Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0047

Аннотация скачать
Постер скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0047
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича"
Название доклада
Разработка экспериментальных образцов роботов сферической формы для их использования в составе мультиагентной группы
Докладчик
Борисов Евгений Геннадьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является разработка методов и алгоритмов адаптивного управления движением мультиагентных сферических роботов в условиях неопределенности и существенных внешних возмущений.
Задачами исследования являются:
разработка, проектирование и изготовление сферических роботов для использования их в составе мультиагентной группы с целью решения задач мониторинга;
разработка методов и алгоритмов взаимодействия роботов в группе, в перспективе работающей под управлением программ с элементами искусственного интеллекта;
теоретический анализ конструктивных решений и принципов проектирования сферических роботов, анализ методов и алгоритмов управления движением мобильных роботов по заданной траектории с требуемой точностью;
разработка методов и моделей системы связи и передачи данных в условиях плотной городской застройки для мультиагентных робототехнических систем, методов и алгоритмов подсистемы координатно-временного обеспечения системы мобильных роботов с целью решения задач их группового взаимодействия;
разработка программного обеспечения для самоконфигурируемой сети связи и передачи данных в группе мобильных роботов с пунктом управления;
теоретическое обоснование методов и алгоритмов обеспечения группового взаимодействия мультиагентов;
разработка алгоритмов адаптации системы управления при изменении характеристик объекта или условий эксплуатации;
разработка математической модели системы управления сферическим роботом в различных режимах движения.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность научного исследования заключается в разработке методов и алгоритмов управления движением роботами сферической формы предназначенных для ведения согласованных операций в составе мультиагентной группы в условиях неопределенности с целью мониторинга потенциально опасных объектов.
Актуальность создания мультиагентных сферических роботов определяется:
• невозможностью сочетать в одном дешевом шасси преимуществ различных технологий обеспечения движения;
• техническими выгодами применения однородной группы роботов для решения задач мониторинга опасных объектов;
• простотой, надежностью и возможностью быстрой замены выбывших из эксплуатации объектов системы;
• необходимостью практического изучения взаимодействия роботов в группе, в перспективе работающей под управлением программ с элементами искусственного интеллекта;
• спецификой формы сферического робота, которая гарантированно защищает механизмы устройства от деструктивных факторов среды.
Новизна исследования заключается в использовании в качестве базового элемента мультиагентной системы экспериментального унифицированного сферического мобильного робота для исследовательских функций, реализующего принцип качения сферы путем перемещения центра масс по отношению к точке опоры на плоскости, с повышенной точностью перемещения по заданной траектории.
Одновременно решается практическая задача отработки систем движения сферических роботов и создания системы управления группой машин при централизованном и смешанном управлении с пульта оператора.
Описание исследования

Методика проведенных исследований по проектированию сферических роботов основана на основных положениях мехатроники, представляющую собой  область науки и техники,  основанную на синергетическом объединении элементов прецизионной механики с электронными, электромеханическими, электротехническими и компьютерными технологиями, что обеспечивает разработку и изготовление принципиально новых модулей, блоков, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениям в сложных условиях. 

Отличительной  особенностью предлагаемого способа перемещения сферического робота является использование привода для поворота полезной нагрузки относительно оси проходящей через две диаметрально противоположные точки экватора и третьего дополнительного привода ось которого перпендикулярна осям других приводов, для обеспечения требуемой плавности хода, маневренности и точной отработки задающих воздействий. Предлагаемая система отличается от известных  тем, что смещение дисбаланса и, соответственно, центра масс сферического робота осуществляется двумя приводами со взаимно перпендикулярными осями. В рамках проекта теоретически обоснованы методы и алгоритмы высокоточного управления движением сферического робота с маятниковым приводом способного с высокой  точностью реализовать отработку задающее воздействие и изготовлены действующие макеты.

Задача группового управления роботами разбивается на ряд подзадач, среди которых можно выделить следующие: определение состава группы, способной эффективно решить целевую задачу; распределение функций между роботами для оптимального решения целевой задачи; реализация функций отдельными роботами для достижения конечной цели. 

 Аппаратно-программная часть системы управления  построена как распределенная система с идентичными модулями в каждом отдельном роботе. Каждый модуль  включает встраиваемый микрокомпьютер  с малым энергопотреблением который дополнен модулями микроконтроллеров для управления двигателями, ввода аналоговых сигналов и цифровых сигналов датчиков и других систем. Система  построена как клиент-серверная архитектура и позволяющая реализовать как гомогенную сеть со слабой информационной связью отдельных агентов или как единую систему с общим управлением от пульта оператора, в качестве которого может выступать или какой-либо робот, или выносной командный клиентский пункт на специальном модуле управления.

Отличительным свойством предлагаемой мультиагентной системы в данном случае является учет внешней среды, с которой агент способен взаимодействовать, но не обладает возможностью ею манипулировать и поэтому всегда должен быть готов к тому, что предпринятые им действия не приведут к желаемым результатам.

