Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Классы решаемых задач 23
1.1 Введение 23
1.1.1 Области использования АНПА 23
1.1.2 Функциональная структура вычислительной системы АНПА 26
1.1.3 Взаимодействие оператора с АНПА 30
1.2 Анализ областей применения АНПА 32
1.2.1 Картографирование 32
1.2.2 Поисковые задачи 36
1.2.3 Обследовательские задачи 39
1.2.4 Освещение подводной обстановки 43
1.2.5 Групповые операции 44
1.3 Проблемы подготовки программного обеспечения для АНПА 50
Выводы к главе 1 53
ГЛАВА 2. Общий подход к построению программного обеспечения анпа 55
2.1 Особенности реализации вычислительной сети АНПА 55
2.1.1 Функциональные требования к архитектуре 59
2.2 Программные архитектуры систем управления 61
2.2.1 Иерархическая архитектура 61
2.2.2 Поведенческая архитектура 63
2.2.3 Модель целесообразного поведения 67
2.3 Общий подход к построению ПО 68
2.4 Тактический уровень 71
2.4.1 Особенности задачи управления на тактическом уровне 71
2.4.2 Организация тактического уровня 72
2.4.3 Структура агента тактического уровня 74
2.4.4 Типичный состав библиотеки агентов тактического уровня 76
2.4.5 Пример управляющей структуры 77
2.5 Исполнительный уровень 79
2.5.1 Особенности задачи управления на исполнительном уровне 79
2.5.2 Поведенческие структуры исполнительного уровня 84
Выводы к главе 2 88
ГЛАВА 3. Стратегический уровень формирования поведения анпа 91
3.1 Введение 91
3.2 Существующие способы задания миссии 94
3.2.1 Языковые средства 95
3.2.2 Визуальные средства планирования 100
3.2.3 Анализ существующих решений 105
3.3 Императивные миссии 106
3.4 Декларативные миссии 109
3.5 Стратегический уровень 115
3.6 Средства автоматизации подготовки заданий 117
3.6.1 Графические средства формирования миссий 119
3.6.2 Элементы покрытия акваторий для решения типовых задач 124
3.6.3 Симулятор миссии 127
Выводы к главе 3 128
ГЛАВА 4. Методика разработки по анпа с использованием интегрированной системы моделирования 130
4.1 Введение 130
4.2 Основные положения концепции отладки ПО 132
4.3 Имитационный моделирующий комплекс 139
4.3.1 Структура комплекса 139
4.3.2 Особенности комплекса 143
4.3.3 Отладка программного обеспечения с использованием ИО 150
4.4 Примеры работы комплекса 153
4.4.1 Отладка алгоритмов верхнего уровня 153
4.4.2 Визуальная отладка миссий в среде моделирующего комплекса 155
4.4.3 Использование программного ИО 157
Выводы к главе 4 158
ГЛАВА 5. Реализация программной архитектуры системы управления 160
5.1 Поведения и алгоритмы работы исполнительного уровня 160
5.1.1 Режимы движения и динамика АНПА 160
5.1.2 Движение по вертикальным профилям в сложном рельефе 166
5.1.3 Эквидистантное движение 173
5.1.4 Практические результаты использования управляющих структур исполнительного уровня 179
5.2 Библиотека агентов для решения поисково-обследовательских задач .181
5.2.1 Типовые траектории для покрытия акваторий сетью галсов 182
5.2.2 Обследование искусственных протяженных объектов 188
5.2.3 Дообследование посторонних объектов 212
5.2.4 Приведение и стыковка АНПА с доковой станцией 215
Выводы к главе 5 226
Основные результаты и выводы 228
Список использованных источников 231
Приложение 1. Интерфейсные функции исполнительного уровня 256
- Функциональная структура вычислительной системы АНПА
- Типичный состав библиотеки агентов тактического уровня
- Графические средства формирования миссий
- Визуальная отладка миссий в среде моделирующего комплекса
Введение к работе
Актуальность работы. Общепризнанно, что наиболее безопасным и эффективным путем исследования глубин Океана и выполнения различных подводных операций является использование технических средств, обеспечивающих косвенное присутствие человека под водой. Важную роль в этом играют автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА). Работы по созданию и использованию АНПА в нашей стране были начаты в 1972 году под руководством М.Д. Агеева. Первоначально они велись в Институте автоматики и процессов управления Дальневосточного научного центра, а с 1988 года были продолжены во вновь организованном Институте проблем морских технологий ДВО РАН. За период 1972-2011 г.г. было создано более 20 экспериментальных и опытных образцов автономных, телеуправляемых и буксируемых аппаратов, способных работать на больших глубинах, а автономных - вплоть до предельных глубин океана.
