Robootika on ainulaadne segu teadusest ja tehnoloogiast, mis toodab masinaid, mis jäljendavad inimeste tegevust.
2000. aastate alguses oli 90% robotitest autode tootmistehastes, mis asendasid inimesi korduvate ülesannete jaoks. Nüüd saavad robotid maju tolmuimejaga imeda ja isegi restoranides teenindada.
Robot koosneb tavaliselt kolme tüüpi komponentidest; mehaaniline korpus; elektriline skelett ja lõpuks koodiga tehtud aju.
Need komponendid võimaldavad robotil koguda andmeid (sageli anduritelt), teha programmeeritud loogika kaudu otsuseid käitumise kohandamiseks ja ülesannete täitmiseks.
Robotitel võib olla kolme tüüpi programme; Kaugjuhtimispult (RC), Tehisintellekt (AI) või hübriid.
RC-programmid nõuavad inimese sekkumist, kes suudab anda robotile koodi täitmiseks algus- ja/või stoppsignaali. Programmid koosnevad erinevat tüüpi algoritmidest, millest igaühel on erinev funktsioon.
Mis on algoritm?
Algoritm on koodiridade jada, mida robot saab kasutada teatud juhiste täitmiseks. See tõlgib arendaja ideed robotitele arusaadavasse keelde.
Algoritme saab väljendada erinevat tüüpi tähistusega, sealhulgas pseudokood, vooskeemid, programmeerimiskeeledvõi juhtlauad.
Selles artiklis käsitleme mõningaid nendes programmides kasutatavaid algoritme.
Robootikas kasutatavate algoritmide tüübid
1. Igal ajal A* algoritm
A* algoritm on teeotsingu algoritm, mida kasutatakse kahe punkti vahelise kõige optimaalseima ehk väikseima kuluga tee leidmiseks.
Anytime A* algoritmil on paindlik ajakulu ja see võib tagastada lühima tee isegi siis, kui see katkeb, kuna see genereerib esmalt mitteoptimaalse lahenduse ja seejärel optimeerib selle.
See võimaldab kiiremat otsuste langetamist, kuna robot saab nullist alustamise asemel tugineda varasematele arvutustele.
Kuidas see toimib?
See teeb seda, moodustades "puu", mis ulatub algussõlmest kuni lõpetamise kriteeriumide käivitamiseni, mis tähendab, et saadaval on odavam tee.
2D ruudustik koostatakse takistustega ning lähterakk ja sihtlahtrid on nööpnõelaga näidatud.
Algoritm määratleb sõlme väärtuse f-ga, mis on parameetrite g (algsõlmest kõnealusesse sõlme liikumise maksumus) ja h (kõnealusest sõlmest sihtsõlme liikumise maksumus) summa.
Rakendused
Paljud mängud ja veebipõhised kaardid kasutavad seda algoritmi lühima tee tõhusaks leidmiseks. Seda saab kasutada ka mobiilsete robotite jaoks.
Samuti saate lahendada selliseid keerulisi probleeme nagu Newton-Raphson iteratsioon, mida rakendatakse arvu ruutjuure leidmiseks.
Seda kasutatakse ka trajektooriprobleemides, et ennustada objekti liikumist ja kokkupõrget ruumis.
2. D* algoritm
D*, Focused D* ja D* Lite on inkrementaalsed otsingualgoritmid lühima tee leidmiseks kahe punkti vahel.
Need on aga segu A*-algoritmidest ja uutest avastustest, mis võimaldavad neil lisada oma kaartidele teavet tundmatute takistuste kohta.
Seejärel saavad nad uue teabe põhjal marsruudi ümber arvutada, nagu Mars Rover.
Kuidas see toimib?
D* algoritmi töö on sarnane A* omaga, algoritm defineerib esmalt f, h ja loob avatud ja suletud loendi.
Pärast seda määrab D* algoritm praeguse sõlme g väärtuse, kasutades selle naabersõlmede g väärtust.
Iga naabersõlm arvab oma praeguse g väärtuse ja lühim g väärtus kohandatakse uueks g väärtuseks.
Rakendused
D* ja selle variante kasutatakse laialdaselt mobiilse roboti ja autonoomne sõiduk navigeerimine.
Sellised navigatsioonisüsteemid hõlmavad prototüüpsüsteemi, mida testiti Marsil kulguritel Opportunity ja Spirit, ning navigatsioonisüsteemi, mis võitis DARPA Urban Challenge.
3. PRM algoritm
PRM ehk tõenäosuslik teekaart on võimalike teede võrgugraafik, mis põhineb antud kaardil vabadel ja hõivatud aladel .
