«Разработка методов и алгоритмов адаптивного управления движением мультиагентных сферических роботов повышенной маневренности в условиях неопределенности и существенных внешних возмущений»

Выполнение проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от от 11.11.2015 г. № 14.613.21.0047 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

На этапе № 1 в период с 11.11.2015 по 31.12.2015 выполнялись следующие работы:

1.1. Выполнение аналитического обзора научных и информационных источников по проблематике методов и алгоритмов адаптивного управления движением и взаимодействие мультиагентных сферических роботов повышенной маневренности в условиях неопределенности и внешних возмущений за период 2011 - 2015 годы.
1.2. Проведение патентных исследований в соответствии ГОСТР 15.011-96.
1.3. Анализ методов и алгоритмов группового взаимодействия роботов.
1.4. Выбор и обоснование конструкторско-технологических решений по разработке и проектированию сферического корпуса и основных механических систем конструкции.
1.5. Разработка вариантов решения задачи управления движением мультиагентных роботов и проведение их сравнительной оценки.
1.6. Теоретическое обоснование оптимальных вариантов решения задач группового взаимодействия роботов.
1.7. Анализ методов и алгоритмов управления движением мультиагентных роботов и проведение их сравнительной оценки.
1.8. Анализ способов организации систем связи и передачи данных в группе взаимодействующих мультиагентов.
1.9. Разработка решения навигационной задачи в системе мобильных роботов.
1.10. Выполнение аналитического обзора научных и информационных источников по проблематике систем управления движением сферических роботов за период 2011 - 2015 годы.
1.11. Разработку типовых поведенческих сценариев групповой работы роботов.
1.12. Определение оптимального базового состава сенсоров, систем видеонаблюдения и режимов их совместной работы.
1.13. Разработка вариантов построения открытой архитектуры бортовой системы управления роботами позволяющую реализовать процедуры управления каждым роботом в отдельности, гак и при их групповом взаимодействии.

В ходе выполнения первого этапа проекта получены следующие основные результаты:

• Проведен аналитический обзор научных и информационных источников по проблематике методов и алгоритмов адаптивного управления движением и взаимодействие мультиагентных сферических роботов повышенной маневренности в условиях неопределенности и внешних возмущений за период 2011 - 2015 годы.
• Проведены патентные исследования.
• Разработаны варианты возможных решений задачи управления движением мультиагентных роботов и проведена оценка их эффективности; обоснован выбор оптимального варианта решения задач их группового взаимодействия; проведены предварительные расчеты и обоснованы конструкторско-технологические решения по проектированию сферического корпуса и основных механических элементов конструкции.
• Разработана методика выбора оптимального варианта решения задачи организации связи в группе взаимодействующих мультиагентов; проведено обоснование точности позиционирования мобильных роботов, выбор и обоснование вариантов решения навигационной задачи.
• Проведен теоретический анализ конструктивных решений и принципов проектирования сферических роботов, выполнен анализ методов и алгоритмов управления движением мобильных роботов по заданной траектории с требуемой точностью.
• Проведен аналитический обзор научных и информационных источников по проблематике систем управления движением сферических роботов за период 2011 - 2015 годы.
• Разработаны типовые тестовые задачи для моделирования группового поведения роботов с целью достижения заданной целевой функции.
• Обоснован оптимальный базовый состав сенсоров, систем видеонаблюдения и режимов их совместной работы.
• Разработана открытая архитектура бортовой системы управления роботами, позволяющая реализовать процедуры управления каждым роботом в отдельности, так и при их групповом взаимодействии.

Основные характеристики полученных результатов созданной научно-технической продукции заключаются в обосновании:

• конструкторско-технологических решений и разработке методов и алгоритмов адаптивного управления движением мультиагентных сферических роботов повышенной маневренности в условиях неопределенности и существенных внешних возмущений должны соответствовать современному техническому уровню;
• основных технические характеристик сферического робота;
• требований к системе связи, передачи данных и телеуправления и выборе ее технических параметров;
• точности определения местоположения роботов и их взаимного позиционирования посредством спутниковых и локальных систем навигации;
• конструктивных решений по изготовлению экспериментальных образцов сферических роботов для обеспечения движения по траектории с требуемой точностью.

