Тема: КООРДИНАЦИЯ ГРУППЫ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ПОЛОСЫ ПРЕПЯТСТВИЙ

За последние десятилетия тема управления группой мобильных роботов и их формацией стала широко изучаемой [1,2]. В данной области неуклонно растёт интерес к теме децентрализованного распределённого управления в условиях сенсорных ограничений и отсутствия коммуникации между роботами.
В работе рассматривается специальная задача децентрализованного и распределенного управления формацией группы роботов для обеспечения эффективного заметающего покрытия территории. Возникающая область задач заметающего покрытия группой роботов быстро приобретает всё большее значение благодаря постоянно растущему использованию мобильных роботизированных групп и беспроводных сетей для исследования или распределенной обработки протяженных объектов.
Примеры соответствующих миссий включают автоматическое разминирование [3], экологические исследования, разведку, очистку корпуса корабля, мониторинг мест захоронения отходов на дне океана [4], съемку морского дна для разведки углеводородов. [5], обнаружение источников утечки опасных химических веществ, выброса паров или загрязняющих веществ, обнаружение разливов нефти, поиск экстремумов естественных полей [6], спасательные операции в городах после стихийных бедствий или техногенных катастроф, а также многое другое.
Чтобы добиться успеха в таких миссиях, элементы сети должны занимать правильные, желательно оптимальные, места с минимальным требованием, чтобы любая точка рабочего пространства была покрыта зоной видимости какого-то элемента. Если сеть большая, размещение элементов в таких местах внешними средствами может быть сложным и дорогостоящим. Это делает автономное саморазвертывание мобильных элементов привлекательным вариантом [7,8,9,10]: начиная со случайных позиций, роботы должны сами достичь оптимального развертывания за счет скоординированных действий. Для достижения этой цели необходимы масштабируемые и распределенные законы управления, сочетающие в себе простоту реализации, малое потребление ресурсов, устойчивость к отказам элементов, их взаимозаменяемость и твердые гарантии глобальной сходимости.
Однако многочисленные исследования задачи покрытия были сосредоточены в основном на геометрических аспектах проблемы [11,12,13]. Среди наиболее популярных тем — задача размещения узлов (сколько узлов нужно в сети и где их разместить) и построения пути, проходящего в непосредственной близости от любой точки интересующей области. При этом мало внимания уделялось вопросу автономного самораспределения групп роботов.
В частности, в задаче рассылки узлов основное внимание уделяется распределению узлов по предварительно вычисленным точкам, определенным алгоритмом размещения, и, возможно, улучшению качества покрытия; см., например, [14,15]. Многоагентное управление движением для достижения заданной статической конфигурации — еще одна хорошо изученная область; см., например, [16,17]. Некоторые из соответствующих подходов, например, основанные на потенциальных полях, виртуальных силах [18,19] или разбиении Вороного [17,20], способны работать с неизвестными рабочими зонами. В то же время доказательные гарантии глобальной сходимости по-прежнему остаются редкостью в соответствующей литературе, а проверка алгоритма часто сводится к компьютерным тестам и/или вторичным теоретическим фактам, таким как локальная оптимальность, вытекающая из сходимости к центрам ячеек Вороного. Доступно лишь несколько строгих результатов по глобальной сходимости (см., например, [21,22,23]), а разработка строго обоснованных глобально сходящихся законов управления для задач покрытия группой роботов в целом находится на ранней стадии.
Предложенный в работе строго обоснованный и глобально сходящийся распределенный закон управления для задачи покрытия, сочетающий элементы барьерного и заметающего покрытия [24], призван заполнить некоторые из вышеперечисленных про-белов. Группа роботов неизвестного размера должна прийти к общему перпендикулярному сечению неизвестного коридора, равномерно распределиться по его ширине в максимально плотный сете-образный барьер и прочесать коридор, двигаясь по нему как единое целое с предварительно заданной скоростью в заданном направлении. Эта схема покрытия представляет интерес для различных приложений, включая разминирование, экологические исследования, разведку при спасательных операциях и мониторинг экологических границ, и это лишь некоторые из них.
Для описанной выше миссии алгоритмы распределенного управления с гарантиями глобальной сходимости приведены в [25,22,23]. Однако соответствующие результаты сильно зависят от предположения, что коридор не содержит препятствий. С одной стороны, это предположение не выполняется для многих реальных приложений. С другой стороны, наличие препятствий существенно усложняет дело, делает невозможным базовые алгоритмические решения из [25,22,23] и добавляет дополнительную существенную проблему обхода препятствий к набору задач, решаемых распределенным образом, так что основная цель миссии должна быть выполнена при наличии препятствий.
Кроме того, выводы [25,22] связаны с моделями дискретного времени и существенно опираются на ограниченность снизу периода дискретизации по времени. Это ограничение может препятствовать своевременному обновлению управления и, таким образом, может повлечь за собой негативное влияние на работу команды, например, привести к столкновению роботов друг с другом, эта проблема не проработана в [25,22].
В данной квалификационной работе рассматриваются мобильные роботы, перемещающиеся с ограниченной скоростью, и смоделированные как простые интеграторы, каждый из которых имеет конечную зону видимости. В качестве рабочей зоны рассматривается коридор, который моделируется как полоса между двумя параллельными линиями в теоретической части статьи. Роботы не знают размера команды и ширины коридора и не могут различать друг друга, играть разные роли в команде и не оснащены средствами связи.
Предлагается простой закон управления, который индивидуально и независимо выполняется каждым роботом, является общим для всех, выстраивает роботов в максимально плотную сеть-барьер поперек коридора, а также перемещает этот барьер по коридору с заданной скоростью в заданном направлении. Кроме того, этот закон исключает столкновения роботов друг с другом, препятствиями и стенами коридора. При прохождении полосы препятствий равномерность распределения по коридору обязательно нарушается, однако предложенный закон продолжает поддерживать требуемую скорость движения вдоль коридора и расположение всех роботов на общем поперечном (подвижном) сечении коридора. При этом равномерность распределения автоматически восстанавливается после полного преодоления полосы препятствий. Это строго обосновано доказательством глобальной сходимости и подтверждено тестами компьютерного моделирования.
Текст работы организован следующим образом. Раздел1 описывает проблему. Раздел2 содержит необходимые условия для достижимости поставленной цели управления. Закон управления и связанные с ним определения и предположения представлены в раз-деле3, а основные результаты в разделе4. Все доказательства вынесены в раздел5. Раздел6 приводит результаты компьютерной симуляции. Раздел7 содержит краткие выводы.

Купить

В данной работе предложен распределённый закон управления, который автономно распределяет группу из неизвестного числа мобильных роботов в плотный барьер поперёк неизвестного коридора, в котором расположены неизвестные многоугольные препятствия. Предлагаемый закон управления также перемещает образовавшеюся формацию по коридору с заданной скоростью в заданном направлении. При этом равномерное распределение роботов по коридору обеспечивается только на свободных от препятствий участках коридора, а поперечная формация и заданная скорость по коридору сохраняются на всех участках коридора. Наряду с этим закон управления предотвращает столкновения роботов друг с другом, препятствиями и стенами коридора, а также опирается только на локальные сенсорные данные в заданном конечном диапазоне видимости и на доступе каждого робота к направлению коридора. Эффективность данного закона управления была подтверждена математически строгим доказательством глобальной сходимости и подтверждена тестами компьютерного моделирования.
Купить