Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка алгоритмов удаленного супервизорного управления группировкой роботов наземного и космического базирования

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
алгоритм управления группой роботов, супервизорное управление, централизованное управление, облачные сервисы для задач управления роботами, автоматизация рутинных робототехнических операций, управление напланетными роботами

Цель проекта:
Удаленное управление группировкой роботов наземного и космического базирования может быть разделено на несколько типов в зависимости от степени вовлеченности оператора в процесс управления, а также расстояния между ним и управляемым объектом. При высокой степени вовлечения оператора и сравнительно небольшом расстоянии до роботов используются методы супервизорного управления, при которых оператор контролирует выполнение каждой робототехнической операции. В случае с управлением группировкой роботов космического и напланетного базирования, выполняющей задачи исследования и освоения спутников и планет Солнечной системы, задержки при передаче управляющих команд и данных телеметрии с робота могут достигать нескольких минут, что не позволяет использовать классические методы контроля и требует применения автономных алгоритмов или разработки новых решений для супервизорного управления. Также, важным аспектом решаемой задачи является то, что число управляемых объектов существенно превышает число операторов и в разрабатываемых алгоритмах необходимо учесть возможность управления одним оператором сразу несколькими роботами. Целью проекта является разработка алгоритмов удаленного супервизорного управления группировкой роботов наземного и космического базирования.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках проекта планируется получение следующих научно-технических результатов:
1. Алгоритм удаленного супервизорного управления группировкой роботов наземного и космического базирования.
2. Эскизная конструкторская документация на стационарный и мобильный модули системы супервизорного сетецентрического управления (СССУ).
3. Программная документация на программное обеспечение стационарного и мобильного модулей СССУ.
4. Макет СССУ, содержащий 2 мобильных и один стационарный модуль СССУ.

Разрабатываемая в рамках проекта СССУ соответствует современному мировому уровню развития техники.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В ходе проекта должна быть разработана эскизная конструкторская документация на СССУ в которую должны входить не менее 2 мобильных и не менее 1 стационарного модулей СССУ. Мобильный модуль СССУ, состоящий из платы управляющего компьютера и маршрутизирующего блока, предназначен для обработки сигналов управления, поступающих от стационарного модуля СССУ через оптико-информационную систему (ОИС) и по радиочастотным каналам (WiFi, MESH), и выдачи команд на привода двигателей робототехнической платформы модульного типа (РПМТ), на мехатронные исполнительные механизмы приводов лазерного локатора (ЛЛ), мобильных модулей терминалов связи (ТС), телекамер кругового обзора (ТВ ККО), мобильного модуля оптико-электронной системы координатных измерений (ОЭСКИ). Кроме того, мобильный модуль СССУ принимает от стационарного модуль СССУ и передает на соответствующие входные интерфейсы команды управления логическими блоками всех устройств, размещенных на РПМТ, включая сменную полезную нагрузку (СПН), а также обеспечивает обратную передачу координатной и векторизованной видеоинформации, а также командных кодов, от РПМТ к стационарному модулю СССУ. В состав мобильного модуля СССУ, помимо аппаратных компонент, входит программное обеспечение состоящее из операционной среды и автономных независимых вычислительных процессов, осуществляющих контроль состояния системы, передачу и прием информации от средств связи и датчиков, а также отвечающих за автономное функционирование РПМТ (акторов).
Стационарный модуль СССУ, состоящий из гетерогенных вычислительных ресурсов, включающих SIMD и MIMD процессоры, и маршрутизирующего блока, предназначен для организации функционирования МРС через ОИС в автоматическом режиме за счет использования сетецентрических технологий, в частности, динамического распределения вычислительных ресурсов, и в полуавтоматическом за счет обеспечения супервизорного контроля со стороны оператора и визуализации прогноза развития ситуации на базе векторизации трехмерного образа зоны обзора.

