Как работает робот-пылесос
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Роботы-пылесосы – одно из прикладных и практических проявлений научно-технического прогресса. Они могут свободно перемещаться по дому, собирая грязь и при этом избегать падения с лестницы и врезания в разные препятствия, будь-то стена или ножка стола/стула. Как они находят свой путь? И как работают? Обо всем этом читайте дальше.
Но прежде бы хотелось заметить, что пока роботы-пылесосы не стали повсеместными, всегда можно на выгодных условиях приобрести более традиционные ручные пылесосы, перейдя по ссылке.
Итак, роботы-пылесосы самостоятельно заправски носятся по полу, собирая пыль и грязь, а затем возвращаются в свои электронные гнезда для подзарядки. Как же эти чудеса современной уборочной робототехники могут столь свободно, легко и непринужденно перемещаться по дому? Ответ состоит из двух частей: датчиком и умных устройств.
Датчики: как робот-пылесос видит?
Роботы-пылесосы не пользуются камерами, чтобы видеть мир. Вместо этого они используют различные типы датчиков для обнаружения и измерения окружающих их объектов и своего собственного прогресса, включая датчики обрыва, датчики ударов, настенные датчики и оптические кодеры. Датчики обрыва измеряют расстояние между базой робота и краем пола, обычно отражая инфракрасный свет от пола. Если расстояние до края пола внезапно уменьшается, это означает, что робот приближается к краю лестницы или чему-то подобному, поэтому он отступит, чтобы не упасть (отсюда и название «датчик обрыва»).
Название датчиков ударов также отражает то, что они делают: если робот-пылесос врезается во что-то (например, стену или ножку стула), датчик срабатывает при ударе. Настенные датчики похожи на датчики обрыва, но в другом направлении: они сообщают роботу, когда он приближается к стене или другому объекту, поэтому он может вовремя остановится.
Оптические кодеры являются наиболее важными: эти датчики на колесах робота сообщают ему, как далеко он ушел. Они называются оптическими энкодерами, потому что они используют датчик освещенности для определения количества оборотов колес. Исходя из этого (и любой разницы между колесами, указывающей на поворот), робот может определить, как далеко он проехал. Различные модели роботов-пылесосов могут иметь и дополнительные датчики, например, сканер пыли, чтобы увидеть, сколько пыли улавливается нашим роботизированным помощником.
Выше описанная комбинация датчиков означает, что робот знает кое-что об окружающем мире: как далеко он зашел, с чем может столкнуться и с чего может упасть. Это то, что необходимо знать простому роботу-пылесосу, чтобы свободно и непринужденно перемещаться по окружающему пространству вашего дома или квартиры (который для него и является целым миром).
Умное устройство: как робот-пылесос работает?
Итак, робот знает кое-что об окружающем пространстве, когда он движется по нему. Что дает роботу-пылесосу сообразительность, чтобы понять, что он уже завершил уборку (или наоборот еще не завершил)? Ответ может вас удивить: насекомые.
Большинство современных роботов-пылесосов были созданы Родни Бруксом, робототехником из Массачусетского технологического института (и одним из основателей iRobot, создателей Roomba). Родни долгое время изучал простых животных, таких как насекомые и плоские черви. Во время своих наблюдений он установил, что, к примеру, муравей обладает весьма скромными интеллектуальными возможностями. Хотя муравей совсем не умен, но он как-то ориентируется в окружающем мире. Вопрос как? Было установлено, что следуя простому набору правил, эти простые животные могут создавать сложное поведение.
У отдельного муравья не так много умственных способностей, но у него есть простой набор правил, позволяющих ему искать пищу, возвращаться в гнездо и направлять других своих собратьев. Точно так же роботу-пылесосу не нужно знать точные размеры комнаты, чтобы убраться в ней. Вместо этого ему просто нужно знать, как реагировать в нескольких различных ситуациях, и имея заданный алгоритм действий, он может эффективно убрать комнату. Робототехники называют эти правила «поведением», и это максимально простые вещи, например, если вы ударились об стену, отвернитесь от нее.
Это поведение описано в заявке на патент от iRobot от 2002 года. Это поведение чрезвычайно простое: «прямое» поведение говорит роботу двигаться прямо, пока он во что-то не наткнется. Поведение «отскока» говорит ему, что когда он ударяется об что-то, он должен остановиться, повернуться под углом от стены и снова двинуться прямо. «Спиральное» поведение говорит ему двигаться по спирали, очищая пол расширяющимися кругами. Поведение «следование за стеной» говорит ему, что нужно следовать за стеной, «подпрыгивая» и двигаясь «прямо», пока стена не будет постоянно находиться на определенном расстоянии.
Именно таким образом двигаются роботы-пылесосы, одновременно осуществляя уборку, именно так, по количеству своих движений они определяют, выполнена уборка помещения, или еще нет. По схожему принципу, основанному на простых алгоритмах, работают и другие современные роботы. Но занимательная наука робототехника пребывает лишь в начале своего пути, и наверняка в будущем поведение роботов будет корректироваться куда более сложными алгоритмами, а сами роботы станут гораздо совершеннее.
Перевод с английского.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.