Робототехнический набор для изучения автономных мобильных роботов с системой технического зрения

Состав набора

Робототехнический набор для изучения автономных мобильных роботов с системой технического зрения включает полный комплект механических, электронных и программных компонентов для сборки современной мобильной роботизированной платформы TurtleBot3 Waffle Pi.

Комплект предназначен для изучения автономной навигации, программирования робототехнических систем, компьютерного зрения, построения карт окружающего пространства и разработки интеллектуальных мобильных роботов.

Основой набора является модульная роботизированная платформа увеличенного размера с открытой архитектурой, позволяющая изменять конструкцию, устанавливать дополнительные компоненты и создавать собственные инженерные проекты.

Мобильная роботизированная платформа TurtleBot3 Waffle Pi

Конструкция робота выполнена на базе модульной системы Waffle Plate. Перфорированные монтажные пластины позволяют изменять расположение компонентов, устанавливать дополнительные датчики и адаптировать платформу под различные образовательные задачи.

В состав конструкции входят:

• модульные монтажные пластины Waffle Plate;
• соединительные стойки;
• крепежные элементы;
• кронштейны и монтажные адаптеры;
• элементы крепления электронных компонентов;
• комплект соединительных деталей.

Открытая конструкция позволяет изучать внутреннее устройство мобильного робота, выполнять обслуживание компонентов и проводить модернизацию платформы.

Система движения

Передвижение робота осуществляется при помощи двухколесной дифференциальной системы с независимым управлением каждым ведущим колесом.

В систему движения входят:

• интеллектуальные сервомоторы DYNAMIXEL XM430-W210 — 2 шт.;
• ведущие колеса;
• цепные колеса для установки шин и гусениц;
• элементы крепления приводов.

Интеллектуальные сервомоторы DYNAMIXEL позволяют управлять скоростью, положением и направлением вращения, обеспечивая точное движение мобильной платформы.

360° лазерный дальномер LiDAR

Робот оснащен лазерным датчиком кругового сканирования пространства LDS-02, предназначенным для автономной навигации и анализа окружающей среды.

LiDAR используется для:

• измерения расстояния до объектов;
• обнаружения препятствий;
• создания цифровой карты помещения;
• локализации положения робота;
• работы алгоритмов SLAM-навигации.

Сканирование пространства на 360 градусов позволяет роботу ориентироваться в окружающей среде и самостоятельно планировать движение.

Система технического зрения

В состав набора входит камера Raspberry Pi Camera Module v2.1, предназначенная для получения и обработки визуальной информации.

Камера позволяет выполнять:

• получение видеопотока;
• обработку изображений;
• обнаружение объектов;
• распознавание элементов окружающей среды;
• изучение алгоритмов компьютерного зрения.

Использование камеры совместно с LiDAR расширяет возможности автономного поведения робота и позволяет создавать более сложные проекты.

Одноплатный компьютер Raspberry Pi 4

Для обработки данных и запуска программ используется одноплатный вычислительный компьютер Raspberry Pi 4 Model B.

Основные возможности:

• запуск операционной системы Linux;
• работа с ROS;
• обработка данных от сенсорных модулей;
• работа с компьютерным зрением;
• создание автономных алгоритмов управления;
• подключение дополнительных устройств через интерфейсы расширения.

Контроллер управления OpenCR

Управление исполнительными механизмами и взаимодействие электронных компонентов осуществляется с помощью контроллера OpenCR.

Основные характеристики и возможности:

• 32-разрядный микроконтроллер ARM Cortex-M7;
• управление приводами DYNAMIXEL;
• обработка данных от датчиков;
• взаимодействие с одноплатным компьютером Raspberry Pi;
• поддержка интерфейсов подключения периферийных устройств;
• возможность разработки собственных алгоритмов управления.

Контроллер обеспечивает связь между вычислительным модулем, приводами, датчиками и системой питания робота.

Датчики положения и движения

Робот оснащен сенсорными компонентами, необходимыми для определения положения, движения и ориентации платформы в пространстве.

В состав сенсорной системы входят:

• 3-осевой гироскоп;
• 3-осевой акселерометр;
• 3-осевой магнитометр;
• энкодеры приводов.

Датчики позволяют контролировать перемещение робота, анализировать его положение и корректировать траекторию движения.

Модуль Bluetooth для дистанционного управления

В состав комплекта входит Bluetooth-модуль, предназначенный для беспроводного управления мобильной платформой.

Модуль используется для:

• подключения пульта дистанционного управления;
• передачи команд на роботизированную платформу;
• настройки режимов работы;
• управления роботом без проводного подключения.

Аккумуляторная система питания

Автономная работа робота обеспечивается литий-полимерным аккумулятором Li-Po 11.1 В, 1800 мА·ч.

