Рободрузья исследователи Луны Robofriends the Moon researches Создатели: 1. Городов Михаил 2. Егоркин Кирилл 3. Аверков Даниил Руководитель: Сергей Александрович Филиппов September 2015

Актуальность работы Многие десятилетия умы учёных заняты исследованиями поверхности Луны. Спектральный анализ показал наличие на Луне огромного количества льда, однако реальные образцы так и не были получены. Также мы поддерживаем гипотезу о наличии на Луне перовскита и целесообразности разведки и добычи различных ресурсов для будущих лунных и космических станций. Для решения этих задач на спутник Земли уже было отправлено несколько роботов. Печальная история советского Лунохода-1, пославшего с Луны на Землю 14 сентября 1971 года радиосигнал бедствия, но оставшегося беспомощным одиноким исследователем на Луне более чем на 40 лет, убедила нас в необходимости создания команды роботов, наделенных искусственным интеллектом, способных реагировать на изменение исследуемой ими среды и на сигналы друг друга.

Проблема Созданный нами комплекс устройств демонстрирует решение проблемы эффективного и безопасного исследования поверхности Луны для добычи реальных образцов лунного льда и минералов, предназначенных для получения непосредственно на Луне кислорода, воды, водородного топлива, жизненно необходимых человеку в больших количествах. Взаимодействие роботов обеспечивает отказоустойчивость системы в целом. Мы создали следующих роботов: Робот-искатель Робот-спасатель September 2015

Состав системы Искатель Спасатель September 2015 Базовая станция

Цели и задачи творческого проекта Цель – разработки системы бесперебойного функционирования группы роботов в процессе исследования кратеров на поверхности Луны. Задачи Создание системы автономных роботов с повышенной аварийной устойчивостью. Разработка компонентов системы взаимодействия роботов при штатных и нештатных ситуациях. Моделирование системы мониторинга содержимого лунных кратеров. Моделирование экстренной ситуации с падением робота в глубокий кратер и демонстрация выхода из неё с последующим возобновлением исследований. September 2015

Обзор аналогов Первый и неполный аналог – советский Луноход-1, уязвимость которого мы стараемся исключить в нашем проекте. Процесс спасения робота аналогичен буксировке застрявшей в яме машины. Но это обычно производится под управлением человека. Имеются аналоги и в сфере освоения космоса: похожим образом стыкуются космические станции под управлением операторов. Современные технологии позволяют создать команду взаимосвязанных роботов, способных самостоятельно реагировать на окружающую среду и друг друга, наделенных элементами искусственного интеллекта. Из известных приемов в нашей модели использованы: полный привод, гусеничный конвейер, ориентация на инфракрасный маяк, следование по линии и др. September 2015

Внешний вид September 2015

Энергии и Силы Все роботы в нашем проекте двигаются на электрической энергии. В процессе движения им приходится преодолевать силу тяготения, разрыхлять лунный грунт, поднимать ценные минералы. При попадании в кратер, пользуясь силой трения, робот пытается выбраться, но на наклонной поверхности сила трения слишком мала, вес робота велик. Для помощи ему используется робот, стоящий на краю кратера и обладающий большим потенциалом. Сила упругости нити (каната) является решающим фактором, благодаря которому робот выбирается из кратера. При попытках выбраться робот находится на грани переворачивания, но перенос центра тяжести с помощью ковша позволяет сохранить устойчивость. September 2015

Алгоритмы управления 1. Движение по энкодерам и показаниям гироскопа Microinfinity, символизирующим навигацию по лунной поверхности, с помощью П-регулятора на датчике расстояния. 2. Управление ковшом-манипулятором с помощью дискретного П- регулятора. 3. При попадании в кратер определение угла наклона с помощью акселерометра. Использование плавного старта/торможения во избежание помех на акселерометре. 4. Обмен сигналами по Bluetooth – многократная отправка с подтверждением. 5. Ориентация на инфракрасный маяк. 6. Многократная проверка захвата маяка с последующим повторением в случае сбоя. 7. Алгоритмы рисования диаграмм распределения ископаемых в среде Visual Studio. September 2015