АНПА нашли широкое применение во всем мире для выполнения самых разнообразных подводных работ, а их количество уже превысило тысячу экземпляров. Производимые АНПА работы можно разделить на поисковые (называемые также обзорно-поисковыми) и обследовательские (или поисково- обследовательские). В настоящее время подавляющее большинство выполняемых роботами операций принадлежит к задачам поискового класса: различные поисковые и спасательные работы, батиметрические, океанологические и экологические измерения и мониторинг, противоминные операции и другие.
Имеются также успехи в использовании АНПА для выполнения поисково-обследовательских операций. К ним можно отнести проведение автоматической инспекции подводных коммуникаций (особенно в районах подводных нефтегазовых промыслов), поиск источника экологического загрязнения акваторий, оконтуривание аномалий различной физической природы и другие. Идеологически поисково-обследовательские работы являются надмножеством работ обзорно-поискового класса. Функции робота при их осуществлении заключаются в обнаружении (идентификации) искомого объекта (аномалии) и выполнении каких-либо действий, связанных с уточнением состояния объекта. Подобные операции не могут осуществляться роботами с обычным программным управлением (поскольку все действия робота не могут быть описаны заранее) и требуют наличия на борту развитой системы формирования поведения. Система, обеспечивающая желаемое поведение робота, должна иметь возможность гибкого наращивания функциональности по мере появления новых задач обследования и бортовых сенсоров. При этом необходимо учитывать особенности работы АНПА, отличающие его от наземных, воздушных и космических беспилотных аппаратов. К таким особенностям следует отнести крайне ограниченный по информационной пропускной способности акустический канал связи с оператором (а во многих случаях - полное отсутствие связи), небольшой выбор сенсоров внешней среды (представленных, в основном, акустическими средствами), частичное или полное отсутствие карты района работ, а также отсутствие доступа к глобальной навигационной системе.
Построение развитых информационно-управляющих систем (ИУС) относится к числу наиболее важных задач при создании обследовательских АНПА. Значительный вклад в формирование этого направления внесли отечественные ученые М.Д. Агеев, В.С. Ястребов, Ю.И. Жуков, Л.В. Киселев, Ю.Г. Молоков, М.А. Кузьмицкий, О. С. Попов. Схожие по своей проблематике задачи стоят при разработке мобильных роботов. В области теории информационного обеспечения и управления мобильными роботами (в т.ч., полностью автономными) различного вида и назначения основополагающими являются работы Е.А. Девянина, С.Л. Зенкевича, И.А. Каляева, И.М. Макарова, Д.Е. Охоцимского, А.К. Платонова, Е.П. Попова, Е.И. Юревича. Широко известны работы зарубежных исследователей, таких как J.S. Albus, R. Arkin, J.G. Bellingham, R.A. Brooks, A.J. Healey, G.N. Saridis, Т. Ura и других. Работы перечисленных авторов послужили созданию прочного теоретического фундамента для развития систем управления АНПА.
Автоматизация обследовательских работ позволила бы экономить существенные материальные ресурсы. Об актуальности такого рода исследований говорит, например, такой факт, что после катастрофы на нефтяных месторождениях в Мексиканском заливе в 2010 году компания British Petroleum выделила 500 млн. долларов для разработки комплекса мер по оценке состояния подводных коммуникаций с использованием для этих целей, в том числе, автономных аппаратов. Таким образом, задача создания ИУС, которая обеспечивала бы автоматическое выполнение обследовательских работ с помощью АНПА, является актуальной.
