Разработка системы управления автономной газонокосилкой на основе искусственного интеллекта

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретико-методологические основы проектирования мехатронных мобильных систем

1.1. Классификация и основные принципы автономных робототехнических систем

1.2. Особенности автономных мобильных роботов, функционирующих в открытой среде

1.3. Применение методов искусственного интеллекта в задачах детекции препятствий и планирования пути.

1.4. Системы управления и сенсорная интеграция в автономных роботах

1.5. Патентный анализ решений в области систем управления автономными газонокосилками

Глава 2. Проектирование аппаратного комплекса и систем навигации автономной газонокосилки

2.1. Синтез состава мехатронной системы и выбор исполнительных механизмов

2.2. Расчёт параметров исполнительных механизмов и привода движения

2.3. Архитектура системы технического зрения и выбор сенсорного оборудования

2.4. Методы навигации и выбор средств позиционирования

2.5. Разработка функциональной и структурной схем системы управления

2.6. Формализация задачи управления и основные расчётные параметры системы

Глава 3. Программная реализация и верификация алгоритмов управления на базе искусственного интеллекта

3.1. Разработка алгоритма распознавания объектов и границ газона

3.2. Выбор и обучение нейросетевой модели для классификации препятствий

3.3. Разработка алгоритма построения оптимального маршрута движения

3.4. Организация системы локального маневрирования при обнаружении помех

3.5. Описание логики взаимодействия программных модулей в среде ROS

Глава 4. Моделирование и анализ работы системы управления

4.1. Создание виртуального полигона и цифрового двойника газонокосилки

4.2. Программная реализация модулей управления в среде ROS

4.3. Тестирование нейросетевых алгоритмов в различных условиях освещенности

4.4. Оценка точности позиционирования и качества покрытия участка

4.5. Анализ эффективности предложенных решений и выводы по экспериментам.

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема: Разработка системы управления автономной газонокосилкой на основе искусственного интеллекта

Направление: МАШИНОСТРОЕНИЕ
Специальность: 15.02.10 Мехатроника и мобильная робототехника (по отраслям)

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования обусловлена стремительным развитием мехатронных систем и мобильной робототехники в Российской Федерации, что отражено в Национальной стратегии развития робототехники до 2035 года, утвержденной Минпромторгом России. В современных условиях автоматизация процессов, ранее требовавших участия человека, становится приоритетным направлением научно-технического прогресса. Автономные мобильные роботы, способные функционировать в открытой неструктурированной среде, представляют собой класс мехатронных систем, требующих интеграции механических, электронных и программных компонентов с применением методов искусственного интеллекта. Разработка систем управления автономными газонокосилками является перспективной задачей, объединяющей навигацию, техническое зрение, планирование траектории и интеллектуальное распознавание объектов. Данное направление соответствует задачам импортозамещения и развития отечественных решений в области сервисной робототехники.

Степень разработанности проблемы в российской научной и технической литературе характеризуется активным интересом со стороны профильных исследовательских центров и высших учебных заведений. Вопросы построения систем управления мобильными роботами рассматриваются в работах специалистов МГТУ им. Н.Э. Баумана, МФТИ, ФГБУН «ИПМ РАН» и других организаций. Особое внимание уделяется алгоритмам технического зрения, методам одометрии и навигации, а также применению нейросетевых моделей для решения задач классификации препятствий и планирования маршрутов. Вместе с тем, комплексные решения, интегрирующие современные средства искусственного интеллекта в системы управления автономными газонокосилками, остаются недостаточно проработанными применительно к условиям российского рынка и требованиям отечественной нормативной базы.

Развитие технологий мобильной робототехники и внедрение систем на базе искусственного интеллекта открывает новые возможности для повышения производительности и безопасности автономных устройств. Создание отечественных решений в данной области способствует укреплению технологической независимости и формированию компетенций в сфере мехатроники и робототехники.

Цель выпускной квалификационной работы: разработка системы управления автономной газонокосилкой на основе искусственного интеллекта с применением методов технического зрения и нейросетевых алгоритмов.

Задачи работы:

• провести анализ классификации и основных принципов автономных робототехнических систем;
• исследовать особенности автономных мобильных роботов, функционирующих в открытой среде;
• выполнить синтез состава мехатронной системы и расчет параметров исполнительных механизмов;
• разработать алгоритмы распознавания объектов, планирования маршрута и локального маневрирования;
• реализовать программные модули системы управления в среде ROS;
• провести моделирование и анализ работы системы управления на базе цифрового двойника.

Объект исследования: мехатронная система автономной газонокосилки, функционирующая в условиях открытой неструктурированной среды.

Предмет исследования: система управления автономной газонокосилкой на основе искусственного интеллекта, включающая алгоритмы технического зрения, навигации и планирования траектории движения.

Методологическая база исследования включает теоретические основы мехатроники и мобильной робототехники, методы математического моделирования динамики мобильных роботов, алгоритмы компьютерного зрения и машинного обучения, нормативную базу ГОСТ Р 60.0.0.1-2016, ГОСТ Р МЭК 62061-2019, ГОСТ Р 56350-2015, а также инструментальные средства ROS/Gazebo для симуляции и верификации алгоритмов управления.

Научная новизна работы заключается в разработке комплексной системы управления автономной газонокосилкой, интегрирующей нейросетевые алгоритмы распознавания препятствий, методы планирования оптимального маршрута и систему локального маневрирования, адаптированную к условиям функционирования в открытой среде.

Теоретическая значимость состоит в систематизации подходов к проектированию мехатронных систем автономных мобильных роботов и обосновании применения методов искусственного интеллекта для решения задач детекции объектов и планирования пути.

Практическая значимость определяется возможностью внедрения разработанных решений в производство отечественных автономных газонокосилок, снижением зависимости от импортных комплектующих и повышением функциональной безопасности мехатронных систем.

Структура работы включает введение, четыре главы, заключение и список использованной литературы. В первой главе рассматриваются теоретико-методологические основы проектирования мехатронных мобильных систем. Во второй главе представлено проектирование аппаратного комплекса и систем навигации. Третья глава посвящена программной реализации и верификации алгоритмов управления на базе искусственного интеллекта. В четвертой главе выполнено моделирование и анализ работы системы управления.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ

1.1. Классификация и основные принципы автономных робототехнических систем

Автономные робототехнические системы представляют собой класс мехатронных устройств, способных выполнять целевые действия без непрерывного управления со стороны человека. Согласно ГОСТ Р 60.0.0.1-2016 «Роботы и робототехнические устройства. Термины и определения», автономный робот определяется как робот, обладающий способностью функционировать в неструктурированной или частично структурированной среде без внешнего управления в течение продолжительного времени [1, c. 12]. Развитие автономных робототехнических систем в Российской Федерации происходит в рамках реализации Национально

…