Аккумуляторная система питания обеспечивает работу:

• одноплатного компьютера Raspberry Pi;
• контроллера OpenCR;
• сервомоторов DYNAMIXEL;
• лазерного дальномера LiDAR;
• камеры Raspberry Pi;
• модуля Bluetooth.

Программное обеспечение

Робот поддерживает работу с современными программными средствами разработки мобильных робототехнических систем.

В процессе обучения используются:

• операционная система Linux;
• робототехническая среда ROS;
• программирование алгоритмов движения;
• работа с SLAM-навигацией;
• построение карты окружающего пространства;
• обработка данных с датчиков;
• разработка проектов компьютерного зрения;
• создание автономных сценариев поведения.

Программное обеспечение позволяет изучать принципы работы современных автономных роботов и создавать собственные исследовательские проекты.

Основные компоненты набора

• мобильная роботизированная платформа TurtleBot3 Waffle Pi;
• изменяемая модульная структура Waffle Plate;
• 360° лазерный дальномер LDS-02 для построения карт, локализации, SLAM и навигации;
• одноплатный компьютер Raspberry Pi 4 Model B;
• контроллер OpenCR на базе 32-разрядного ARM Cortex-M7;
• камера Raspberry Pi Camera Module v2.1;
• два сервомотора DYNAMIXEL XM430-W210 для управления колесами;
• цепные колеса для шин и гусениц;
• литий-полимерный аккумулятор Li-Po 11.1 В, 1800 мА·ч;
• модуль Bluetooth для пульта дистанционного управления;
• комплект кабелей, крепежных и монтажных элементов.

Сравнение TurtleBot3 Waffle Pi и TurtleBot3 Burger

Параметр	Waffle Pi	Burger
Максимальная скорость поступательного движения	0,26 м/с	0,22 м/с
Максимальная угловая скорость	1,82 рад/с (104,27 град/с)	2,84 рад/с (162,72 град/с)
Максимальная полезная нагрузка	30 кг	15 кг
Размер (Д х Ш х В)	281 х 306 х 141 мм	138 х 178 х 192 мм
Вес в сборе	1,8 кг	1 кг
Время работы	≈ 2 ч	≈ 2 ч 30 мин
Время зарядки	≈ 2 ч 30 мин	≈ 2 ч 30 мин
Сервомотор DYNAMIXEL	XM430-W210	XL430-W250
Одноплатный компьютер	Raspberry Pi 4 Model B	Raspberry Pi 3
Встроенный контроллер	OpenCR, 32-разрядный ARM Cortex-M7	OpenCR, 32-разрядный ARM Cortex-M7
Датчики	камера Raspberry Pi; 360° лазерный дальномер LiDAR; 3-осевой гироскоп; 3-осевой акселерометр; 3-осевой магнитометр	360° лазерный дальномер LiDAR; 3-осевой гироскоп; 3-осевой акселерометр; 3-осевой магнитометр

Главное отличие TurtleBot3 Waffle Pi от базовой версии TurtleBot3 Burger заключается в увеличенной модульной платформе, наличии камеры технического зрения, более высокой полезной нагрузке и расширенных возможностях для проектов, связанных с компьютерным зрением, автономной навигацией и исследовательской робототехникой.

Практические работы

Робототехнический набор для изучения автономных мобильных роботов с системой технического зрения позволяет проводить практические занятия по мобильной робототехнике, программированию, автономной навигации, построению карт и обработке визуальной информации.

В процессе работы учащиеся изучают устройство современной роботизированной платформы TurtleBot3 Waffle Pi, осваивают принципы управления движением, подключение сенсорных модулей, работу с LiDAR, камерой технического зрения и программной средой ROS.

Изучение конструкции мобильного робота

Практическая работа направлена на знакомство с устройством платформы TurtleBot3 Waffle Pi и назначением её основных компонентов.

• изучение модульной конструкции Waffle Plate;
• анализ расположения электронных компонентов;
• изучение системы движения робота;
• знакомство с LiDAR, камерой, контроллером OpenCR и Raspberry Pi;
• изучение принципов взаимодействия механики, электроники и программного обеспечения.

Работа помогает понять, как устроен автономный мобильный робот и каким образом отдельные компоненты объединяются в единую систему.

Сборка и настройка роботизированной платформы

Учащиеся выполняют подготовку робота к работе, проверяют подключение компонентов и настраивают основные узлы системы.

• сборка модульного шасси;
• установка сервомоторов DYNAMIXEL;
• монтаж контроллера OpenCR;
• подключение Raspberry Pi;
• установка LiDAR и камеры Raspberry Pi;
• подключение аккумулятора и кабелей;
• первичная проверка работоспособности системы.

Управление движением робота

Практическая работа посвящена изучению принципов управления двухколесной дифференциальной платформой.

