Мобильный робот для раздельного сбора мусора:
разработка и моделирование
В современном мире защите окружающей среды и заботе об экологии выделяется далеко не последнее место, и не напрасно: с каждым годом количество потребляемых человечеством ресурсов растёт, растёт и количество производимых отходов. Более того, часто можно увидеть такую картину: улицы, парки и скверы покрыты упаковками, стаканчиками и бутылками. Таким образом, существует проблема засорения общественных мест.

Эту проблему можно решать многими способами, например, проведением мероприятий, в рамках которых добровольцы очищают общественные места. Убирать мусор могут не только сами люди, но и создаваемые ими помощники – роботы.

Стоит отметить значительное развитие в области создания промышленных роботов, однако они работают в детерминированных условиях, в отличии от сервисных, к которым относится и наш. Последние должны взаимодействовать с людьми, перемещаться по неровной поверхности, что значительно осложняет их создание как в части программирования, так и конструирования.

Цели
1
Первый этап
Разработка компьютерной модели робота, которая будет в состоянии собирать виртуальные банки и бутылки в физическом симуляторе.
2
Второй этап
Конструирование и испытание прототипа робота с учетом выводов по первому этапу.
Задачи
1
Первый этап
  1. Конструирование робота и устройства захвата мусора
  2. Создание компьютерной модели
  3. Разработка архитектуры системы управления робота
  4. Реализация навыков робота
  5. Реализация алгоритма сбора мусора на основе этих навыков
  6. Испытание системы управления на компьютерной модели в физическом симуляторе
2
Второй этап
  1. Конструирование и изготовление устройства захвата мусора с учетом выводов первого этапа
  2. Обучение нейросети для детектирования мусора на изображении
  3. Модификация и отладка системы управления на прототипе
Первый этап: виртуальная модель
  • Создан проект робота в САПР КОМПАС-3D
  • Создана компьютерная модель робота (физический симулятор Gazebo)
  • Создана компьютерная площадка для испытаний
  • Разработана архитектура системы управления
  • Реализованы базовые навыки робота
  • Реализовна логика поведения робота на базе конечного автомата
Выводы первого этапа
  • Проектирование собственной платформы слишком затратно по времени и ресурсам. Выгоднее использовать готовую универсальную платформу, которая работает из коробки.
  • Необходимо совершенствование устройства для захвата мусора. Должны быть учтены доступные технологии изготовления, способ крепления к платформе, наличие приводов.
  • Система управления дожна быть настроена согласно параметрам робота, требуется улучшение алгоритмов в плане быстродействи.

Второй этап: прототип робота
  • Выбрана мобильная платформа TurtleBro
  • Разработано и изготовлено устройство для захвата мусора
  • Система управления адаптирована для новой конструкции робота
  • Обучена нейросеть YOLOv4-tiny для детектирования мусора на изображении
  • Создан действующий прототип робота
  • Прототип представлен на международной выставке EXPO-SCIENCES ASIA 2022
Выводы второго этапа
  • Реальные условия являются слишком агрессивной средой для робота, но при дальнейшей работе он смог бы приступить к выполнению своей основной функции на территории гимназии, а при удачных обстоятельствах и за ее пределами.
  • Второй вариант устройства захвата является более простым, компактным и удобным в использовании.
Приобретённые знания и навыки
  • Виртуальные машины
  • Установка и работа с операционной системой Linux
  • Администрирование Linux
  • Операционная система ROS и входящие в её состав средства разработки
  • Физический симулятор Gazebo
  • Работа с удалёнными репозиториями системы контроля версий GIT
  • Языки программирования C/C++, Python
  • Многопоточное программирование
  • Конечные автоматы
  • Алгоритмы на графах
  • Работа в САПР КОМПАС-3D, Blender
  • Работа с роботом TurtleBro
  • Работа с Arduino IDE
  • Написание скетчей для Arduino
  • Удаленный доступ к роботу по ssh
  • Работа с 3D печатью
  • Работа с электронными платами
  • Обучение нейросети YOLOv4-tiny
Участие в международной выставке
EXPO-SCIENCES ASIA 2022

Expo-Sciences Asia (ESA) 2022 — крупнейшее мероприятие в ОАЭ, посвященное исключительно научному творчеству молодых ученых со всего мира. ESA является инициативой Азиатского офиса Международного движения в науке и технологиях (MILSET), неправительственной, некоммерческой и политически независимой молодежной организации, целью которой является развитие научной культуры среди молодежи путем организации научной и технологической деятельности.

На выставке ESA 2022 в Дубае наша команда представила прототип мобильного робота для сбора мусора. Был подготовлен стендовый доклад и продемонстрирована работа прототипа.
Участники проекта
  • Гривин Никита
    1 этап:
    Занимался разработкой программы поиска мусора на изображении с камеры
    2 этап:
    Написал программу для автоматизации подготовки изображений при обучении нейросети, реализовал навык подъезда к мусору по данным с камеры
  • Медведев Сергей
    1 этап:
    Разработал виртуальный полигон с мусором для проведения на нём испытаний робота, реализовал логику поведения робота
    2 этап:
    Занимался изготовлением устройства захвата, адаптировал верхний уровень системы управления для нового робота
  • Докудин Никита
    1 этап:
    Сконструировал схват робота
    2 этап:
    Занимался конструированием и изготовлением устройства захвата
  • Серебряков Семён
    1 этап:
    Разработал плагин для физического симулятора, моделирующий приводы схвата робота, создал графический интерфейс для ручного управления роботом
    2 этап:
    Реализовал взаимодействие с приводами и датчикам в прошивке микроконтроллера,
    реализовал часть навыков робота
  • Иванов Вячеслав
    1 этап:
    Создал алгоритм осмотра полигона на предмет мусора
    2 этап:
    Адаптировал алгоритм осмотра полигона для нового робота, настроил программное обеспечение мобильной платформы TurtleBro, организовывал эксперименты с роботом, был основным докладчиком на конференциях
  • Верлевский Максим
    1 этап:
    Разработал алгоритм подъезда и захвата мусора
    2 этап:
    Занимался обучением нейросети, подготовкой изображений, написал программу для интеграции нейросети в систему управления робота
  • Ямбаев Вадим
    1 этап:
    Сконструировал модель платформы робота
    2 этап:
    Занимался конструированием и изготовлением устройства захвата (основной вклад), 3D печатью, был докладчиком на конференциях
Руководители

Злобин Дмитрий Васильевич, аспирант

кафедра НДСиПУ ВМК МГУ им. М.В. Ломносова

Гончаров Олег Игоревич, к. ф.-м. н., доцент

кафедра НДСиПУ ВМК МГУ им. М.В. Ломоносова