Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0143

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0143
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Разработка алгоритмов удаленного супервизорного управления группировкой роботов наземного и космического базирования
Докладчик
Мулюха Владимир Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной целью настоящих ПНИ, реализуемых в рамках комплексного проекта, является обеспечение исполнителя ПНИЭР конструкторской и программной документацией на аппаратные средства и программное обеспечение системы супервизорного сетецентрического управления (СССУ), обеспечивающих прогнозирование развития ситуации на время, превышающее характерное время задержки сигналов управления, сжатие и векторизацию видео-и локационной информации для передачи необходимых объемов данных по каналам связи с ограниченной пропускной способностью в центр супервизорного управления автономной мультиагентной робототехнической системой (МРС) наземного или космического базирования. Данное прикладное научное исследование является составной частью комплексного проекта ПНИЭР по теме: «Разработка мехатронных и фотонных технологий для унифицированных автономных мультиагентных робототехнических систем наземного и космического базирования» (шифр: 2015-14-582-0057).
Для реализации поставленной цели должны быть выполнены следующие задачи:
1. Проведение аналитического обзора литературы по теме проекта;
2. Разработка эскизной конструкторской документации (ЭКД) на модули СССУ;
3. Разработка программной документации (ПД) на программное обеспечение модулей СССУ;
4. Изготовление макетов модулей СССУ;
5. Проведение исследовательских испытаний макетов модулей СССУ;
6. По результатам экспериментальных исследований макетов должны быть скорректированы ПД и ЭКД;
7. Формирование промежуточных и итогового отчета об исследованиях.
Актуальность и новизна исследования
Проблеме создания систем управления роботами посвящено достаточно большое число исследований, проводимых как у нас в стране, так и за рубежом. Многие современные специалисты в области робототехники признают, что одиночный робот не может быть использован для решения крупномасштабных задач, так как обладает сравнительно небольшими возможностями. Очевидным решением в таком случае является применение при решении сложных задач сразу нескольких роботов, то есть групп роботов. При решении задач группового управления роботами традиционно выделяют два подхода: централизованный и децентрализованный, однако в последние годы особое внимание уделяется новым методам управления, объединяющим элементы обоих подходов.
Новый подход, называемый облачная робототехника (cloud robotics), базируется на киберфизическом описании робототехнических объектов, а также на сетецентрических принципах организации информационного взаимодействия роботов в группе.
Актуальность результатов обусловлена реализацией нового метода управления группировкой роботов, за счёт непрерывного анализа внешней среды и адекватного отображения положения каждого робота, путём построения и поддержания в актуальном состоянии формальной модели окружающей среды в высокопроизводительном вычислителе на стационарном модуле СССУ. Принятие решений по маршруту движения группировки мобильных роботов, формировании траекторий и существенная корректировка маршрута каждого робота в группе осуществляется централизованно с использованием всех доступных сенсорных данных. При этом, для увеличения надежности системы, отработка траекторий с небольшой корректировкой положения робота осуществляется локально на борту мобильного объекта.
Описание исследования

Основным методом реализации поставленной задачи является использование сетецентрического подхода к задаче управления роботами. Основой данного подхода является обеспечение ситуационной осведомленности каждого управляемого объекта и оператора, т.е. оператор и каждый робот в системе должен обладать всей необходимой им информацией для принятия управленческих решений.

В ПНИ применяются киберфизические методы описания робототехнических систем, позволяющие учитывать влияние сетевых характеристик каналов управления на процесс стабилизации робота на вычисленной траектории, а также сетецентрические методы организации процессов информационного взаимодействия и управления элементами МРС, обеспечивающие ситуационную осведомленность для каждого объекта управления. Формирование централизованной базы знаний осуществляется методами обработки больших данных (Big Data), поступающих от мобильных платформ к центральному узлу, функционирующему на базе гетерогенной облачной среды вычислений. Для реализации алгоритмов и методов используются современные объектно-ориентированные и функциональные языки программирования, такие как Java, С++ и Scala.

Разрабатываемые алгоритмы позволяют роботам решать поставленные задачи, когда присутствие человека-оператора в зоне проводимых работ нежелательно, в автоматическом и полуавтоматическом (супервизорном) режиме.

Ключевыми факторами, определяющими эффективность такой системы управления, являются наличие надежных высокоскоростных каналов передачи данных, а также высокопроизводительных вычислительных ресурсов, способных обработать поступающие данные и запросы от роботов и оператора. Маршрутизация информационных потоков и коммутация гетерогенных каналов связи различной природы осуществляется в маршрутизирующем блоке. Применение алгоритмов контроля состояния и загруженности каналов связи позволяет осуществлять как выбор отдельного канала передачи, удовлетворяющего требованиям качества, так и объединение различных каналов связи в единый логический канал.