Вместе с тем анализ публикаций показывает, что широкое практическое применение АНПА в новых областях ограничивается тем, что существующие системы управления ориентированы на решение задач обзорного класса. В одних случаях это проявляется в необходимости поддерживать постоянную информационную связь с оператором, изменяющим цели функционирования системы в процессе работы. В других - имеются ограничения, связанные со сложностью и неадекватностью формирования заданий для выполнения поисково-обследовательских работ. Успехи при выполнении таких работ связаны, скорее, с демонстрацией потенциальных возможностей АНПА, а не с их широким использованием для этих целей.
Проблема является комплексной и заключается в следующем.
Для обследовательских работ отсутствуют адекватные способы описания задания (миссии), а архитектура программного обеспечения информационно-управляющих систем аппаратов, в свою очередь, не поддерживает декларативных миссий, необходимых для возможности широкого использования АНПА. Недостаточная формализация поисково- обследовательского класса задач и, как следствие, способы задания миссии и их низкая декларативность сложны для потенциальных пользователей АНПА.
Имеет место слабая методологическая проработка вопросов согласованного выполнения нескольких операций во время обследования, что необходимо при организации сложного поведения АНПА.
Процессы обнаружения и обследования объектов носят экспериментальный характер и недостаточно проработаны.
Важность задач, стоящих перед АНПА, наличие ряда перечисленных выше нерешенных проблем определяют актуальность исследований диссертационной работы, решающей крупную научно-практическую задачу формирования поведения АНПА для возможности выполнения операций обследовательского класса.
Целью диссертации является решение комплексной проблемы, связанной с разработкой и исследованием методов формирования поведения и описания задания (миссии), а также принципов построения программного обеспечения ИУС для АНПА, выполняющего широкий спектр поисково- обследовательских работ. Особое внимание уделяется применимости предлагаемых подходов для разработки ИУС АНПА на базе стандартных малопотребляющих индустриальных одноплатных компьютеров.
Для достижения указанной цели были определены следующие задачи.
-
-
Разработка концепции построения программной архитектуры информационно-управляющей системы обследовательского АНПА на базе иерархического и поведенческого подходов, обеспечивающей удовлетворение основных требований по назначению в условиях наличия ограничений на вычислительные ресурсы ИУС.
-
Разработка методов построения и алгоритмов функционирования тактического и исполнительного уровней системы управления с применением подходов поведенческой робототехники.
-
Создание методов и средств формирования миссий различных классов на базе набора (библиотеки) агентов тактического уровня.
-
Разработка, исследование и реализация алгоритмов функционирования ключевых агентов и поведений тактического и исполнительного уровней ИУС для решения комплекса задач автоматического обследования искусственных протяженных объектов.
-
Разработка способов отладки создаваемого для АНПА программного обеспечения с использованием интегрированной программной системы, включающей: моделирующий комплекс, имитатор оборудования, средства подготовки миссии АНПА и программное обеспечение ИУС АНПА, объединенные на базе созданной программной платформы.
-
Реализация и исследование разработанных методов и программных средств в действующих АНПА при выполнении экспериментальных и опытных работ.
Предметом исследования являются принципы организации и функционирования программного обеспечения ИУС обследовательского АНПА.
Методы исследований. Проведённые исследования базируются на основных положениях теории и практики построения информационно - измерительных и управляющих систем, методах компьютерного моделирования и вычислительной геометрии, теории программирования, общей теории систем, анализа изображений, математической логики.
Достоверность полученных результатов обеспечивается вычислительными методами верификации предлагаемых решений, а также подтверждается результатами реализации методов и алгоритмов управления, проведенными морскими испытаниями и опытной эксплуатацией более десяти различных АНПА.
Научная новизна работы заключается в разработке методов формирования поведения и описания задания (миссии), а также принципов построения программного обеспечения ИУС для АНПА, решающего задачи обследовательского характера. Получены следующие научные результаты.
