Регистрация / Вход
Прислать материал

14.581.21.0018

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.581.21.0018
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики"
Название доклада
Разработка мехатронных и фотонных технологий для унифицированных автономных мультиагентных робототехнических систем наземного и космического базирования
Докладчик
Грязнов Николай Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной целью ПНИЭР является создание унифицированных автономных мультиагентных робототехнических систем наземного и космического базирования (далее – МРС) на базе мехатронных технологий и использующих фотонные технологии для связи и ориентации в окружающей обстановке.
Получаемые результаты ПНИЭР предназначены для последующего создания Индустриальным партнёром во взаимодействии с Получателем субсидии МРС широкого профиля применения.
Достижение вышеуказанных целей обеспечивается с использованием результатов прикладных научных исследований, выполняемых в период 2015-2016 годов по темам:
ПНИ-1 «Разработка мехатронных средств робототехнического обеспечения модульного типа наземного и космического базирования» (шифр 2015-14-579-0134);
ПНИ-2 «Разработка алгоритмов удаленного супервизорного управления группировкой роботов наземного и космического базирования» (шифр 2015-14-579-0135);
ПНИ-3 «Разработка программно-аппаратных средств формирования оптической сети для наземного и космического применения» (шифр 2015-14-579-0136).
В задачи ПНИЭР входят:
1 Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИЭР.
2 Разработка МРС, обеспечивающей выполнение различных видов работ с помощью мобильных комплексов (МК) и сменных полезных нагрузок (СПН) в полуавтоматическом и автоматическом режимах и передачу телевизионной, локационной и телеметрической информации от МК к стационарным пунктам связи (СПС).
3 Разработка РКД и ПД на МРС в исполнении наземного базирования до литеры не ниже «О».
4 Разработка ТЗ на завершение разработки МРС в исполнении космического базирования со стадии разработки рабочей документации.
Актуальность и новизна исследования
Разработка автономных МРС с сетецентрическим управлением, контролируемых удаленным оператором, рассматривается как основное средство решения задач разведки и мониторинга территорий, а также развертывания оборудования в условиях, исключающих непосредственное участие человека (инопланетные станции, наземные зоны с высоким уровнем заражения, автономные базы в труднодоступных регионах).
Основными системными требованиями к МРС является:
1- высокая (более 1 Гб/с) скорость обмена информацией между агентами МРС, снабженными широкопольными высокоразрешающими 3D-системами наблюдения окружающей обстановки (стереокамеры, лазерные локаторы, оптические системы координатных измерений), что приводит к необходимости реализации беспроводной оптической связи между агентами МРС через атмосферу или свободное пространство;
2 функционирование в зоне действия радиусом не менее 2 км относительно СПС;
3- в автоматическом режиме МРС должна осуществлять все операции по решению функциональных задач полностью в автономном режиме по заранее заданным программам;
4- в полуавтоматическом режиме МРС должна осуществлять решение функциональных задач под супервизорным управлением оператора, который может приостановить выполнение программы каким-либо МК, входящим в состав МРС, скорректировать параметры указанной программы или поменять выполняемую программу.
Реализация в МРС указанных требований позволит разработать систему, не имеющую аналогов в практике роботостроения. Необходимые для разработки МРС технологии обладают признаками существенной новизны и позволят решать новые задачи, в том числе в космических условиях.
Описание исследования

Предусмотрено пять этапов выполнения ПНИ:

Этап 1. Анализ схем построения МРС;

Этап 2. Разработка макетов элементов МРС;

Этап 3. Изготовление макетов и предварительные испытания;

Этап 4. Разработка РКД и изготовление ОО;

Этап 5. Приемочные испытания.

В данном докладе рассмотрены результаты первых двух законченных этапов и третьего этапа, находящегося на финальной стадии выполнения.

На первом этапе был разработан и согласован с участниками консорциума сетевой план-график работ.

Проведенные на первом этапе аналитический обзор научно-технической, нормативной и методической литературы, затрагивающей тематику проекта, а также патентный поиск в области аппаратных средств и программного обеспечения МРС, предназначенных для работы в наземных и космических условиях, позволили обосновать выбор наиболее перспективных принципов построения МРС и состава программных средств.

