Робототехни­ческий комплекс для автономной навигации и полива растений в офисах

Наши инженеры начали с картирования офисного пространства. Мы зафиксировали точные координаты целевых объектов (растений), а также мебели и других препятствий, влияющих на перемещение робота.

Для точной навигации и построения маршрутов мы внедрили алгоритмы SLAM (одновременная локализация и построение карты). Данная технология параллельно решает две задачи: локализует устройство в пространстве и формирует карту помещения, агрегируя данные компьютерного зрения, лидара и массива дополнительных датчиков.

Для обнаружения препятствий и распознавания целевых объектов мы интегрировали лидар с бортовым микрокомпьютером Raspberry Pi. Полученный массив пространственных данных передается на главный вычислительный модуль и обрабатывается средствами ROS (Robot Operating System — операционная система для роботов) для навигации, расчета траекторий и обновления карты помещения. Такое разделение вычислительной нагрузки гарантирует высокую скорость отклика системы и точность маневрирования в реальном времени.

Основная задача проекта заключалась в обучении системы распознавать объекты и определять их координаты на карте. Изначально мы планировали использовать стереокамеры для определения положения растений, вычисления их координат и построения маршрута. В ходе обсуждений мы выработали альтернативный подход: система делает снимок и фиксирует собственные координаты. Наши инженеры применили нейросеть для детекции растения в кадре, расчета ограничивающего прямоугольника и определения вектора направления к объекту.

В задачах обработки изображений такие прямоугольники задают область расположения объекта на изображении и формируют зоны предотвращения столкновений. Опираясь на координаты робота, ориентацию камеры и положение растения, мы выстраивали луч, соединяющий точку нахождения системы с целевым объектом. При многократном повторении этой операции точка пересечения множества лучей позволяла точно определить координаты растения, требующего полива.

Для корректного распознавания растений в горшках мы использовали модели, обученные на датасетах COCO и ImageNet. На базе этих моделей мы отфильтровали избыточные классы и разработали собственный детектор, синхронизирующий направление ограничивающего прямоугольника с координатами робота. Для вычисления точных пространственных координат штанги полива мы задействовали связку камер и лидара.

После обнаружения растения система определяет его точные координаты и принимает решение о необходимости полива. Для этого мы промаркировали все горшки в офисных помещениях QR-кодами, связанными с базой данных, которая хранит историю полива каждого растения.

При проектировании аппаратной части наша команда выбрала модульную архитектуру. Она включает подвижную платформу с электроникой, резервуар для воды, аккумулятор и двухуровневый подъемный механизм. Каркас системы мы собрали из легкого и прочного алюминиевого профиля V-Slot. Такое решение повысило маневренность устройства и снизило энергопотребление.

Вместо стандартного дифференциального привода мы установили по углам платформы всенаправленные колеса, таким образом обеспечив плавную навигацию. Конструкция всенаправленных колес включает ролики, расположенные по окружности. Они вращаются как вокруг своей оси, так и перпендикулярно ей, легко приводя систему в движение. В результате робот перемещается в любом направлении без поворота основного корпуса, используя исключительно разницу в скорости вращения каждого колеса.

Растения располагаются на офисных столах, полках, стеллажах, высоких шкафах и в других труднодоступных для сотрудников местах. Вместо проектирования высокого робота мы собрали подъемный механизм на базе направляющих роликов, отказавшись от трудоемкой и экономически нецелесообразной сборки крупногабаритной конструкции. С помощью комплектующих профиля V-Slot от OpenBuilds мы прочно закрепили секции подъемника между собой. Для этого использовали каретки и ролики, которые перемещаются вдоль механизма. Привод кареток осуществляется ременной передачей, натянутой между двигателем и натяжным узлом, установленным с противоположной стороны.

На верхней секции подъемника мы установили сервопривод. Он выдвигает штангу из углеродного волокна для полива, соединенную с перистальтическим насосом в резервуаре для воды. В отличие от стандартных роторных насосов, чувствительных к уровню жидкости, мы применили перистальтический насос. Он выталкивает жидкость за счет сжатия эластичной трубки роликами, расположенными по окружности. По сравнению со стандартными насосами, такие механизмы перекачивают жидкость с меньшей скоростью, но способны поднимать ее на значительно большую высоту.