Функциональная схема робота: Искатель Блок управления Акселерометр Наличие породы Привод ковша Приводы шасси Инфракрасный поисковик Датчики навигации и расстояния Положение на местности Регуляторы September 2015

Функциональная схема робота: Спасатель Блок управления Сигнал от искателя Захват маяка искателем Привод лебедки Приводы шасси Датчик расстояния Датчики навигации Положение на местности Регуляторы September 2015

Функциональная схема робота: Базовая станция Компьютер Спасатель Монитор интерактивной карты Искатель September 2015 DANGER

Схема передачи сигналов Информация о кратерах Сигнал бедствия September 2015 Инструкции по спасению Синхронизация действий Инфракрасный сигнал

Автономность и обратные связи В системе реализуется полная автономность. Каждый из роботов руководствуется своим алгоритмом, который является самодостаточным в случае отсутствия сигналов от других. Взаимодействие не является обязательным, но многократно повышает эффективность системы. Искатель. Навигация по энкодерам, гироскопу, датчику расстояния и инфракрасным сигналам. Определение угла наклона поверхности с помощью акселерометра. Спасатель. Навигация по датчикам расстояния и энкодерам. Базовая станция. Прием и анализ поступающих сигналов, отправка команд, обеспечивающих синхронизацию действий роботов. Все. Связь по каналу Bluetooth. September 2015

Апробация Апробацию проводили на тренировочном стенде макете Лунной поверхности с кратерами. Часть кратеров безопасные; большой кратер был создан опасный, такой, что из него робот, даже очень мощный, полноприводный, никак не сможет выбраться самостоятельно. Взаимодействие устройств в процессе отработки ряда поставленных задач постоянно совершенствовали: как программную часть, так и конструкторскую часть. Стабильность достигается за счет эффективных алгоритмов, гарантирующих высокую степень управляемости и точности выполнения базовых действий: - Плавное управление моторами - Композиция регуляторов - Многоуровневый контроль ложных срабатываний и застреваний - Контроль доставки радиосообщений Все использованные принципы будут востребованы в реальной системе в случае ее воплощения в будущем. September 2015

Главная особенность Учитывая боль и тревогу от утраты более чем на 40 лет информации о первом советском Луноходе-1 и радость от полученного от него через столько десятилетий сигнала, на наш взгляд, наиболее впечатляющими являются моменты падения робота-исследователя в кратер, его попытки выбраться разными способами и его «спасение». Не менее важными являются связи между роботами через базовую станцию, способность роботов работать в «команде», способность роботов реагировать на изменение окружающей среды и изменять свое поведение под воздействием полученных данных и сигналов. September 2015

Результаты исследований 1. Построение интерактивной карты Луны, на которой отмечаются кратеры, содержащие полезные ископаемые. Для каждого кратера строится круговая диаграмма. 2. Определение опасных участков лунной поверхности и сохранение дорогостоящей аппаратуры на этих участках DANGER

Выводы В процессе работы мы отказались от сборки и переработки полезных ископаемых, заменив ее системой обмена данными с выводом на интерактивную карту. Таким образом, было акцентировано внимание на главной особенности проекта – системе спасения взаимосвязанных роботов-исследователей. Участниками проекта были освоены языки RobotC и C++ в среде Visual Studio, что потребовалось для решения поставленных задач. Применение композиции регуляторов и многоуровневых защит от сбоев позволило создать приближенную к реальности систему. Очевидно, что подготовить возможность длительного пребывания и работы человека на Луне должны роботы, а для безопасности исследований и для их эффективности, необходимо отправлять на Луну именно группу, «команду» связанных между собой роботов. Образец такой слаженной работы наша команда роботов Robofriends. September 2015

Источники Портал новостей высоких технологий и науки CyberSecurity.ru html Портал XXII ВЕК открытия, ожидания, угрозы. September 2015

Календарный план работы и пути совершенствования Неделя План работы Доработка оформления стенда. Выступление на фестивале «Робофинист» Усовершенствование интерактивной карты. Доработка содержимого кратеров Доработка дизайна роботов, изготовление корпусов Подготовка англоязычного ролика и описания Репетиции выступления на английском языке Оформление стенда на английском языке Ответы на вопросы на английском языке September 2015