Конструкторско-технологические решения, заложенные при разработке методов и алгоритмов адаптивного управления движением мультиагентных сферических роботов повышенной маневренности в условиях неопределенности и существенных внешних возмущений, соответствуют современному техническому уровню.

Базовый состав сенсоров и систем видеонаблюдения обеспечивает возможность получения полезной информации при скорости движения до 10 км/час.
Микропроцессорная 4-канальная система управления, поддерживающая человеко-машинный интерфейс для работы оператора, обеспечивает возможность управления роботом во всех эксплуатационных режимах со скоростью движения до 10 км/час и имеет дублирующие каналы.

Система технического зрения робота обеспечивает оператора информацией об окружающей среде.

Новизна научных и технических результатов в данном проекте заключается в разработке методов и алгоритмов управления движением группы сферических роботов при их движении по сложной траектории при преодолении препятствий, сетевой самоорганизующейся системы связи и передачи данных, разработки комплексированной системы навигации в интересах мультиагентных роботов.

Полученные результаты соответствуют требованиям к выполняемому проекту что подтверждается результатами моделирования движения гомогенной группы роботов агентов, расчетами по проектированию сферического робота и оценками точности определения местоположения по данным системы навигации и расчетами по организации сетевой структуры связи. Сравнением с результатами работ определяющими мировой уровень развития данного направления науки и техники.

Разрабатываемый сферический робот выбранный в качестве носителя аппаратуры связи, видеонаблюдения, мониторинга и навигации превосходит зарубежные аналоги по скорости перемещения, точности отработки заданной траектории, полезной нагрузке и времени автономной работы. Предлагаемая система управления на основе открытой архитектуры имеет колоссальный модернизационный ресурс и способна работать как с уникальной авторской программой управления, так и с типовыми приложениями, поддерживающими стандарты для интеллектуальных агентов.

На этапе № 2 в период с 01.01.2016 по 31.12.2016 выполнялись следующие работы:

2.1 Теоретический анализ конструктивных решений и принципов проектирования сферических роботов.

2.2 Анализ методов и алгоритмов управления движением мобильных роботов по заданной траектории с требуемой точностью.

2.3 Разработка методов и моделей системы связи и передачи данных в условиях плотной городской застройки для мультиагентных робототехнических систем.

2.4 Разработка методов и алгоритмов подсистемы координатно-временного обеспечения системы мобильных роботов для решения задачи их группового взаимодействия.

2.5 Кинематический расчет приводов и их энергопотребления.

2.6 Разработка контроллерной системы управления приводами.

2.7 Разработка программного обеспечения для самоконфигурируемой сети связи и передачи данных в группе мобильных роботов с пунктом управления (оператором).

2.8 Разработка программного обеспечения для решения задачи в системе пространственно-распределенных взаимодействующих мультиагентов.

2.9 Теоретическое обоснование методов и алгоритмов обеспечения группового взаимодействия мультиагентов.

2.10 Разработка программы для системы мультиагентной маршрутизации для сферических роботов, реализующая геометрические, кинематические, динамические ограничения.

2.11 Проведение оценки полноты решения научно-технических задач и достижения поставленных целей исследования.

2.12 Проведение оценки эффективности полученных результатов исследований (выполнения проекта) в сравнении с современным научно-техническим уровнем.

2.13 Обоснование рекомендаций по возможности использования полученных результатов исследований (выполнения проекта) в реальном секторе экономики.

2.14 Обоснование целей и технических характеристик ОКР «разработка человеко-машинного интерфейса для мультиагентной воздушно-наземной робототехнической системы».

2.15 Обоснование эргономичных человеко-машинных интерфейсов для работы оператора.

2.16 Анализ встраиваемых бортовых систем управления, применимых в робототехнических системах, выбор и обоснование контроллеров для системы управления двигателями приводов роботов сферической формы.

2.17 Теоретическое обоснование применимости адаптивных пид-регуляторов на основе нечеткой логики в условиях не полного описания математической модели объекта управления. Анализ и синтез законов управления для нелинейных систем и систем с неопределенностями для случая неполной информации об объекте управления.

