XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот-курьер на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хохлов А.А. 1Томилов А.А. 1Хабекенов И.А. 1Хабекенов И.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейн

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейн

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Уже сейчас человека окружает большое количество технологий и разработок, которые автоматизируют процессы: приложения, боты, ассистенты и так далее. 

 Пандемия коронавируса способствовала взрывному росту количества заказов в интернет-магазинах – с начала 2020 года все больше людей стали делать покупки онлайн, заказывать домой еду и другие товары, однако нехватка рабочей силы в ряде отраслей, включая доставку заказов, оказалась большой проблемой. Возможность и эффективность использования роботов для бесконтактной доставки, приобретает в последнее время невероятную актуальность.

Цель: создание робота-курьера на базе конструктора Lego Mindstorms для демонстрации автономной работы на дорогах общественного пользования.

Задачи:

-Провести сравнительный анализ действующих роботов-курьеров

-Изучить их устройство и принцип работы

-Сгенерировать ряд идей по созданию будущей модели

-Создать модель робота-курьера

-Создать программу для робота-курьера

-Создать программу для мобильного телефона, роль которого выполняет программируемый блок EV3

-Провести демонстрацию автономной доставки товаров

В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: https://robotrends.ru и https://habr.com. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [1]

Глава 1. Внедрение роботов-курьеров

С 2016 года началось коммерческое применение уличных роботов-курьеров. Одна из непростых задач для создателей таких роботов, - это разработка алгоритма, который бы позволял роботу находить свой путь в потоке людей, но так, чтобы исключить риск столкновения с ними, по-крайней мере, по вине робота. 

Трудно недооценить эффективность использования наземных роботов-курьеров. Как ожидается, это приведет к снижению стоимости доставки по-сравнению с использованием курьеров-людей, а значит, снизится себестоимость оказания услуги, что послужит дополнительным стимулом к внедрению таких устройств. И, наконец, но не по степени важности, товар будет доставляться покупателю быстрее! [2]

Только в Москве, по данным Росстата, работают до 35 тысяч курьеров. По стране их число выросло до 303 тысяч человек, а средняя зарплата поднялась на 16,8 процента. Из роста спроса и доходов вытекает рост перегруженности доставщиков, как итог - забастовками курьеров отметились Москва, Екатеринбург и Петербург. [3]

Роботы-курьеры лучше всего подходят для решения проблемы последней мили в логистике и сервисах доставки, а также для работы в крупных логистических центрах и на складах. 

Экономика использования роботов понятна: ему не нужно платить зарплату, он может работать 24 часа в сутки, не болеет и решаются многие другие проблемы, которые есть при работе людей-курьеров. Например безопасность курьеров и грузов при работе в неблагополучных районах и городах мира. [4]

Сложности внедрения роботов-курьеров в России:

-Потребности в такого рода автоматизации нет, курьеров много, их использование экономически эффективно;

-Нет ПДД для наземных беспилотников;

-Нет процедур сдачи-приемки товара у роботизированных курьеров (электронной транспортной накладной), нет процедуры разрешения споров при выявлении ошибок, недостачи или повреждения товаров. 

-роботы курьеры не могут проникать на территории дворов, огороженные заборами с управляемыми через домофон калитками, они не могут заезжать в подъезд, подниматься на лифте до дверей в квартиру заказчика.

-грязь, лужи, некачественное покрытие тротуаров, постоянные ремонты тротуаров; зимой снег и лед, низкие температуры 

-вандалы, воры

Глава 2. Разновидности роботов-курьеров

Робот-курьер «Yandex» (Рисунок 2.1, Приложения)

В 2019 г. в «Яндексе» говорили, что устройство получило имя «Яндекс.ровер» за сходство с луноходом — дрон перемещается по суше за счет вращения шести колес (в действительности название Lunar Rover Vehicle носил четырехколесный электромобиль американских астронавтов, на котором они ездили по Луне).

Роверы постоянно усовершенствуются, на данный момент Yandex изготовил и обкатал три с половиной поколения роботов.

У последнего поколения ряд преимуществ:

-грузоподъёмная и быстрая платформа

- рессорная подвеска каждой оси

-сенсоры -усовершенствованный лидар используется для определения положения робота в пространстве — локализации и обнаружения объектов

-установлена серьёзная серверная x86-платформа с двумя процессорами и тремя видеокартами

-стабильные колеса

-Общая мощность составляет 1,5 кВт, заявленная скорость — 8 км/ч в пешеходных зонах.

На март 2021 существует порядка 35 таких роботов, работающих в опытно-коммерческой эксплуатации в отдельных районах Москвы. Подробные характеристики данного робота мы рассмотрим в главе 3.

Австралийский робот-курьер (Рисунок 2.2, Приложения)
Робот-курьер для доставки пиццы. Автономный. Багажное отделение разблокируется вводом кода в мобильном приложении покупателя. Максимальная скорость - до 20 км/ч. Ориентация по GPS. Li-Ion - батарея. Зарядка от сети 220 В.