• запуск движения робота;
• управление скоростью;
• изменение направления движения;
• выполнение поворотов;
• движение по заданной траектории;
• остановка и выполнение последовательности команд.

Учащиеся изучают особенности управления мобильной платформой и получают практические навыки программирования движения.

Работа с ROS

Практические занятия позволяют познакомиться с робототехнической средой ROS и принципами разработки программ для автономных роботов.

• запуск ROS-узлов;
• обмен данными между компонентами робота;
• работа с топиками и сообщениями;
• получение данных от датчиков;
• управление движением через программные команды;
• создание простых автономных сценариев.

Работа с LiDAR и построение карты

С помощью лазерного дальномера учащиеся изучают методы сканирования пространства и построения карты окружающей среды.

• получение данных с 360° LiDAR;
• обнаружение препятствий;
• анализ расстояния до объектов;
• построение карты помещения;
• сохранение и использование карты для дальнейшей навигации.

Изучение SLAM-навигации

Практическая работа направлена на освоение алгоритмов одновременной локализации и построения карты.

• запуск процесса SLAM;
• создание карты окружающего пространства;
• определение положения робота на карте;
• анализ траектории движения;
• корректировка маршрута на основе данных датчиков.

Автономная навигация

На данном этапе учащиеся создают сценарии, в которых робот самостоятельно перемещается по заданному маршруту.

• задание целевых точек на карте;
• построение маршрута;
• движение между точками;
• объезд препятствий;
• автономное выполнение команд;
• анализ результатов движения.

Работа с камерой технического зрения

Наличие камеры Raspberry Pi позволяет проводить практические занятия, связанные с получением и обработкой визуальной информации.

• получение видеопотока с камеры;
• настройка параметров изображения;
• обработка кадров;
• обнаружение объектов;
• анализ визуальных данных;
• изучение основ компьютерного зрения.

Совмещение данных LiDAR и камеры

Учащиеся могут выполнять задания, в которых робот использует данные лазерного сканирования и технического зрения одновременно.

• сравнение данных от LiDAR и камеры;
• анализ препятствий и объектов;
• создание алгоритмов реакции на окружающую среду;
• повышение точности автономного движения;
• разработка интеллектуальных сценариев поведения.

Разработка собственных проектов

После освоения базовых возможностей платформы учащиеся могут создавать собственные робототехнические проекты.

• мобильный робот для автономного перемещения;
• робот для построения карты помещения;
• робот с компьютерным зрением;
• система обнаружения препятствий;
• робот для движения между заданными точками;
• исследовательская платформа на базе ROS.

Практические работы с TurtleBot3 Waffle Pi позволяют пройти полный цикл создания автономного мобильного робота: от сборки и настройки платформы до программирования навигации, построения карты и обработки визуальной информации.

Техническое задание №1

Робототехнический набор для изучения автономных мобильных роботов с системой технического зрения