В работе реализован новый метод управления группировкой роботов основанный на непрерывном анализе внешней среды и адекватном отображении положения каждого элемента группировки роботов, путём построения и поддержания в актуальном состоянии формальной модели среды в формате телематической карты. Данная модель окружающей среды используется для принятии решений по изменению действий группировки мобильных роботов, формированию траектории движения, а также корректировке действий каждого робота в группе.

Использование облачных технологий позволяет сделать существенный шаг в автоматизации процессов управления робототехническими устройствами и создать глобальные информационные инфраструктуры, как совокупности связанных информационных систем, обеспечивающих процессы сбора, передачи, хранения и обработки информации на различных уровнях ее использования военными, социальными, экономическими и другими организациями.

Реализация метода и алгоритмов позволила создать программное обеспечение для решения задачи удаленного супервизорного управления группировкой роботов.

Результаты исследования

Результатом проведенных исследований является макет мобильных и стационарного модулей СССУ с соответствующей эскизной конструкторской документацией и программной документацией на программное обеспечение СССУ. Методы, применяемые в рамках настоящих прикладных научных исследований соответствуют мировому уровню исследований в области управления группой роботов, а по некоторым аспектам (например, в области одновременного совместного использования нескольких гетерогенных каналов связи) превосходят мировые аналоги.

В качестве примеров современных систем, реализующих групповое управление роботами, можно рассматривать проект I-SWARM, в рамках которого Университет Карлсруэ разрабатывает микророботов с «коллективным мышлением», которые умеют узнавать друг друга и придерживаться своего сообщества. Стоит отметить проект SwarmBot компании iRobot, в котором разработаны небольшие роботы, способные сообща выполнять заранее определенный набор действий. Множество проектов группового управления роботами реализовано для систем военного назначения. Наиболее интенсивно подобного рода работы проводятся по линии DARPA, США. Например, в рамках проекта DARPA-2003 был создан отряд из 120 роботов, основная задача которого – реализация коллективного решения разведывательных задач. Для координации действий роботов использованы алгоритмы, основанные исключительно на локальном информационном взаимодействии роботов. Еще одним примером реализации задачи группового управления роботами является проект Centibots, в рамках которого созданы небольшие роботы, способные работать как индивидуально, так и большими группами.

Предлагаемые методы организации системы управления с использованием облачной среды высокопроизводительных вычислений по мнению ведущих современных ученых являются актуальными и перспективными. Так работы в области применения облачных технологий в робототехнике особенно активно ведутся в последние годы в западных странах, а также Китае и Японии. Например, можно отметить платформу Rapyuta (the RoboEarth Cloud Engine), позволяющую роботам делиться знаниями, через централизованную базу знаний, избегая дублирования информации. Rapyuta является облачной платформой, в которой роботы могут создавать собственные вычислительные среды, чтобы выполнять ресурсоемкие вычисления. Эти среды могут использоваться одним или несколькими роботами одновременно.

Практическая значимость исследования
Результаты данной работы могут быть использованы в гражданской и космической промышленности для обеспечения непрерывной информационной связности группы роботов в заданном радиусе действия и для выполнения групповых операций в режимах супервизорного и автоматического управления. На борту МРС присутствует весь необходимый набор сенсоров (лазерный локатор переднего обзора, видеокамера кругового обзора, лазерный локатор кругового обзора, а также БИНС и датчик системы глобального позиционирования) для построения облака точек. Преобразование этого облака точек в карту местности и объединения различных ее участков осуществляется в высокопроизводительной гибридной среде облачных вычислений, входящей в состав стационарного модуля СССУ, что позволяет обеспечить ситуационную осведомленность каждого элемента МРС.
Рассмотрение существующих подходов к решению задачи эффективного управления группой роботов показало отсутствие готового решения для задачи управления и поддержки функционирования группы МРС в условиях неопределенности внешней среды. Основным направлением ПНИ заключается в создании макета сетецентрической супервизорной системы управления мобильным робототехническим средством, объединяющей преимущества двух основных подходов – централизованного и мультиагентного.
Результаты проекта нацелены на развитие одного из основных мировых трендов в исследовании единой управляющей среды и создание единого информационного пространства транспортной инфраструктуры, средой обмена унифицированной информацией между транспортными средствами. Вторым важным аспектом результатов данного проекта является развитие другого технологического направления – облачной инфраструктуры. Результаты данной работы показывают высокую степень конкурентоспособности с аналогичными зарубежными направлениями исследований и имеют высокий потенциал для реализации в рамках этого проекта.
Получаемые результаты предназначены для применения в рамках ПНИЭР № 14.581.21.0018 по теме «Разработка мехатронных и фотонных технологий для унифицированных автономных мультиагентных робототехнических систем наземного и космического базирования», а также последующего создания Индустриальным партнёром систем управления робототехническими средствами широкого профиля применения.