В работе впервые представлено в систематизированном виде и обобщено многообразие задач для обследовательского АНПА, что отражено в требованиях к структуре ИУС и методам формирования поведения.
Разработана концепция построения программной архитектуры системы управления обследовательского АНПА, существенно расширяющая возможности АНПА при решении обследовательских задач различных классов в условиях наличия ограничений на вычислительные ресурсы ИУС.
В рамках предложенной концепции для ИУС АНПА разработана методика применения подходов поведенческой робототехники на различных уровнях функциональной трехуровневой архитектуры системы управления, что обеспечивает нетрудоёмкое наращивание функциональности по мере появления новых задач и аппаратных средств.
Обоснован подход к построению компонентов тактического уровня. Библиотека компонентов (агентов), получаемая в результате функциональной декомпозиции целевой задачи, составляет базу для декларативного описания миссии, что позволяет осуществлять настройку АНПА под различные типы обследовательских задач.
Разработано формальное описание миссий для АНПА с использованием декларативной нотации, опирающейся на библиотеку агентов тактического уровня и позволяющей представлять миссии поискового и обследовательского классов в виде списка задач для решения. Это повышает уровень абстракции миссии и обеспечивает использование всех текущих возможностей АНПА.
Разработаны, исследованы и реализованы алгоритмы функционирования ключевых агентов и поведений тактического и исполнительного уровней ИУС, обеспечивающих решение широкого спектра обзорно-поисковых и ряда новых обследовательских задач.
Для решения комплекса задач развития и сопровождения программного обеспечения ИУС обследовательского АНПА разработаны принципы построения и методика применения интегрированной программной системы, включающей: моделирующий комплекс, имитатор оборудования, средства подготовки миссии и программное обеспечение ИУС АНПА, объединенные на базе созданной программной платформы.
Научная и практическая значимость. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты основаны на опыте создания и эксплуатации систем управления различных подводных аппаратов ИПМТ ДВО РАН. Работы осуществлялись в 1986-2011 годах в рамках государственной и региональной научной программы «Мировой Океан», НИР «Разум», НИР «Гуашь»; программ международного сотрудничества; НИР «Разработка технологии создания интеллектуальных подводных роботов на основе реконфигурируемых системных архитектур и высокоточных методов навигации и управления», № гос. регистрации 01.2006 06513»; ряда НИР и ОКР, выполненных в рамках Гособоронзаказа, а также при поддержке грантов РФФИ и ДВО РАН: №06-08-07118-з, №07-08-00596-а, №08-08-08043-з, №09- 08-08016-з, №06-11-04-03-002, №06-111-А-01-010, №09-П-СО-3-001, №09-1- ОЭММПУ-08, №09-Ш-А-01-006.
В рамках перечисленных программ и проектов осуществлялась теоретическая и практическая разработка программного обеспечения ИУС АНПА и методов решения конкретных задач. Во всех разработках использованы полученные результаты по методам построения программной архитектуры систем управления АНПА и данные вычислительных и натурных экспериментов по построению алгоритмов управления АНПА для выполнения обзорно-поисковых и обследовательских работ.
Полученные результаты дают более общее и полное представление о задачах и методах управления АНПА, что позволяет применять их при создании новых универсальных аппаратов и разработке перспективных проектов. Использование предложенной архитектуры существенно расширяет возможности АНПА при решении задач обследовательского и поискового характера. Разработанный способ формирования заданий для АНПА обеспечивает формальное описание миссий АНПА для различных классов задач.
Реализация результатов работы и внедрения. Методы формирования поведения, описания задания (миссии), а также принципы построения программного обеспечения ИУС внедрены в АНПА, разработанных для войсковой части 40056 МО РФ, МЧС России, а также в ряде зарубежных проектов. Результаты работы поэтапно реализованы в следующих АНПА:
в ИПМТ ДВО РАН: МТ-88 (1985-1989), МТ-ГЕО (1989-1990), «Разум-1(2)» (1990-1992), «Клавесин-М» (МТ-98) (1997-2004), ММТ-2000 (2005), «Клавесин» (2005), «Пилигрим» (2009), и некоторых других;
по программам международного сотрудничества: CR-01 (1991-1997), CR-02 (1998-2003) (совместно с Шеньянским Институтом автоматики Китайской Академии наук), TSL (1994-1995) (фирма Hibbard Marine, США), OKPO- 6000 (1993-1998) (совместно с корпорацией DAEWOO, Южная Корея).