Для обеспечения выполнения функциональных задач МРС в автоматическом и полуавтоматическом режимах был сформулирован облик сенсорных и вспомогательных систем мобильных комплексов (МК). В состав оборудования вошел вспомогательный радиочастотный канал связи, лазерные локаторы переднего (ЛЛ) и кругового обзора (ЛЛ КО), телевизионные камеры кругового обзора (ТВ ККО), модуль оптико-электронной системы координатных измерений (ОЭСКИ), инерциальная навигационная система (БИНС) и глобальная навигационная система (ГНС).

На первом этапе ПНИЭР были разработаны функциональные схемы и алгоритмы работы ЛЛ и  мобильного модуля ОЭСКИ, которые обеспечивают получение 3-х мерной информации об окружающей обстановке и измерение точных координат МК и стационарного пункта связи (СПС). Был проведен также анализ возможных вариантов исполнения ТВ ККО.

Технические решения, заложенные в основу построения ЛЛ позволяют получить параметры, совокупность которых (в частности рабочая дальность и угловое разрешение трехмерного снимка пространства в поле зрения) превосходит возможности известных приборов того же класса (Velodyne, Riegl).

Мобильного модуль ОЭСКИ, в свою очередь обеспечивает высокоточное определение угловых координат объектов, осуществляя таким образом топологическую привязку к местности самого мобильного комплекса или другого объекта.

На первом этапе ПНИЭР были разработаны технические требования к стенду для тестирования проходимости МК, углового разрешения ОЭСКИ и ЛЛ, точностных и динамических характеристик ТС.

Были разработаны перечни (комплектности) конструкторской и программной документации на макеты ЛЛ, ОЭСКИ и СПС, на опытный образец МРС наземного базирования, а также документ «Комплектность технической документации» содержащий виды, состав и комплектность разрабатываемой технической документации.

Было проведено уточнение требований ТЗ к техническим характеристикам бортового источника питания РПМТ.

На втором этапе ПНИЭР были проведены разработка макета стационарного пункта связи и анализ массы, характеристик электропотребления, габаритно-присоединительных размеров и интерфейсов сменных полезных нагрузок

Были определены требования к органам управления, индикации и визуализации информации на рабочем месте оператора, функциональные задачи МК, состав выполняемых программ и список команд управления.

Были определены также требования к надежности и устойчивости к внешним воздействиям для космического исполнения МРС, технические характеристики механических и электрических интерфейсов сопряжения РПМТ с размещенным на нем оборудованием, частотный диапазон радиосвязи РПМТ с СПС.

Была разработана ЭКД на макет ЛЛ, макет ОЭСКИ, макет СПС, техническая документация на стенд для тестирования проходимости МК.

Проведено согласование с исполнителями ПНИ посадочных мест и интерфейсов устройств РПМТ.

Разработана ПД на макет ЛЛ, макет ОЭСКИ, макет СПС, на стенд для тестирования проходимости МК, на стенд для тестирования углового разрешения ОЭСКИ и ЛЛ, точностных и динамических характеристик ТС.

Разработаны программы и методики исследовательских испытаний макетов ЛЛ, макетов ОЭСКИ, макетов СПС.

Уточнены требования ТЗ к техническим характеристикам ТВ ККО, согласованы с исполнителями ПНИ функциональные схемы и алгоритмы работы РПМТ, ТС, КУ и СССУ.

На третьем этапе были изготовлены макеты ЛЛ, ОЭСКИ, СПС, а также стенд для тестирования проходимости МК и стенд для тестирования углового разрешения ОЭСКИ и ЛЛ, точностных и динамических характеристик ТС.

На момент подготовки материалов данного доклада проходят исследовательские испытания макетов устройств на изготовленных стендах.

Результаты исследования

На момент подготовки данного доклада третий этап ПНИЭР - «Изготовление макетов и предварительные испытания» находится на завершающей стадии, проводятся испытания макетов устройств МРС. Таким образом, на данный момент результатами работы являются в первую очередь эскизная конструкторская и программная документация на элементы МРС, а также на стенды для исследовательских испытаний узлов МРС и изготовленные по данной документации макеты и стенды.

