Аннотация 3
Abstract 4
Обозначения и сокращения 5
Введение 6
1 Обзор и анализ существующих информационно-управляющих систем для
группы АНПА 9
1.1 Обзор существующих методов управления движением группы АНПА
1.2 Обзор программных реализаций ИУС 18
1.3 Постановка задачи 23
2 Архитектура ИУС для группы АНПА 24
2.1 Архитектура обмена сообщениями JAUS 25
2.2 Структура компонента ИУС 26
2.3 Структура менеджера ИУС 29
2.4 Реализация алгоритма комплексирования данных 36
2.5 Вывод 44
3 Разработка алгоритма формирования целевой точки для АНПА-ведомых 45
3.1 Эксперименты 46
3.2 Применение алгоритма фильтрации для прогнозирования движения
АНПА-лидера 53
3.3 Вывод 55
Заключение 56
Список использованных источников 57
Роботы используются во многих областях науки, техники и промышленности, в первую очередь там, где жизнедеятельность человека либо затруднена, либо вообще невозможна, например, в зонах радиоактивного или химического загрязнения, в условиях боевых действий, при проведении подводных или космических исследований и т. п. Проблеме создания роботов различного назначения посвящено достаточно большое число исследований, проводимых как в России, так и за рубежом. В результате этих исследований достаточно хорошо проработаны основные проблемы, с которыми приходится сталкиваться разработчикам при создании роботов, такие как распознавание объектов и сцен, формирование моделей окружающей среды, планирование маршрутов движения и последовательностей действий для достижения цели, управление движением с учетом динамики роботов и т. д.
В то же время стало понятно, что одиночный робот, каким бы интеллектуальным он ни был, может использоваться только для решения некоторых частных задач, либо выполнения довольно простых операций, поскольку он, как правило, обладает сравнительно малыми возможностями для выполнения поставленной задачи (небольшой радиус действия, ограниченный бортовым энергоресурсом, небольшое число выполняемых функций, ограниченное набором исполнительных устройств, невысокая вероятность выполнения поставленной задачи при функционировании в экстремальных ситуациях, поскольку выход из строя одиночного робота ведет к невыполнимости его миссии и т.п.).
Очевидным решением указанных выше проблем является использование нескольких роботов, объединенных в единую группу.
Преимущества группового применения роботов - это и больший радиус действия, достигаемый за счет рассредоточения роботов по всей рабочей зоне; и расширенный набор выполняемых функций, достигаемый за счет установки на каждый робот индивидуальных исполнительных устройств; и, наконец, более высокая вероятность выполнения задания, достигаемая за счет возможности перераспределения целей между роботами группы в случае выхода из строя некоторых из них. Поэтому такие сложные задачи как, например, масштабное исследование и зондирование поверхности других планет, сборка сложных конструкций в космосе и под водой, участие в боевых и обеспечивающих операциях, разминирование территорий и т.п., могут быть эффективно решены роботами только при их групповом взаимодействии. При этом возникают новые проблемы группового управления и коммуникации, связанные с организацией группового взаимодействия роботов.
В подводной робототехнике помимо общих проблем групповой робототехники добавляется и ряд специфических: низкая пропускной способность систем гидроакустической связи, что налагает жесткие ограничения на взаимодействие аппаратов между собой; ограниченные возможности по точности автономной подводной навигации, сложно предсказуемая обстановка.
Перечисленные проблемы необходимо преодолеть для успешного выполнения задач, поставленных перед группой автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА).
Целью данной работы является разработка распределенной ИУС для группы автономных подводных аппаратов, которая обеспечивает движение этой группы заданным строем с учетом низкой пропускной способности каналов передачи данных между роботами. Для обеспечения устойчивости формы строя при кооперативном движении применяется управление в режиме «лидер- ведомый».
В качестве основы для разработки ИУС для группы АНПА используется универсальная ИУС, разрабатываемая в Лаборатории робототехнических систем Института автоматики и процессов управления ДВО РАН [5]. Данная ИУС построена на архитектуре JAUS [11], которая хорошо себя зарекомендовала при разработке ИУС для сложных автономных мобильных систем. Однако, т. к. разрабатываемая ИУС на данный момент применима только для одного мобильного робота, необходимо расширить ее возможности для применения в групповом управлении.
В результате данной работы была разработана ИУС для группы АНПА, которая обеспечивает движение группы заданным строем, с учетом низкой пропускной способности каналов передачи данных между роботами.
Были решены следующие основные задачи:
а) разработан компонент-менеджер верхнего уровня, обеспечивающий взаимодействие между аппаратами в составе группы;
б) разработан механизм гарантированной доставки сообщений между компонентами ИУС, обеспечивающий высококачественное управление движением АНПА.
в) реализован алгоритм комплексной обработки данных, получаемых от бортовых навигационно-пилотажных датчиков и учитывающий их различную частоту обновления показаний, который обеспечивает более точное движение как каждого АНПА, так и группы АНПА заданным строем;
г) разработан алгоритм формирования целевой точки для ведомых аппаратов, который обеспечивает поддержание геометрической формы строя между АНПА во время движения на основе стратегии «лидер-ведомый» с учетом низкой пропускной способности канала связи;
д) проведен ряд экспериментов, подтверждающий работоспособность и эффективность разработанных и реализованных в работе алгоритмов. Дана оценка влияния низкой пропускной способности на управление группой роботов при текущей системе управления движением группы.
Таким образом, разработанная ИУС позволяет эффективно управлять группой АНПА в условиях низкой пропускной способности каналов связи между АНПА.
Разработанные и реализованные в ходе работы алгоритмы могут быть использованы в ИУС других мобильных роботов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