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах.
Международные конференции: Pacific Congress on Marine Science and Technology /PACON/ (1990, Tokyo, Japan,); MTS/IEEE OCEANS (1995, San Diego, USA; 2005, Washington, D.C., USA; 2006, Boston, MA, USA; 2008, Kobe, Japan; 2011, Big Island of Hawaii, USA); Unmanned Untethered Submersible Technology /UUST/ (1997 и 2005, New Hampshire, USA,); Underwater Mining Institute /UMI/ (2003, Korea, Jeju-do); ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium (2004, Vladivostok, Russia); 7 th International Symposium on Marine Engineering (2005, Tokyo, Japan); International Conference on Subsea Technologies /SubSeaTech/ (2007 и 2009, St. Petersburg, Russia); 15th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (2008, Saint Petersburg, Russia); International Symposium on Underwater Technology /UT/ (2009, Wuxi, China; 2011, Big Island of Hawaii, USA).
Всероссийские (всесоюзные) конференции, школы и семинары: Всесоюзное совещание «Технические средства и методы изучения океанов и морей» (1985, Геленджик; 1989, Москва); Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований» /МСОИ/ (2003 и 2005, Москва); Всероссийская научно- техническая конференция «Технические проблемы освоения мирового океана» /ТПОМО/ (2005, 2007, 2009, Владивосток,); IV Всероссийская конференция «Математика, информатика, управление» /МИУ/ (2005, Иркутск); Международная научная конференция «Системный анализ, управление и навигация» (2009 и 2010, Крым, Евпатория); Всероссийская научно- техническая конференция «Научное и техническое обеспечение исследований и освоения шельфа Северного Ледовитого океана» (2010, Новосибирск); Всероссийская научно-практическая конференция «Перспективные системы и задачи управления» (2010, Домбай; 2011, Таганрог).
Публикация результатов работы. Основные положения диссертации отражены в 89 публикациях. В автореферате приведены 55 из них, включая четыре коллективных монографии, восемь статей в журналах из перечня ВАК РФ, 24 статьи в сборниках и журналах, десять докладов на Международных конференциях и шесть докладов на Всероссийских (всесоюзных) конференциях и совещаниях.
Под руководством автора и по тематике исследований защищены две кандидатские диссертации: «Разработка алгоритмов поиска и обследования искусственных протяженных объектов с помощью автономного необитаемого подводного аппарата» (специальность 05.13.18) и «Построение отказоустойчивых бортовых систем управления автономными необитаемыми подводными аппаратами» (специальность 20.02.14).
Личный вклад автора. Результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Практическая реализация предложенных методов и подходов обеспечивалась как лично автором, так и совместно с сотрудниками лаборатории, руководимой автором (они являются соавторами соответствующих публикаций).
В монографиях [1] и [2] автором написаны главы 3, 4 и 2, 5 соответственно. В монографии [3] - разделы 1.4.3 и 1.4.4. Автор является редактором сборника статей [5], размещенного в открытом доступе. Шесть работ написаны без соавторов [18, 33, 34, 35, 36, 37].
В публикациях, выполненных в соавторстве, автор внес следующий вклад: [5, 10, 16, 21, 23, 24, 44, 48, 50] - постановка задачи, разработка алгоритмов обследования, проведение натурных экспериментов и внедрение полученных решений в систему управления АНПА; [6, 17, 27, 28, 41, 43, 47] - разработка и моделирование алгоритмов управления; [7, 8, 9, 13, 14, 22, 30, 49] - особенности реализации системы управления АНПА; [11, 12, 52] - разработка архитектуры моделирующего комплекса и возможность его использования для тестирования программного обеспечения АНПА; [15, 20, 25, 26, 31, 32, 38, 53, 54, 55] - постановка задачи и обоснование подходов к решению; [19, 39] - язык управления АНПА предложен как интерфейс для сетей Петри; [40, 51] - концепция графического редактора миссии для АНПА; [42, 43, 45, 46] - анализ различных конфигураций вычислительных сетей АНПА.