Робот-курьер в США (Рисунок 2.3, Приложения)

Принадлежащая Intel компания Mobileye и Udelv развернут 35 тыс. робокаров 4 уровня автономности к 2028 году. Первую тысячу систем уже предзаказал Donlen - платформы будут развернуты в 2023 году. Автопилот Mobileye полагается на 13 камер, 3 лидара дальнего действия, 6 лидаров ближнего действия, 6 радаров и однокристальную систему EyeQ, электрическая модульная робоплатформа разгоняется до 105 км/ч. Mobileye сотрудничает с Ford и Volkswagen, Udelv тестирует доставку в Оклахома-Сити и сотрудничает с Walmart в Аризоне. 

Швейцарский робот-курьер (Рисунок 2.4, Приложения)
Швейцарский стартап TeleRetail разработал робота-посыльного, предназначенного для сельской местности и пригородов: устройство способно доставить груз на расстояние порядка 80 км.

Робот-курьер Турция (Рисунок 2.5, Приложения)

Способный перевозить до 30 кг полезного груза. На разработку затрачено порядка 8 месяцев. С ним экспериментируют в Университете Богазичи в Стамбуле. Запас хода - до 100 км без подзарядки, скорость - до 10 км/ч. Телеоператоры задают роботу курс, поэтому один диспетчер может вести до 5 роботов одновременно. Способны работать в дождливую погоду и в зимних условиях. Выпущено 10 полуавтономных роботов PIKA, до конца 2021 года планируется нарастить их число до 100.

Глава 3. Устройство и принцип работы

Подробно устройство робота-курьера мы рассмотрим на примере одного из популярных роверов последнего поколения Yandex R3. (Рисунок 3.1, Приложения)

Вместительность: перевозить Yandex R3 может до 20 кг полезного груза в отсеке объёмом 60 л — это шесть пицц диаметром 40 см и три двухлитровые бутылки Кока-Колы. (Рисунок 3.1, Приложения)

Защита грузового отсека: крышка робота открывается и закрывается автоматически: для этого достаточно нажать кнопку в приложении. Робот третьего поколения научился обнаруживать попытки пользователя закрыть крышку рукой и помогать ему в этом. Грузовой отсек запирается на замок и открывается только из приложения и только для получателя заказа.

Аккумулятор: R3 может ездить 8 часов, батарейку можно заменить за несколько секунд — робот сразу же поедет доставлять дальше. Чтобы обеспечить горячую замену, робот оборудован резервной несъёмной батареей небольшой ёмкости. 

Датчики: установлен лидар, у которого 64 луча и большой угол зрения по вертикали. Чтобы лучше задействовать большое поле зрения, лидар установлен в переднюю часть робота. А чтобы раньше замечать машины, когда робот пересекает пешеходные переходы, расположены ещё два радара по бокам. Радары позволяют детектировать движущиеся объекты и быстро оценивать скорость их приближения. Установлены дополнительные камеры со всех сторон. Ориентироваться в окружающем мире роботам помогает два радара, один лидар, пять камер, акселерометр и GNSS. Функциональную безопасность обеспечивают семь ультразвуковых сенсоров.(Рисунок 3.3, 3.4, Приложения)

Электронная начинка робота состоит из модулей вычислителя (CarrierBoard), контроллера платформы (PlatformControl), контроллера периферии (BodyControl) и трёх контроллеров колёс (MotorControl). (Рисунок 3.5, Приложения)

CarrierBoard — это «мозг» робота. С помощью алгоритмов, которые на нём запущены, робот распознаёт людей, машины и препятствия, планирует траекторию движения и локализуется в пространстве. На плате вычислителя расположен роутер, через который все компоненты связаны в единую бортовую сеть. Видеопотоки с камер тоже попадают напрямую в вычислитель.

PlatformControl отвечает за питание платформы, управляет ограничениями токов на каждой ветке питания, переключает питание на резервную батарею, когда основную вынимают. Также он формирует команды управления колёсами и собирает данные с ультразвуковых сенсоров.

MotorControl получают от PlatformControl задание скорости для каждого колеса и управляют токами в обмотках так, чтобы обеспечить заданную скорость в разных условиях движения. BodyControl отвечает за управление мотором крышки, замком и бортовым светом.
Все электронные компоненты расположены внутри герметичных корпусов.

Бó‎льшая часть корпуса робота выполнена из деталей, изготовленных из стеклопластика. Несущей основой робота являются поддон и корзина. На них навешивается всё остальное: подвеска, кронштейны сенсоров и электронных модулей, внешние панели. Доступ к электронике можно получить после съёма соответствующей панели. Сенсоры при этом остаются на грузовой корзине и не требуют перекалибровки после ремонта.

