus la dispoziție
de producătorii microcontrolerului, mediu bazat pe sistemul de operare Linux împreună cu
limbajul de programare Python, librăria OpenCV pentru procesarea im aginilor și platforma open –
source TensorFlow dezvoltată de cei de la Google pentru crearea algoritmilor de aprofundare
(Deep Learning) necesari.
1.3 Argumentarea alegerii temei
Am ales această temă, deoarece

Capitolul 2. Prezentarea platformei
Platforma ( Fig. ) este alcătuită dintr -un șasiu prevăzut cu roți de tip Mecanum, cunoscute
și sub denumirea de roți suedeze sau roți Ilon, denumire ce provine de la inventatorul acestora,
inginerul suedez Ilon.

Fig. Reprezentarea schematică a platformei

După cum se poate observa și din figura anterioară, șasiul are o lungime de 767 mm, o
lățime de 668 mm și o înălțime de 184 de mm. Întreaga platfomă are o greutate de 25 kg și este
construită în totalitate din aluminiu ce se poate deforma, lucru care o face sensibilă la coliziuni.
Roțile Mecanum au un design special. Acestea sunt alcătuite dintr -un număr de role dispuse
pe suprafața unei roți normale. Axele de rotație ale rolelor sunt înclinate la 45 ˚ față de axa de rotație
a roții pe care sunt montat e.

Fig. Structura roții Mecanum

Aceste roți oferă robotului posibilitatea de mișcare omnidirecțională, fără un sistem de
direcție convențional. Astfel platforma combină mișcarea de translație și de rotație, inclusiv
mișcarea laterală și cea pe dia gonală. Se poate deplasa în orice direcție a planului orizontal, fără a
fi necesară o reorientare a poziției pentru a se alinia cu direcția dorită de deplasare. Acest tip de
manevrabilitate ridicată este principala caracteristică ce diferențiază această pl atformă de roboții
mobili obișnuiți, oferindu -i numeroase avantaje, precum mobilitatea ridicată în spații înguste,
medii aglomerate și capacitatea îndeplinirii cu ușurință a sarcinilor în astfel de medii, ceea ce fac
robotul adecvat atât pentru aplicații î n spații deschise, cât și pentru aplicații în spații închise.
Acest tip de roată se bucură de un design compact și o capacitate de încărcare mare, însă
are principalul dezavantaj că, la deplasarea pe o suprafață înclinată sau inegală, janta roții poate
veni în contact direct cu suprafața de deplasare în loc să vină în contact cu rolele, iar acest lucru
împiedică funcționarea corectă. Pentru a compensa acest dezavantaj, platforma vine echipată cu
un sistem de suspensie destinat atenuării șocurilor proveni te de la micile denivelări ale spațiului
de lucru.
Fiecare roată este acționată de câte un motor de curent continuu cu perii MD60. Tesiunea
de alimentare este de 24 V, având o viteză nominală de 175 rpm și o viteză maximă de 275 rpm.

Fig. Motor MD60
Platforma vine echipată cu două drivere pentru controlul motoarelor ce conțin un circuit
integrat MPU – 6050 cu accelerometru și giroscop inclus. Modulul poate comunica cu
microcontrolerul prin interfața serială I2C la o frecvență de 400 KHz. Poate fi cone ctat direct la o
busolă exterioară cu trei axe, având un total de 9 axe (trei ale accelerometrului, trei ale giroscopului
și trei ale busolei externe). Este echipat cu mai mulți senzori (de temperatură, de presiune) care
pot fi conectați la un port I2C au xiliar. Pentru urmărirea cu precizie a mișcărilor, giroscopul poate
fi programat pe scara ±250, ±500, ±1000, ±2000 dps și accelerometrul pe scara ±2, ±4, ±8 și ±16
g.
Platforma este alimentată de un acumulator litium -ion reîncărcabil de 22.2 V, cu șase c elule
înseriate, fiecare celulă având o capacitate de 2600 mA.

Fig. Acumulatorul

Capitolul 3. Resursele hardware
3.1 Placa de dezvoltare Jetson Nano B01
Platforma Jetson Nano creată de corporația Nvidia specializată pe producerea de
procesoare grafice este o placă de dezvoltare de tip SBC (Single Board Computer). Chiar dacă
dimensiunile sunt reduse, Jetson Nano este un calculator complet care permite rularea unui sistem
de operare (Linux), pecum si mai multe rețele neuronale în parale l pentru aplicații precum
clasificarea imaginilor, detecția obiectelor, segmentarea și procesarea comenzilor vocale, utilizate
pentru dezvoltarea de algoritmi de inteligență artificială.

Fig. Placa de dezvoltare Jetson Nano

Placa dispune de un procesor ARM Quad -Core A57 care lucrează la o frecvență de 1.43
GHz, o unitate de procesare grafică puternică cu 128 de nuclee care permite platformei să
proceseze până la 60 de frame -uri pe secundă, la calitate 4K și o memorie de 4 GB. Când vine
vorba de conectivitate, micul computer vine echipat cu patru porturi USB 3.0 pentru conectarea
perifericelor, precum și un port de tip HDMI pentru conectarea unui monitor. De asemenea, are
două sloturi pentru cameră care se bazează pe protocolul CSI (Camera Serial Interface) ce permite
transmiterea informațiilor la o viteză ridicată către microcontroler. Placa este compatibilă cu
modulele V2 utilizate de plăcile Raspberry Pi. Platforma poate comunica cu alte platforme prin
I2C, SPI și interfața serială.

Capitolul 8. Referințe bibliografice

https://stiintasitehnica.com/inteligenta -artificiala -magia -din-calculator/
https://developer.nvidia.com/embedded/jetson -nano -developer -kit