Преимущества группового применения роботов-агентов с использованием сенсорных сетей очевидны:

 - распределенный функционал по решаемым задачам (связь, навигация, наблюдение, измерение);

- большая зона действия системы, достигаемая за счет рассредоточения роботов по всей рабочей зоне;

- расширенный набор возможных функций, достигаемый за счет установки на каждый робот индивидуальных исполнительных устройств;

- более высокая вероятность выполнения задания, достигаемая за счет возможности перераспределения целей между роботами группы в случае выхода из строя некоторых из них. 

 

Связь между устройствами происходит по радиоканалу в различных стандартах и диапазонах. Радиоуправление роботами реализовано на узкополосном  канале связи реализующим протокол LORA обладающим низким энергопотреблением и большой дальностью действия. Выбор головного узла (робота) реализуется с пульта оператора в зависимости от складывающейся обстановки. Передача видеоданных и результатов мониторинга реализовано на высокоскоростных протоколах связи и представляет собой самоорганизующуюся сеть связи.

Для повышения точности позиционирования совместно со спутниковой навигационной системой  используется локальная радионавигационная  система запросного типа использующая сверхширокополосные  сверхкороткоимпульсные сигналы позволяющие осуществлять процедуры позиционирования внутри зданий и в условиях плотной городской застройки. Модули высокоточной локальной радионавигационной системы обладают низким энергопотреблением и обладают высокой помехоустойчивостью и скрытностью работы.

Результаты исследования

Разработаны экспериментальные образцы сферических роботов обладающие высокой маневренностью  которые способны начинать движение в любом направлении (такое свойство называется омнимобильностью) и преодолевать различные препятствия. Принципиальное конструктивное отличие сферического робота от других платформ это наивысшая  защищённость его рабочих элементов самим корпусом, что крайне необходимо при  работе в сложных условиях в условиях бактериологической и радиационной загрязненности что важно для решения широкого спектра задач мониторинга.

Основными эксплуатационными особенностями сферических роботов являются:

- гарантированная защита радиоэлектронной аппаратуры  и аппаратуры управления, расположенной внутри герметичного, ударопрочного корпуса  от пыли, воды,  и иных негативных факторов внешнего воздействия;

- форма и материал из которого изготовлен  робот обеспечивает  легкую очистку, дезинфекцию и дегазацию корпуса;

- возможность эксплуатации в сложных климатических условиях, при широких изменениях температуры, влажности, давления.

 - возможность телеуправления роботом  оператором дистанционно, а также с использованием автономных систем навигации различного типа;

- наличие  только одной точки контакта с поверхностью позволяет роботу осуществлять  передвижение с минимальным трением, что приводит к движению с низким уровнем расхода энергии;

- сферический робот не может потерять подвижность за счет опрокидывания благодаря особенностям сферической формы;

- данный тип роботов слабо критичен к столкновению с препятствиями, поскольку любая его поверхность равномерно защищена от удара.

Управление и взаимодействие роботов в группе  осуществляется по принципу самоорганизующихся сетей, при этом полагается, что в исходном состоянии группа  роботов представляет собой несколько связанных лишь информационными каналами, но автономных роботов, т. е. имеет практически однородную структуру.

Устройства управления роботов информационными каналами объединяются в информационно-вычислительную и навигационную сеть.

Для повышения точности позиционирования совместно со спутниковой навигационной системой используется локальная радионавигационная сетевая система запросного типа позволяющая осуществить навигационное обеспечение роботов в условиях отсутствия приема сигналов спутниковых навигационных систем (плотная городская застройка, работа внутри зданий, преднамеренные помехи).

Практическая значимость исследования
Применение промышленных роботов обычно оправдывает себя там, где есть серийность производства, либо необходимо проводить работы в среде чрезвычайно опасной для человека (ликвидация последствий на авариях АЭС, предприятиях химической промышленности и т.д.). Многие эксперты считают, что революция на рынке начнётся с роботов телеприсутствия. В ближайшие несколько лет разработчики будут заниматься потребительскими качествами роботов телеприсутствия — улучшением качества изображения, повышением комфортности управления, упрощением обслуживания. По оценке экспертов мобильные интеллектуальные роботы, выполняющие работу за человека, уже начинают проникать в повседневную жизнь и в ближайшие годы могут создать много миллиардный рынок. В настоящее время мировой рынок роботов, по разным оценкам, составляет от 5 до 15 млрд. долларов в год. При этом, большая его часть – это промышленные роботы и роботы специального назначения. Вместе с тем, по оценкам экспертов, одним из наиболее потенциально крупных сегментов рынка мобильных роботов является создание машин, способных работать автономно (или с минимальным дистанционным участием человека) в опасных или экстремальных условиях.
В результате проекта разработаны экспериментальные образцы роботов сферической формы для выполнения исследовательских функций в различных областях, что позволит применять роботы в:
- системах патрулирования и охране различных объектов;
- контроля всхожести сельскохозяйственных культур, сборе информации о влажности почвы и иных данных;
- интеллектуальных игрушках;
- контроле состояния пожилых людей;
- различных приложениях телемедицины и реализации эффекта телеприсутсвия
- исследовании планет солнечной системы;
- контроле и мониторинге опасных производств;
- контроле санитарно – эпидемиологической обстановки в очагах массовых заражений.