2.18 Разработка алгоритмов адаптации системы управления при изменении характеристик объекта или условий эксплуатации. Разработка математической модели движения сферического робота в различных условиях с целью отработки элементарных движений и отработки задающих воздействий.

2.19 Разработка математической модели движения сферического робота в различных условиях с целью отработки элементарных движений и отработки задающих воздействий.

В ходе выполнения второго этапа проекта получены следующие основные результаты:

• Проведен теоретический анализ конструктивных решений и принципов проектирования сферических роботов.
• Проведен анализ методов и алгоритмов управления движением мобильных роботов по заданной траектории с требуемой точностью.
• Разработаны методы и модели системы связи и передачи данных в условиях плотной городской застройки для мультиагентных робототехнических систем.
• Разработаны методы и алгоритмы подсистемы координатно-временного обеспечения системы мобильных роботов для решения задачи их группового взаимодействия.
• Проведен кинематический расчет приводов и их энергопотребления.
• Разработана контроллерная система управления приводами.
• Разработано программного обеспечение для самоконфигурируемой сети связи и передачи данных в группе мобильных роботов с пунктом управления (оператором).
• Разработано программного обеспечения для решения навигационной задачи в системе пространственно-распределенных взаимодействующих мультиагентов.
• Разработана программная документация на «Программное обеспечение самоконфигурируемой сети связи, навигации и передачи данных».
• Проведено теоретическое обоснование методов и алгоритмов обеспечения группового взаимодействия мультиагентов.
• Разработана программа для системы мультиагентной маршрутизации для сферических роботов, реализующая геометрические, кинематические, динамические ограничения.
• Разработана программная документация на «Систему мультиагентной маршрутизации для сферических роботов, реализующая геометрические, кинематические, динамические ограничения».
• Проведена оценка полноты решения научно-технических задач и достижения поставленных целей исследования.
• Поведена оценка эффективности полученных результатов исследований (выполнения проекта) в сравнении с современным научно-техническим уровнем.
• Проведено обоснование рекомендаций по возможности использования полученных результатов исследований (выполнения проекта) в реальном секторе экономики.
• Обоснованы цели и технические характеристики ОКР "Разработка человеко-машинного интерфейса для мультиагентной воздушно-наземной робототехнической системы".
• Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец сферического робота согласно ГОСТ 2.701-84.
• Разработана программа и методика испытаний робота сферической формы в соответствии с ГОСТ 19.301-79.
• Разработана программа и методика экспериментальных исследований и испытаний экспериментального образца сферического робота в соответствии с требованиями ГОСТ 19.301-79.
   
• Иностранным партнером за счет собственных средств (внебюджетных) выполнены следующие научные и научно-технические результаты: проведено обоснование эргономичных человеко-машинных интерфейсов для работы оператора; проведен анализ встраиваемых бортовых систем управления, применимых в робототехнических системах, выбор и обоснование контроллеров для системы управления двигателями приводов роботов сферической формы; проведено теоретическое обоснование применимости адаптивных ПИД-регуляторов на основе нечеткой логики в условиях не полного описания математической модели объекта управления, анализ и синтез законов управления для нелинейных систем и систем с неопределенностями для случая неполной информации об объекте управления; разработаны алгоритмы адаптации системы управления при изменении характеристик объекта или условий эксплуатации; разработана математическая модель системы управления сферическим роботом в различных режимах движения; разработана математическая модель движения сферического робота в различных условиях с целью отработки элементарных движений и отработки задающих воздействий.
   