  1. Была разработана ЭКД и ПД на макет стационарного пункта связи. В его состав вошли стационарный модуль ОЭСКИ, аппаратура формирования оптической сети, глобальная навигационная система высокой точности, система радиочастотной связи, высокопроизводительные вычислители с ПО обеспечивающим функционирование группировки мобильных роботов в автоматическом и полуавтоматическом режимах. Данная аппаратура и ПО имеют высокий показатель новизны, о чем свидетельствуют ряд заявок на патенты.
  2. Был проведен анализ массы, характеристик электропотребления, габаритно-присоединительных размеров и интерфейсов сменных полезных нагрузок МК. Анализ проводился исходя из требования унификации габаритно-присоединительных размеров сменной полезной нагрузки, а также исключения влияния энергопотребления сменной полезной нагрузки на энерговооруженность РПМТ.
  3. Был определен частотный диапазон радиосвязи РПМТ с СПС. Были проанализированы требования ТЗ, определен частотный диапазон радиосвязи для макета МРС и рассмотрены варианты использования альтернативных частотных диапазонов в будущем.
  4. Была разработана ЭКД на макет ЛЛ. ЛЛ построен по гибридной схеме и обладает высокими параметрами по рабочей дальности и угловому разрешению при сохранении высокой скорости построения трехмерного облака точек сканируемого пространства. Технические решения использованные в ЛЛ обладают существенной новизной, о чем свидетельствуют заявки на патенты.
  5. Была разработана ЭКД на макет ОЭСКИ. Данная система имеет уникальные оптические характеристики, технические решения использованные в ОЭСКИ обладают существенной новизной, что также подтверждено заявками на патенты.
  6. Была разработана техническая документация на стенд для тестирования проходимости МК.
  7. Была разработана ПД на макет ЛЛ. Так как часть ПД на ЛЛ является реализацией устройства на микросхеме программируемой логики (ПЛИС), то по существу может рассматриваться не как программное, а как техническое решение. В частности система измерения временных интервалов обладает существенной новизной, что подтверждается заявкой на патент.
  8. Была разработана ПД на макет ОЭСКИ.
  9. Были разработаны ЭКД и ПД на стенд для тестирования углового разрешения ОЭСКИ и ЛЛ, точностных и динамических характеристик ТС.
  10. Были разработаны программы и методики исследовательских испытаний макетов ЛЛ, макетов ОЭСКИ, макетов СПС.
  11. Были уточнены требования ТЗ к техническим характеристикам ТВ ККО.
  12. Были согласованы с исполнителями ПНИ функциональные схемы и алгоритмы работы РПМТ, ТС, КУ и СССУ.
  13. Были изготовлены макеты ЛЛ.
  14. 16)    Были изготовлены макеты ОЭСКИ.
  15. Был изготовлен макет СПС.
  16. Был изготовлен стенд для тестирования проходимости МК.
  17. Был изготовлен стенд для тестирования углового разрешения ОЭСКИ и ЛЛ, точностных и динамических характеристик ТС.

 

Практическая значимость исследования
Практическая значимость работы подтверждается постоянным увеличением числа разработок автономных и дистанционно управляемых робототехнических систем военного назначения, систем, предназначенных для использования в чрезвычайных ситуациях, автоматических космических аппаратов, беспилотных транспортных систем.
С Индустриальным партнером обсуждались направления использования робототехнических средств, снабженных средствами беспроводной лазерной оптической связи и рядом сенсорных систем, а также возможности коммерческого использования отдельных подсистем и узлов МРС, разрабатываемых в ходе ПНИЭР.
1) МРС может использоваться в ряде направлений:
a. Системы мониторинга, предотвращения и ликвидации последствий ЧС.
b. Автономные мониторинговые и/или исследовательские наземные базы, расположенные на труднодоступных территориях или территориях с крайне неблагоприятными для человека условиями.
c. Автоматические станции на других планетах.
d. Системы военного назначения.
2) Ряд систем разрабатываемых в рамках ПНИЭР имеет независимые от МРС перспективы использования:
a. ЛЛ может быть использован на любом подвижном носителе и может быть особо востребован на железнодорожном, морском и авиатранспорте как средство автоматического контроля пространства перед транспортным средством.
b. Аппаратура организации атмосферной оптической линии связи также может использоваться в сфере видеотрансляций, беспилотного транспорта и т.д. отдельно от МРС. Главным достоинством данной системы является быстрое развертывание оптической информационной сети на территории не обладающей необходимой для существующих решений инфраструктурой.
3) Ряд технических решений и узлов вошедших в состав устройств МРС может иметь собственные перспективы использования:
a. Система измерения временных интервалов ЛЛ может применяться как унифицированный узел в целом спектре лидарных систем, а также в дальномерах различных конструкций и прочих системах требующих точного измерения временных интервалов (расходомеры, счетчики и т.д.).
b. Система стабилизации и наведения терминалов связи может применяться в любых задачах связанных со стабилизацией и угловыми перемещениями объектов с высокой точностью.