Одним из наиболее перспективных и современных методов повышения эффективности функционирования стационарных СССУ является использование виртуализации и облачных технологий, позволяющих динамически выделять вычислительные ресурсы узла в зависимости от текущих задач мобильных СССУ, увеличивая загруженность оборудования и предотвращая чрезмерную избыточность аппаратной составляющей.
Использование облачных технологий для управления группировками роботов является новым и перспективным направлением развития современной робототехники и кибернетики. Работы в этом направлении ведутся ведущими мировыми компаниями и университетами, например подобный подход в своих самых современных работах используют фирмы Google и Amazon, а также MIT (Массачусетский технологический институт).
Ключевым аспектом функционирования СССУ является надежный, быстрый и безопасный информационный обмен между мобильными и стационарными узлами СССУ. Для повышения эффективности и надежности передачи данных необходимо использовать специализированные мультипротокольные маршрутизаторы, позволяющие передавать информацию по нескольким различным каналам связи, например по беспроводным радиоканалам WiFi и Bluetooth, а также по оптической линии связи. Также эти блоки должны поддерживать проводные интерфейсы в качестве резерва на случай неисправности модуля беспроводной связи.

Разрабатываемые в рамках проекта алгоритмы, методы и подходы соответствуют современному мировому уровню развития науки и техники, являются новыми и не дублируют ранее проведённые и проводимые научно-исследовательские, опытно-конструкторские / опытно-технологические работы.

Для достижения заявленных результатов необходимо автоматизировать выполнения робототехнических операций группировкой роботов наземного и космического базирования. Для принятия автономных решений роботом в условиях динамической среды его функционирования требуются существенные вычислительные мощности. Таким образом, существует два варианта решения, первый из которых подразумевает оснащение каждого робота мощными вычислительными ресурсами, а второй – выделение специализированного устройства, предоставляющего свои ресурсы как сервис для других роботов. Первый подход ведет к существенному усложнению, удорожанию и снижению времени функционирования каждого робота в группе за счет наличия сложной вычислительной аппаратуры. Второй подход подразумевает наличие простых и более дешевых роботов, способных лишь осуществлять информационный обмен со специальным высокопроизводительным вычислительным центром, при этом все функции обработки информации от роботов, и выработки оптимальных решений, на основании совокупности полученных данных, берет на себя специальный вычислительный узел в информационной сети роботов наземного и космического базирования.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В последние годы наиболее перспективные работы в области робототехники концентрируется на прикладных задачах, связанных в первую очередь с организацией сетецентрического управления группой роботов. Основными проблемами, возникающими у разработчиков, являются вопросы повышения автономности и надежности функционирования роботов при снижении когнитивной нагрузки на оператора. Повышение эффективности работы средств робототехнического обеспечения возможно только за счет автоматизации сложных операций и согласованного выполнения комбинированных действий одновременно несколькими роботами. Ключевой проблемой робототехники считается синтез алгоритмов управления автономными роботами, «вычисляющих» в режиме реального времени последовательность операций, которые приводят к достижению заданных целей или реализации планируемых сценариев их применения.

Одним из наиболее перспективных методов организации современной системы группового управления является использование сетецентрических и кибернетических технологий организации информационного обмена между всеми членами группы. Каждый элемент такой сетецентрической системы пересылает доступные ему данные в единый центр, аккумулирующий все данные и отвечающий за принятие стратегических решений. А в условиях недетерминированной окружающей обстановки, каждый робот, помимо реализации стратегических указаний от единого центра, при планировании тактических действий должен руководствоваться принципом ситуационной осведомленности, т.е. комплексным восприятием окружающего пространства на основе локальных данных и информации, полученной от глобальной базы знаний. Обработка всех поступающих от роботов данных осуществляется при помощи алгоритмов теории больших данных (Big Data), реализованных в высокопроизводительной облачной среде класса IaaS. Использование принципа сетецентрического управления базируется на организации устойчивой, надежной, защищенной и динамической среды передачи информации, которая предоставляет своим абонентам запрашиваемое качество сервиса.

Результаты проекта могут быть использованы в различных областях народного хозяйства для задач управления средствами робототехнического обеспечения. Синергетический эффект от группового применения роботов позволит повысить эффективность решения задач, путем выработки для каждого члена группы таких управляющих воздействий, отработка которых позволит максимально эффективно реализовать поставленную оператором задачу. Алгоритмы прогнозирования возможных конфликтов при реализации робототехнических операций позволят избежать аварийных ситуаций при наличии сбоев в канале связи между управляемым объектом и облачной средой вычислений, осуществляющей тактическое планирование.

Текущие результаты проекта:
1. Проводится аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы затрагивающий удаленное управление группировкой роботов наземного и космического базирования.
2. Выполняется первоначальный патентный поиск по направлению аналогов систем супервизорного сетецентрического управления.
3. Разработан проектный облик мобильного и стационарного модулей СССУ.