В работах ИПМТ ДВО РАН по созданию подводных роботов автор в разное время являлся программным архитектором и заместителем главного конструктора, ответственным за разработку программного обеспечения систем управления АНПА.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание составляет 256 страниц, в том числе 96 иллюстраций. Список литературы включает 219 наименований.
Функциональная структура вычислительной системы АНПА
Для возможности выполнения перечисленных выше операций в современных АНПА используется развитая бортовая локальная вычислительная сеть (ЛВС). Рассмотрим её функциональную структуру на примере АНПА разработки ИПМТ ДВО РАН.
В общей структуре ЛВС можно выделить базовые системы, обеспечивающие функционирование АНПА как носителя аппаратуры, и информационно-поисковые системы (рис. 1.2).
Организующим ядром базовых систем является ведущий компьютер (автопилот), обеспечивающий управление движением, контрольно-аварийные и поисковые функции. Для формирования управления используется набор пилотажных датчиков и эхолокационная система (ЭЛС), а для обеспечения безопасности служат аварийные датчики. Движение организуется с помощью движительно-рулевого комплекса. Дистанционное изменение миссии АНПА может осуществляться при наличии гидроакустической системы связи. Последняя также используется для оперативного получения данных о текущем состоянии АНПА. Системы поиска АНПА используются для обнаружения АНПА на поверхности после окончания выполнения работ.
Важную роль играет навигационная система. Точность определения координат достигается за счет использования бортовой навигации, включающей инерциальную навигационную систему (ИНС) и доплеровский лаг. При работе АНПА в базе гидроакустических маяков накапливающаяся ошибка счисления пути может быть ликвидирована за счет комплексирования данных бортовой системы навигации и принимаемых на борту откликов маяков длиннобазовой гидроакустикой навигационной системы (ГАНС ДБ). Для этих же целей может быть использована информация о дальностях и пеленгах, получаемая от гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой (УКБ ГАНС).
Поисковые системы, входящие в состав системы технического зрения, по способу получения данных можно разбить на несколько групп. К акустическим системам относятся высокочастотные (ВЧ) и низкочастотные (НЧ) гидролокаторы бокового и секторного обзора (ГБО и ГСО соответственно), а также профилограф. Данные устройства обычно подключаются к отдельному компьютеру для анализа, обработки и записи информации. Токопроводящие предметы могут быть обнаружены с использованием электромагнитного искателя (ЭМИ).
Обработку изображений осуществляет телевизионная система (ТВС). Помимо фото и видеокамер в её состав входит компьютер, осуществляющий выделение объектов на изображениях. Информация от датчиков, входящих в состав информационно-измерительных систем, обычно накапливается и затем используется для построения разнообразных карт исследуемой акватории (экологических, геофизических и т.п.). При необходимости эта информация может быть использована в реальном времени, например для оконтуривания роботом места загрязнения или участка с аномальной температурой.
ЛВС АНПА создает единую информационную структуру, состоящую из компьютеров автопилота, системы технического зрения, а также различных бортовых устройств, функционирующих на базе микроконтроллеров различных типов. Сеть обеспечивает скоростной обмен информацией между компьютерами ИУС и «прозрачный» информационный доступ любого из компьютеров к любому из бортовых устройств. Для организации сети используются как высокопроизводительные каналы обмена (Ethernet), так и относительно низкоскоростные последовательные каналы. Судовой вычислительный комплекс (СВК) состоит, как правило, из судовых постов оператора (СПО) и навигатора (СПН) АНПА. Типичный состав СВК, а также его взаимосвязи с АНПА показаны на рис. 1.3.
Судовой вычислительный комплекс поста оператора и буксируемый гидроакустический модуль (БГАМ) обеспечивают информационную связь с АНПА и определение координат АНПА во время выполнения программы-задания.