• Мобильный робот ≥ 1 шт.
• Конструкция мобильного робота выполнена по модульному типу, что позволяет осуществлять сборку и разборку, а также изменение конструкции в зависимости от выполняемых учебных и исследовательских задач: наличие.
• Изменяемая модульная структура корпуса с возможностью установки дополнительных электронных компонентов и сенсорных модулей: наличие.
• Модульные монтажные пластины для формирования конструкции мобильной платформы: наличие.
• Комплект соединительных элементов, стоек и крепежных деталей для сборки конструкции: наличие.
• Максимальная скорость поступательного движения робота: не менее 0,26 м/с.
• Максимальная угловая скорость движения робота: не менее 1,82 рад/с.
• Максимальная полезная нагрузка мобильной платформы: не менее 30 кг.
• Габаритные размеры робота (ДхШхВ): не более 281х306х141 мм.
• Вес робота в сборе: не более 1,8 кг.
• Система движения мобильного робота: наличие.
• Тип системы движения: двухколесная дифференциальная платформа.
• Интеллектуальные сервомоторы для управления ведущими колесами ≥ 2 шт.
• Тип сервомоторов: DYNAMIXEL XM430-W210.
• Сервомотор представляет собой единый электромеханический модуль, включающий двигатель постоянного тока, редуктор, встроенную систему управления и датчик обратной связи: наличие.
• Возможность управления скоростью вращения привода: наличие.
• Возможность управления положением выходного вала: наличие.
• Возможность получения обратной связи от привода: наличие.
• Возможность контроля нагрузки и состояния сервомотора: наличие.
• Интерфейс управления приводами: наличие.
• Колеса мобильной платформы: наличие.
• Цепные колеса для установки шин и гусениц: наличие.
• 360° лазерный сканирующий дальномер (LiDAR) ≥ 1 шт.
• Тип лазерного дальномера: LDS-02.
• Возможность кругового сканирования окружающего пространства: наличие.
• Сектор сканирования пространства: не менее 360 градусов.
• Возможность определения расстояния до окружающих объектов: наличие.
• Возможность обнаружения препятствий при движении робота: наличие.
• Возможность построения карты окружающего пространства: наличие.
• Поддержка алгоритмов одновременной локализации и построения карты (SLAM): наличие.
• Возможность использования данных лазерного сканирования для автономной навигации: наличие.
• Модуль технического зрения ≥ 1 шт.
• Тип модуля технического зрения: камера Raspberry Pi Camera Module v2.1.
• Возможность получения изображения окружающего пространства в режиме реального времени: наличие.
• Возможность передачи видеопотока на вычислительный модуль робота: наличие.
• Возможность обработки визуальной информации средствами программного обеспечения: наличие.
• Возможность разработки алгоритмов компьютерного зрения: наличие.
• Возможность обнаружения и распознавания объектов с использованием изображения с камеры: наличие.
• Возможность совместной обработки данных с камеры и лазерного дальномера для анализа окружающей среды: наличие.
• Встроенный вычислительный модуль ≥ 1 шт.
• Тип вычислительного модуля: одноплатный компьютер.
• Модель вычислительного модуля: Raspberry Pi 4 Model B.
• Архитектура процессора: ARM.
• Количество вычислительных ядер процессора: не менее 4 шт.
• Оперативная память вычислительного модуля: не менее 2 ГБ.
• Наличие интерфейса USB: наличие.
• Количество портов USB: не менее 4 шт.
• Интерфейс Ethernet: наличие.
• Интерфейс беспроводной передачи данных Wi-Fi: наличие.
• Интерфейс Bluetooth: наличие.
• Интерфейс GPIO для подключения дополнительных устройств: наличие.
• Возможность запуска операционной системы Linux: наличие.
• Возможность выполнения пользовательских программ непосредственно на борту мобильного робота: наличие.
• Контроллер управления мобильной платформой ≥ 1 шт.
• Тип контроллера: OpenCR.
• Архитектура микроконтроллера: 32-разрядный ARM Cortex-M7.
• Тактовая частота микроконтроллера: не менее 200 МГц.
• Возможность управления интеллектуальными сервоприводами: наличие.
• Возможность обмена данными между вычислительным модулем и исполнительными устройствами: наличие.
• Возможность подключения дополнительных электронных компонентов: наличие.
• Интерфейс UART: наличие.
• Интерфейс CAN: наличие.
• Интерфейс SPI: наличие.
• Интерфейс I2C: наличие.
• Интерфейс USB: наличие.
• Порты подключения сервоприводов DYNAMIXEL: наличие.
• Инерциальный измерительный модуль: наличие.
• 3-осевой гироскоп: наличие.
• 3-осевой акселерометр: наличие.
• 3-осевой магнитометр: наличие.
• Возможность определения положения и ориентации робота в пространстве: наличие.
• Возможность использования данных датчиков для корректировки движения: наличие.
• Аккумуляторная батарея ≥ 1 шт.
• Тип аккумуляторной батареи: литий-полимерная Li-Po.
• Напряжение аккумуляторной батареи: 11.1 В.
• Емкость аккумуляторной батареи: не менее 1800 мА·ч.
• Ожидаемое время автономной работы робота: не менее 2 ч.
• Ожидаемое время зарядки аккумуляторной батареи: не более 2 ч 30 мин.
• Модуль Bluetooth для дистанционного управления ≥ 1 шт.
• Возможность беспроводного управления мобильной платформой: наличие.
• Возможность подключения пульта дистанционного управления: наличие.
• Программное обеспечение для работы с мобильным роботом: наличие.
• Поддержка операционной системы Linux: наличие.
• Поддержка робототехнической среды ROS: наличие.
• Возможность программирования с помощью скриптов на языке Python: наличие.
• Возможность программирования на языке C/C++: наличие.
• Возможность разработки алгоритмов управления движением мобильного робота: наличие.
• Возможность получения и обработки данных от сенсорных модулей: наличие.
• Возможность построения карты окружающего пространства: наличие.
• Возможность локализации робота на построенной карте: наличие.
• Возможность автономного планирования маршрута движения: наличие.
• Возможность объезда статических препятствий: наличие.
• Возможность работы с видеоданными с камеры технического зрения: наличие.
• Возможность разработки проектов компьютерного зрения: наличие.
• Возможность использования алгоритмов SLAM-навигации: наличие.
• Возможность моделирования алгоритмов управления в виртуальном окружении: наличие.
• Учебное пособие на русском языке ≥ 1 шт.
• Инструкция по сборке и эксплуатации ≥ 1 шт.