Масса пустого робота — 70 кг, максимальная скорость — 8 км/ч. У робота шесть ведущих мотор-колёс. Передняя ось на независимой рессорной подвеске, а задние две — на рессорно-балансирной (как у КАМАЗа, например). Минимальный дорожный просвет при полной загрузке — 100 мм. [5]

Глава 4. Создание робота-курьера на базе конструктора Lego Mindstorms

После изучения теории мы сразу же приступили к практической части. Для создания робота-курьера мы использовала набор Lego Mindstorms. В конструкции используется программируемый блок EV3 три мотора, инфракрасный датчик и датчик цвета.

Перемещение робота происходит за счет двух больших моторов, которые вращают два ведущих колеса, установленных спереди. Сзади у робота опорное колесико виде шарнира. (Рисунок 4.1, Приложения)

Изучив устройство робота Yandex R3, мы обратили внимание на грузовой отсек. В нашем роботе мы установили его так же, на задней части робота. Контейнер достаточно вместительный, но робот при этом остается компактным, что способствует его маневренности. (Рисунок 4.2, Приложения) Крышка у робота закрывается и открывается автоматически. В движение крышку контейнера приводит средний мотор, который открывает и закрывает крышку с помощью угловой зубчатой передачи. (Рисунок 4.3, Приложения)

Роль контролера играет программируемы блок EV3. Он установлен в передней части робота. На него приходят данные с датчиков, после чего он передает сигнал на моторы колес и крышки. (Рисунок 4.4, Приложения)

Инфракасный датчик играет роль лидара, чтобы задействовать большое поле зрения, он установлен в переднюю часть робота, так же как у робота R3. Он замечает объекты, например, пешехода. (Рисунок 4.5, Приложения)

Для того чтобы робот следовал определенной траектории, спереди установлен датчик цвета, который реагирует на черную линию и движется по ней. (Рисунок 4.5, Приложения)

Глава 5. Демонстрация робота-курьера с помощью ПО LEGO Mindstorms

Перед тем, как написать программу для робота-курьера мы выделили несколько условий, которые Rover должен выполнить:

Следовать четко намеченной траектории

Останавливаться у пункта назначения

Контейнер должен быть защищен с помощью кода

Реагировать на объекты, например, проходящего пешехода

Первое и второе условие робот выполняет с помощью датчика цвета и черной линии. Для этого мы использовали блок «Переключатель» в режиме «Измерение-Цвет». Робот выполняет действие в соответствие в увиденным цветом: белый движется влево, черный –вправо, при виде красного – останавливается, робот прибыл в точку назначения. (Рисунок 5.1, Приложения)

Далее выполняется третье условие. Изначально, при запуске робота курьера мы выбираем кодовое число и вводим его с помощью кнопок управления модулем, каждая кнопка имеет свое числовое обозначение: кнопка «влево» - 1, центральная кнопка -2, кнопка вправо – 3, кнопка вверх – 4, кнопка вниз -5. Далее значение записывается в переменную «Kod» и отправляется сообщением на телефон, роль которого играет второй блок EV3, для него создана отдельная программа. (Рисунок 5.2, Приложения). Дверь блокируется и открыть ее можно, только когда робот приедет в точку назначения и получатель введет код, то есть нажмет верную кнопку, о которой он узнает из сообщения.

Четвертое условие робот выполняет при помощи ультразвукового датчика, при обнаружении объекта ближе чем на 15 см «цикл» с «переключателем» прерывается, робот останавливается и издает оповестительный знак. Как только объект уходит с поля зрения робот продолжает движение по намеченному пути.

Заключение

Использование наземных роботов-курьеров эффективно по сравнению с курьерами-людьми. Обслуживание роботов ниже, а значит со временем снизится себестоимость оказания услуги. Также товар доставляется покупателю быстрее.

Наш проект демонстрирует принцип работы робота-курьера. Он может следовать четко намеченной траектории и останавливаться у пункта назначения. Робот безопасен, при виде пешехода он прекращает движение, пропуская его, по мимо этого с помощью встроенного динамика, доставщики умеет «общаться» с людьми. Для безопасного хранения груза, мы разработали отдельную программу. Для того чтобы открыть контейнер необходим ввести специальный код, который приходит на телефон.

Мы провели несколько экспериментов, отправив доставщика в разные части нашей школы. Робот отлично справился с задачей и все посылки были получены! Подробней можно ознакомиться на видео. [6]

С помощью модели робот-курьер можно не только весело провести время, но и узнать как работают современные технологии. Проект можно использовать на уроках информатики и робототехники.

Список литературы

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

https://robotrends.ru/robopedia/ulichnye-roboty-kurery

https://finance.rambler.ru/economics/47014419-smogut-li-roboty-dostavschiki-vytesnit-lyudey/

https://bespilot.com/news/590-yandex-rover

https://habr.com/ru/company/yandex/blog/590997/

https://drive.google.com/file/d/1R_wqR0O-IVSW81LTAqM-xPIM4L0-KU4H/view

Приложения