• Разработана мультиагентная система сферических роботов в составе трех экспериментальных образцов включающая: сферический корпус каждого изделия, движитель маятникового типа, систему энергоснабжения, систему управления, систему связи, передачи данных и навигации, пульт оператора. Разработанные методы и алгоритмы адаптивного управления движением мультиагентных сферических роботов повышенной маневренности в условиях неопределенности и существенных внешних возмущений потенциально позволят в дальнейшем исследовать проблематику мультиагентных систем. В результате исследований авторами намечены новые технические решения в области проектирования сферических роботов, которые на порядок повышают такие показатели качества как скорость и манёвренность, а также допускают существенные ударные нагрузки по конструкции при довольно простой технической реализации. Рекомендации и предложения по использованию результатов выполненного проекта заключается в том, что сферический робот способен передавать данные мониторинга, производить мониторинг воздушных смесей посредством датчиков с принудительным забором забортного воздуха. Технико – экономическая эффективность от внедрения сферического робота заключается в его применении в задачах локального мониторинга химически и биологически опасных производств, за счет дублирования штатных средств. Поскольку как авария, так и ложная тревога, приводящая к остановке производства, приводят в высоким технико – экономическим последствиям. Другая функция робота - это охранный робот или робот - наблюдатель, который может выполнять функции наблюдения и слежения. Он может патрулировать большие площади с относительно плоским покрытием и становится незаменимым в условиях применения некоторой стороной опасных для дыхания газов.
   
• Основными эксплуатационными особенностями сферических роботов являются: гарантированная защита радиоэлектронной аппаратуры, расположенной внутри герметичного, ударопрочного корпуса от пыли, воды, и иных негативных факторов внешнего воздействия; слабая критичность к столкновению с препятствиями, поскольку любая его поверхность равномерно защищена от удара; форма и материал корпуса обеспечивает легкую очистку, дезинфекцию и дегазацию корпуса; возможность размещения систем технического зрения и аппаратуры наблюдения в защищенном прозрачном корпусе; возможность эксплуатации в сложных климатических условиях, при широких изменениях температуры, влажности, давления; возможность быстрого набора скорости, изменение направления движения, способность преодолевать препятствия (максимальная скорость робота составляет до 10 километров в час); возможность телеуправления роботом оператором дистанционно, при наличии возможности движения по заданному маршруту по сигналам спутниковых навигационных систем; сферический робот не может потерять подвижность за счет опрокидывания благодаря особенностям сферической формы. Преимущественными областями применения мультиагентных групп сферических роботов являются: системы контроля и мониторинга предприятий атомной, химической и биологической промышленности; системы охраны и патрулирования аэродромов, промышленных объектов, выставочных залов и т.д.; сбор информации о влажности почвы и иных данных, необходимых для мониторинга методов точного земледелия и передаче результатов измерений потребителю; аудиогид музеев, выставочных залов и павильонов, рекламные функции в инновационных проектах. Перспективными направлениями использования сферических роботов являются: контроль санитарно-эпидемиологической обстановки в очагах массовых заражений; исследование поверхности планет солнечной системы; задачи дистанционного контроля за состоянием пациентов в больницах и дома; робот-компаньон, бытовая техника, индустрия развлечений; исследования в целях мониторинга водных пространств.
   
• Оценка научно-технического уровня полученных результатов в сравнении с лучшими достижениями в данной области позволяет сделать вывод, что по сравнению с лучшими достижениями в данной области разработанные экспериментальные образцы сферического робота они обладают большем временем автономной работы, возможностью установки различных датчиков мониторинга, что при использовании роботов в составе мультиагентной группы существенно расширяет возможности мониторинга. Разработанный сферический робот в явном виде обладает омнимобильностью за счет улучшения возможности системы управления движением (уменьшено время отработки команд в системе поворота и крена). Для обеспечения движения в новом направлении требуется с помощью привода крена сместить массу маятника в нужном направлении. Точность отработки траектории достигается за счет уменьшения радиуса поворота шасси, повышения плавности работы и разрешения (разрешающей способности) системы движения шасси; уменьшения люфтов в механической части приводов, улучшение качества управления за счет повышения тактовой частоты системы управления, усовершенствования контура обратной связи, развития алгоритмов управления (первый и второй уровень – управление собственно приводами и системой движения в комплексе). Оснащение системами мультипротокольной самоорганизующейся системой связи позволяет осуществить быстрое развертывание и масштабируемость связной компоненты, ее высокую живучесть и пропускную способность. При этом легко создаются зоны сплошного информационного покрытия большой площади при масштабируемости сети (увеличение площади зоны покрытия и плотности информационного обеспечения) в режиме самоорганизации. Использование беспроводных транспортных каналов для связи точек доступа в режиме «каждый с каждым» обеспечивает устойчивость сети к потере отдельных элементов. Тестируемый вариант мультиагентной системы из трех роботов сферической формы показал хорошее качество связи и адекватную отработку управляющих воздействий в помещении. В процессе работы над проектом получены новые знания в области сферических роботов, позволяющие создать опережающий научно – технический задел, заключающийся в создании принципиально новых типов движителей сферических роботов с использованием для перемещения опор касающихся земли и робота, способного менять свою форму и передвигаться за счет двух электродвигателей разной мощности и миниатюрной двухпоточной трансмиссии. Система навигации роботов позволяет осуществлять определение их местоположения как по данным глобальных спутниковых навигационных систем, так и систем локального позиционирования, что обеспечивает возможность работы внутри зданий, при этом точность позиционирования оценивается дециметрами. Таким образом мультиагентная система на основе сферических роботов, представляя собой объект глобулярной технологии позволяет увеличить количество и качество информации об объектах мониторинга и подключение каждого нового агента потенциально дает новый информационный поток (в соответствии со спецификой бортового оборудования агента).
   