СПО выполняет следующие функции:
подготовку миссии (составление программы-задания на текущий запуск АНПА);
верификацию миссии в режиме off-line (вне АНПА) и её последующую загрузку в АНПА;
считывание накопленных данных, просмотр параметров движения АНПА и оценку качества выполненного задания после подъема АНПА на борт;
осуществление регламентных работ с АНПА; управление АНПА на поверхности с использованием средств радиосвязи.
Во время нахождения АНПА на борту судна ЛВС системы управления подключается к судовой ЛВС кабелем связи. С этого момента ЛВС АНПА становится информационно доступна с компьютеров СПО и СПН. При этом обеспечивается загрузка программ в АНПА, его предпусковая проверка и выгрузка накопленных данных после завершения миссии. Во время нахождения аппарата на поверхности за бортом судна его система управления доступна только с СВК через канал радиосвязи.
Типичный состав библиотеки агентов тактического уровня
Для выполнения поисково-обследовательских работ тактический уровень должен включать набор агентов, обеспечивающий выполнение полного цикла действий: выход аппарата из места базирования; перемещение его в акваторию, предназначенную для обследования; выполнение обследования района с использованием одного или последовательности из нескольких шаблонов обследования; в случае обнаружения искомого объекта (объектов) выполнить ряд предусмотренных действий; возвращение к месту базирования; выполнение команд телеуправления или запросов КАС. Агенты объединяются в несколько перечисленных ниже библиотек. К функциям агентов данной категории относится управление движением аппарата, попавшего в сложную обстановку (например, выход на мелководье), что связано с временным прекращением выполнения программы-задания. Агенты активизируются при невозможности выполнения на исполнительном уровне заданного элементарного движения.
Каждой принимаемой роботом телекоманде соответствует выполнение некоторого действия одним из агентов библиотеки:
1) маневрирование по курсу и глубине, изменение режима движения;
2) управление работой бортовой регистрирующей аппаратуры;
3) возвращение к точке старта или в заданную точку;
4) прекращение выполнения миссии. 2.4.4.3 Библиотека миссии
Для обследовательской задачи инспекции искусственных протяженных объектов (ИПО) разработана библиотека агентов, обеспечивающих выполнение полного цикла инспекционных работ и включающих:
типовые покрытия акватории сетью галсов; детектирование и отслеживание искусственных протяженных объектов с использованием разнородных систем обнаружения (ЭМИ, фотосистемы, ГБО); повторное обследование предварительно проинспектированных объектов с использованием альтернативных средств инспекции; дообследование обнаруженных посторонних объектов вблизи инспектируемого объекта; возвращение в подводную доковую станцию или к обеспечивающему судну.
В качестве примера рассмотрим схему поведения АНПА, использующуюся при инспекции ИПО (рис. 2.10) и включающую этапы: погружения АНПА и поиска объекта; обнаружения и отслеживания объекта;
Схема поведения АНПА при инспекции ИПО обнаружения и фотографирование посторонних объектов вблизи ИПО.
Первоначально активизирован низкоприоритетный агент, реализующий поисковую траекторию. При обнаружении объекта и получении сигнала от системы распознавания активизируется слой, реализующий поведение АНПА при обследовании объекта, а выполнение поисковой траектории при этом подавляется.
Третий слой служит для обнаружения и дообследования посторонних объектов вблизи ИПО. Его работа осуществляется в двух поочередно использующихся режимах: накопления и анализа информации о посторонних объектах и дообследование обнаруженных объектов. Иными словами, агент в «пассивной» фазе осуществляет накопление информации, при переходе в «активную» фазу (подавляя процедуру обследования) осуществляет дообследование обнаруженных объектов, а далее вновь возвращается к фазе накопления информации. При этом активизируется нижележащий слой (продолжение инспекции объекта).
Подробнее особенности реализации агентов изложены в «Глава 5. Реализация программной архитектуры системы управления». 2.5 Исполнительный уровень
Исполнительный уровень реализуется как реактивный (рефлекторный) интерпретатор потока команд от тактического уровня.
