03 февраля 2016г.
В настоящее время роботы вошли в жизнь человека в разных областях, но до сих пор нет четкого разделения среди робототехнических устройств, а также единой программной платформы. Разные производители делают разные и абсолютно несовместимые аппаратные средства. Это роботы специального назначения: ориентированные на индустрию досуга, развлечений, а также роботы-помощники (консультанты, охранники, справочное бюро, пылесосы, газонокосилки, мойщики бассейнов, окон,).
По данным Global Forecast & Analysis by Applications, Functions, Product & Geography на 2012г. мировой рынок робототехники составлял 20,73 миллиардов долларов. В 2017г. ожидается рост данного рынка до 46.18 миллиардов долларов, а развитие рынка робототехнических устройств будет развиваться в направлении бизнеса B2C: охрана, медицинская помощь, сельское хозяйство, лесная промышленность, помощь по домашнему хозяйству, развлечения, образование. Уже сейчас рынок социальной сферы и домашних развлечений занимает более 50% (см. Рисунок 1) по данным Global Forecast & Analysis by Applications, Functions, Product & Geography.
Рис.1. Распределение рынка робототехнических систем по отраслям.
Анализ номенклатуры потребительского рынка робототехнических систем для социальной сферы и сферы досуга позволяет сделать вывод о том, что рынок наполнен совершенно различными по своей структуре и типу робототехническими устройствами. Такая уникальность робототехнических систем формирует высокую стоимость и сдерживает дальнейшее развитие рынка.
Одним из способов снизить себестоимость изделия является переход к массовому производству. Это становится возможным только в случае унификации структуры робототехнических систем и переходу к реконфигурируемым робототехническим системам.
Таким образом, целью данного проекта является разработка реконфигурируемой программно-аппаратной платформы, позволяющей строить разнообразные мобильные робототехнические комплексы в предельно короткие сроки.
Структура большинства мобильных робототехнических комплексов представлена на Рисунке 2. Как видно из рисунка, большинство блоков в составе мобильного робототехнического комплекса имеют программную реализацию (синий
цвет). Это позволяет осуществлять быструю реконфигурацию робототехнического комплекса путем замены программного обеспечения (в т.ч. беспроводным способом) и смены шасси и навесного оборудования, реализованного в виде отдельных модулей.
Рис.2. Структурная схема мобильного робототехнического комплекса.
Как видно из Рисунка 2, большинство блоков строится на использовании систем технических органов чувств. Самым универсальным из которых является видеокамера.
Система технического зрения на базе видеокамеры позволяет получить всю необходимую информацию для системы управления движением и специальным оборудованием (Рисунок 3). Таким образом, при использовании видеокамеры как системы технического зрения отпадает необходимость в использовании дополнительных датчиков (ИК, УЗ и т.п.). Однако при этом увеличиваются требования к производительности вычислительной системы.
Как правило, наиболее быстродействующие платформы имеют также и высокие энергопотребление и стоимость, что недопустимо для мобильных робототехнических систем. Поэтому, для обеспечения возможности использования дешевых вычислительных платформ (RaspberryPi, Odroid и т.п.),
необходимо использовать специализированные
мехатронные
ускорители вычислений, которые могли бы обеспечить
пониженное энергопотребление (по сравнению со стандартными системами).
Таким образом, реконфигурируемая программно-аппаратная платформа, позволяющая разрабатывать дешевые разнообразные мобильные робототехнические комплексы в предельно короткие сроки, состоит из:
§ Аппаратная часть состоит из гусеничного или колесного шасси (в зависимости от условий эксплуатации), одноплатного вычислительного модуля на базе ARM процессоров (RaspberryPi, Odroid и т.п.), набора разнообразных датчиков (видео, аудио, специализированные) и манипуляторов (опционально).
§ Программная часть строится на базе ОС Linux, что снижает стоимость конечного изделия (по сравнению с системами на базе QNX, Windows Embedded и т.п.). Программная часть включает в себя графическую среду проектирования, набор библиотек, позволяющей с легкостью использовать методы искусственного интеллекта, блоки цифровой обработки сигналов, системы программно-зависимого радио и т.п.
В конце проведения НИОКР (длительностью 2 года) планируются к выпуску следующие продукты:
1.
Конструктор для детей, студентов (школы/вузы).
2.
Самостоятельные изделия на базе разработанной платформы (сторож/охранник, помошник для больных людей).
Рис.3. Структурная схема системы технического зрения на базе видеокамеры. Для этого в рамках проведения НИОКР планируется решить следующие задачи:
1. Разработка мехатронного ускорителя вычислений для подсистемы технического зрения (1 год прове- дения НИОКР).
2. Разработка графической среды для быстрого проектирования разнообразных мобильных робототехнических комплексов (2 год проведения НИОКР).
Решение первой задачи позволит обеспечить унифицированность роботехнических систем и снизить стоимость (по сравнению с системсами на базе лазерных сканеров и дальномеров). Вторая задача позволит обеспечить более быстрый выход на рынок новых изделий, за счет:
§ графического конфигурирования программной
части продукта (согласно Рисунок 2, основная часть мобильного робототехнического комплекса);
§ повторного использования уже существующих программных блоков;
§ возможности добавления со временем новых функциональных блоков.
Отличительными преимуществами от конкурентов (Lego Mindstorm, ТРИК фирмы CyberTech Co.Ltd и т.п.) являются:
§ использование системы технического зрения на базе видеокамер;
§ универсальная аппаратная вычислительная платформа (можно даже создавать домашний мульти- медийный центр)
§ более низкая стоимость при более широких возможностях.
Научная новизна проекта, которая также обеспечивает дополнительные конкурентные преимущества, заключается в следующем:
1.
Использование специализированной методики
на
базе вейвлет-преобразования позволяет добится более точного распознавания произвольно ориентированных объектов, в т.ч. и частично скрытых (пример работы приведен на Рисунке 4).
2.
Использование Robot Operation System позволяет обеспечить повышенную гибкость и унифицируемость системы вне зависимости от того, какая операционная система или вычислительная платформа используется.
Рис.4. Пример распознавания объектов на изображени. Слева – искомые образы, в центре – исходная картинка, справа – прямоугольниками отмечены найденнные образы.
В течение года после окончания НИОКР планируется получить первую версию аппаратно-программного комплекса с набором необходимых библиотек (оценочная стоимость от 28 тыс. руб. до 60 тыс. руб., в зависимости от аппаратной комплектации) и осуществить продажу порядка 30 платформ на сумму 837 тыс. рублей и участвовать в выполнении заказных НИОКР на разработку высокопроизводительных систем цифровой обработки сигналов на сумму в 700 тыс. рублей (Рисунок 5).
В перспективе развития на 3 года планируемые доходы составят около 16 млн. рублей. А срок окупаемости составит 8,1 месяцев (Рисунок 6).
Приведенные прогнозы основываются на маркетинговом исследовании рынка робототехники.
Анализ деятельности основных конкурентов (CyberTech Co.Ltd и National Instruments) показывает, что первый игрок не представляет особой опасности, т.к. основная прибыль - продажа узкоспециализированного робототехнического конструктора для школ. Второй игрок также осуществляет продажи специализированного робототехнического конструктора для школ и соревнований детей до 18 лет. Это является сильным недостатком и снижает сферы применения их продуктов.
Рис.5. Планируемая выручка и прибыл в перспективе продаж на 3 года.
Рис.6. График чистого дисконтируемого дохода по проекту нарастающим итогом.