• Задачи поставленные в исследовании решены, разработан и изготовлен сферический робот с диаметром сферы не более 600 мм., массой не более 8 кг., скоростью движения до 10 км/ч. и возможностью поворота с любым радиусом (от 0 до ∞) способного преодолевать препятствия высотой до 10 мм и уклоны до 5° с возможностью двигаться с места в любом направлении при времени автономной работы до 10 часов. Реализация методов и алгоритмов адаптивного управления движением мультиагентных систем повышенной маневренности в условиях неопределенности и существенных внешних возмущений заключается в возможность работы как полностью автономно в составе группы, так и при телеуправлении оператором с пульта выбрав один из роботов в качестве ведущего. Дальнейшее направление работ видится в развитии мощности МАРС (увеличение числа используемых агентов) и дальнейшем совершенствовании стратегий и алгоритмов управления. Имеется также возможность повышения энерговооруженности системы без существенного увеличения массы агентов – за счет применения более энергоемких накопителей энергии (в том числе, выполненных на основе суперконденсаторов). Приоритетными направлениями практического использования разработанной МАРС представляются в первую очередь – мониторинг обстановки на предприятиях и в складских помещениях, решения задач патрулирования специальных объектов (объекты энергетики, военные комплексы), работа в коммуникациях (тоннели, системы труб и технологических коридоров) и др. В целом шасси сферического робота полностью оправдало свое применение, как носитель аппаратуры для локального мониторинга. Дальнейшее развитие апробированных принципов конструирования мультисенсорных роботов сейчас наиболее выгодно в направлениях создания систем локального экологического мониторинга производств, контролирования территорий специальных объектов (склады, ангары, тоннели и т.д.), сельское хозяйство (системы точного земледелия, включающие компоненту оперативного мониторинга состояния сельхозкультур), а также при мониторинге опасных химических и биологических производств, поскольку оболочка сферического робота легко поддаётся дегазации и дезинфекции.

По результатам проведенных на втором этапе исследований:

Опубликованы 2 статьи в журналах, индексируемых в Scopus:

1. E. G. Borisov, R. U. Dobretsov, S. I. Matrosov. Energy Expenditure Forecasting at Path Generation of Spherical Robots within Multi-Agent System/ Indian Journal of Science and Technology, Vol 9(44), November 2016, рр 1-9.
2. R. Kirichek, A. Paramonov, A. Vladyko, E. Borisov. Implementation of the Communication Network for the Multi-Agent Robotic Systems// International Journal of Embedded and Real-Time Communication Systems, 7(1), 2016, рр 33-51.

Получены охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности:

1. Программа для ЭВМ, свидетельство № 2016617039 «Программа имитационного моделирования самоконфигурируемой сети связи, навигации и передачи данных».
2. Программа для ЭВМ, свидетельство №2017613412 «Контрольно-испытательная программа для сферического робота».
3. Заявка на изобретение № 2017100956 «Мультиагентная робототехническая система».
4. Заявка на изобретение № 2016152458 «Шарообразный робот с приводом маятникового типа (варианты)».