Система автоматического управления движением малогабаритного робота по визуальным меткам

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретические и нормативно-правовые основы применения робототехники в АПК РФ

1.1. Современное состояние и тенденции развития агроробототехники в рамках реализации стратегии научно-технологического развития России

1.2. Нормативное регулирование эксплуатации автономных систем в сельском хозяйстве и анализ профильных ГОСТ Р

1.3. Принципы визуальной навигации и классификация систем оптических меток для позиционирования внутри помещений

Глава 2. Обоснование технических решений и анализ среды эксплуатации мобильного робота

2.1. Исследование характеристик аппаратной части малогабаритных роботов и выбор встраиваемой платформы

2.2. Анализ методов распознавания визуальных идентификаторов и их устойчивости к помехам

2.3. Формирование функциональных и эксплуатационных требований к программному обеспечению системы

Глава 3. Проектирование и экспериментальная оценка системы автоматического управления по визуальным меткам

3.1. Разработка структуры адаптивной системы управления и алгоритмов обработки видеопотока

3.2. Программная реализация контура управления и интеграция с исполнительными механизмами робототехнического комплекса

3.3. Результаты испытаний и оценка экономической эффективности внедрения автоматизированной системы в аграрное производство

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Система автоматического управления движением малогабаритного робота по визуальным меткам

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы выпускной квалификационной работы обусловлена объективной необходимостью технологической модернизации агропромышленного комплекса Российской Федерации в соответствии с приоритетами Стратегии научно-технологического развития страны, утвержденной Указом Президента РФ от 01.12.2016 № 642. Современное сельское хозяйство России переживает этап цифровой трансформации, в рамках которой особое значение приобретают интеллектуальные робототехнические системы, способные автономно выполнять технологические операции в закрытых помещениях животноводческих и птицеводческих комплексов, тепличных хозяйствах, складах сельскохозяйственной продукции. Внедрение малогабаритных мобильных роботов с визуальной навигацией позволяет значительно снизить трудоемкость процессов мониторинга состояния животных, контроля микроклимата, инспекции посевов в защищенном грунте, транспортировки малых грузов внутри производственных помещений.

Степень разработанности проблемы в отечественной научной литературе характеризуется наличием фундаментальных исследований ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» в области применения робототехники для задач точного земледелия, работ ФГБОУ ВО «РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева» по автоматизации технологических процессов в животноводстве, публикаций в журналах «Сельскохозяйственные машины и технологии», «Техника и оборудование для села». Вместе с тем, вопросы разработки адаптивных систем управления малогабаритными роботами на основе визуальных меток для специфических условий сельскохозяйственных помещений остаются недостаточно проработанными, что определяет научную и практическую значимость настоящего исследования [1, c. 15].

Развитие робототехнических систем для внутрипроизводственной логистики и мониторинга в АПК требует решения комплекса технических задач, связанных с обеспечением точности позиционирования в условиях ограниченной видимости, наличия пыли, повышенной влажности, переменной освещенности. Традиционные системы навигации на основе глобальных спутниковых систем позиционирования неприменимы внутри помещений, что обусловливает необходимость использования альтернативных методов локализации. Системы визуальной навигации по искусственным меткам представляют собой экономически эффективное решение, позволяющее достичь требуемой точности управления движением при минимальных затратах на инфраструктуру [5, c. 42].

Цель выпускной квалификационной работы заключается в разработке системы автоматического управления движением малогабаритного робота по визуальным меткам для применения в условиях сельскохозяйственных производственных помещений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать современное состояние и перспективы развития агроробототехники в контексте реализации государственной научно-технической политики Российской Федерации;
• изучить нормативно-правовую базу эксплуатации автономных систем в сельском хозяйстве и требования профильных стандартов;
• исследовать принципы визуальной навигации и классифицировать системы оптических меток для позиционирования внутри помещений;
• обосновать выбор аппаратной платформы и метода распознавания визуальных идентификаторов с учетом специфики сельскохозяйственных объектов;
• разработать структуру адаптивной системы управления и алгоритмы обработки видеопотока в режиме реального времени;
• провести экспериментальную оценку разработанной системы и рассчитать экономическую эффективность ее внедрения в аграрное производство.

Объектом исследования является малогабаритный мобильный робот, предназначенный для автономного перемещения внутри производственных помещений сельскохозяйственного назначения.

Предметом исследования выступает система автоматического управления движением робота на основе обработки изображений визуальных меток с применением методов компьютерного зрения.

Методологическая база исследования включает теоретические методы анализа научно-технической литературы и нормативной документации, системный подход к проектированию робототехнических комплексов, методы теории автоматического управления, алгоритмы цифровой обработки изображений и компьютерного зрения, экспериментальные методы испытаний опытного образца, методы технико-экономического анализа. Нормативную основу составили ГОСТ Р 60.0.0.4-2019 «Роботы и робототехнические устройства», ГОСТ Р ИСО 8373-2014 «Роботы и робототехнические устройства. Термины и определения», ГОСТ Р 58279-2018 «Роботы и робототехнические устройства промышленные», Стратегия развития сельскохозяйственного машиностроения России на период до 2030 года [12, c. 8].

Научная новизна работы заключается в разработке адаптивного алгоритма управления траекторией движения малогабаритного робота, учитывающего специфические условия сельскохозяйственных помещений и обеспечивающего устойчивое распознавание визуальных меток при переменной освещенности и наличии загрязнений оптической системы.

Теоретическая значимость исследования состоит в систематизации методов визуальной навигации мобильных роботов применительно к задачам автоматизации технологических процессов в закрытых помещениях АПК. Практическая значимость определяется возможностью использования разработанной системы для автоматизации операций мониторинга, инспекции и внутренней логистики на животноводческих фермах, птицефабриках, тепличных комплексах, что позволит сократить затраты ручного труда и повысить эффективность производственных процессов.

Структура выпускной квалификационной работы включает введение, три главы основной части, заключение и список использованной литературы. В первой главе рассматриваются теоретические и нормативно-правовые основы применения робототехники в АПК РФ. Во второй главе проводится обоснование технических решений и анализ среды эксплуатации мобильного робота. Третья глава посвящена проектированию и экспериментальной

…