Neid kasutatakse keerulistes planeerimissüsteemides ja ka odavate teede leidmiseks takistustest mööda.
PRM-id kasutavad oma kaardil juhuslikku valimit punktidest, kus robotseade võib liikuda, ja seejärel arvutatakse lühim tee.
Kuidas see toimib?
PRM koosneb ehitus- ja päringufaasist.
Esimeses etapis koostatakse teekaart, mis annab ligikaudse hinnangu keskkonnas toimuvatele võimalikele liikumistele. Seejärel luuakse juhuslik konfiguratsioon ja ühendatakse see mõne naabriga.
Alguse ja eesmärgi konfiguratsioonid ühendatakse päringufaasis graafikuga. Seejärel saadakse tee a Dijkstra lühim tee päring.
Rakendused
PRM-i kasutatakse kohalikes planeerijates, kus algoritm arvutab sirge tee kahe punkti, nimelt alg- ja eesmärgipunktide vahel.
Algoritmi saab kasutada ka tee planeerimise ja kokkupõrgete tuvastamise rakenduste täiustamiseks.
4. Nullmomendi punkti (ZMP) algoritm
Nullmomendi punkt (ZMP tehnika) on algoritm, mida robotid kasutavad selleks, et hoida kogu inerts põranda reaktsioonijõule vastupidisena.
See algoritm kasutab ZMP arvutamise kontseptsiooni ja rakendab seda kahejalgsete robotite tasakaalustamiseks. Selle algoritmi kasutamine siledal põrandapinnal võimaldab näiliselt robotil kõndida nii, nagu poleks hetkegi.
Tootmisettevõtted nagu ASIMO (Honda) kasutavad seda tehnikat.
Kuidas see toimib?
Kõnniroboti liikumine planeeritakse nurkmomendi võrrandi abil. See tagab, et genereeritud liigeste liikumine tagab roboti dünaamilise asendi stabiilsuse.
Seda stabiilsust kvantifitseeritakse nullmomendi punkti kaugusega (arvutatud algoritmiga) eelnevalt määratletud stabiilsuspiirkonna piirides.
Rakendused
Nullmomendi punkte saab kasutada mõõdikuna, et hinnata robotite, nagu iRobot PackBot, stabiilsust ümbermineku vastu kaldteedel ja takistustel navigeerimisel.
5. Proportsionaalse integraaldiferentsiaali (PID) juhtimisalgoritm
Proportsionaalne integraalne diferentsiaaljuhtimine ehk PID loob anduri tagasisideahela, et reguleerida mehaaniliste komponentide sätteid veaväärtuse arvutamise teel.
Need algoritmid ühendavad kõik kolm põhikoefitsienti, st proportsiooni, integraali ja tuletise, nii et see annab juhtsignaali.
See töötab reaalajas ja rakendab vajadusel parandusi. Seda on näha ise sõidu autod.
Kuidas see toimib?
Täpse ja optimaalse juhtimise rakendamiseks kasutab PID-regulaator oma väljundile kolme proportsionaalsuse, integraalse ja tuletismõju reguleerimise tingimust.
See kontroller arvutab pidevalt veaväärtust kui erinevust soovitud seadeväärtuse ja mõõdetud protsessimuutuja vahel.
Seejärel rakendab see parandust, et minimeerida aja jooksul esinevat viga, reguleerides juhtmuutujat.
Rakendused
See kontroller saab juhtida mis tahes protsessi, millel on mõõdetav väljund, selle väljundi teadaolev ideaalväärtus ja protsessi sisend, mis mõjutab mõõdetavat väljundit.
Kontrollereid kasutatakse tööstuses temperatuuri, rõhu, jõu, kaalu, asendi, kiiruse ja muude muutujate reguleerimiseks, mille jaoks on mõõtmine olemas.
Järeldus
Niisiis, need olid ühed kõige levinumad robootikas kasutatavad algoritmid. Kõik need algoritmid on üsna keerulised ning toimingute ja liikumise kaardistamiseks kasutatakse segu füüsikast, lineaaralgebrast ja statistikast.
Kuid tehnoloogia arenedes muutuvad robootika algoritmid veelgi keerukamaks. Robotid saavad rohkem ülesandeid täita ja rohkem ise mõelda.
Kui teile see artikkel meeldis, tellige HashDorki nädalaleht uuendused meili teel, kus jagame uusimaid AI, ML, DL, programmeerimise ja tulevikutehnoloogia uudiseid.
Jäta vastus