Для взаимодействия с тактическим уровнем используется интерфейс (рис. 2.12), содержащий сообщения и команды нескольких типов (управления движением и бортовой аппаратурой, выдача измеряемых параметров и обработка событий) (Приложение 1). Примитивы интерфейса образуют базу управляющих функций для тактического уровня.
Основой задачей исполнительного уровня системы управления АНПА является обеспечение движения аппарата как носителя исследовательского оборудования (т.е. основной задачей является обеспечение движение вблизи дна).
Выполнение обзорно-поисковых задач связано с покрытием обследуемой акватории сетью параллельных галсов. Расстояние между галсами выбирается таким образом, чтобы обеспечить гарантированный охват акватории зоной действия используемых бортовых устройств (ГБО, фото, профилограф).
В связи с особенностями работы бортовых устройств, в вертикальной плоскости движение аппарата должно осуществляться по эквидистантной траектории (движение на равном расстоянии от поверхности дна) от дна с обходом или огибанием препятствий. Для решения указанных задач АНПА оснащается системами, позволяющими определять положение корпуса аппарата по отношению к препятствиям и обследуемым объектам. Как правило, для этих целей используются акустические дальномерные системы (группировки локаторов с фиксированными диаграммами направленности).
Большинство известных методов организации движения роботов связано с решением обратной задачи динамики [97], когда робот должен отследить с минимальной ошибкой заранее спланированную траекторию. Планирование траектории производится с использованием известных методов на более высоких уровнях управления [95]. Методы прокладки траектории подвижных роботов среди препятствий по имеющейся карте в настоящее время проработаны достаточно основательно как для наземных [86, 89, 91], так и для воздушных объектов [199]. Однако к АНПА подобная постановка задачи не применима ввиду следующих причин:
1) отсутствие точной карты местности и недостаточно точная навигационная привязка АНПА
2) отсутствие полной картины препятствий ввиду точечного характера измерений, проводимых ЭЛС АНПА
Управление движением по эквидистанте предполагает, вообще говоря, формирование некоторой модели эквидистанты на основе эхолокационной информации и данных об относительных перемещениях аппарата. В таком случае управление можно организовать в виде корректируемой программы, прогнозирующей пространственную эквидистантную траекторию и ориентирующей аппарат вдоль нее. В плоском случае задача упрощается и сводится к стабилизации позиционных и угловых рассогласований, сформированных с помощью нескольких дальномеров. Подобный способ управления был реализован в различных модификациях в большинстве аппаратов ИПМТ ДВО РАН [4, 8].
Графические средства формирования миссий
На рис. 3.8 изображена общая структура среды редактора миссий (МПЛАН). Далее пойдет речь о принятых подходах и некоторых возможностях системы.
1 В среде МПЛАН принято разделение представления задания на исполняемое и удобочитаемое. Для представления задания в виде, легком для восприятия человеком (в т.ч. нетехническим пользователем) разработан специализированный расширяемый язык на базе xml, состоящий как из команд управления АНПА (см. п. «3.3 Императивные миссии»), так и из директив управления средой редактирования и моделирования миссии. Это позволило не только упростить описание составляемой миссии, но и обеспечивать проверку синтаксической корректности не на уровне конструкций языка С, а на существенно более высоком уровне абстракции.
В результате работы редактора генерируется код управляющей программы – форма задания, предназначенная для непосредственного исполнения аппаратом.
Наличие полноценного текстового описания полезно для быстрого создания элементарных миссий в обычном текстовом редакторе, однако основной задачей системы МПЛАН является предоставление развитых средств визуального редактирования, включая возможности: оперативного добавления в систему новых команд; планирования различных вариантов миссий в зависимости от условий времени выполнения.
Существенной сложностью в решении этих задач, является необходимость предусмотреть как возможность моделирования выполнения команд, неизвестных на этапе разработки системы, так и редактирования результатов их выполнения. Кроме того, большое значение имеет способ описания команд, от которого требуется высокая степень выразительности, чтобы не налагать лишних ограничений на множество допустимых заданий.
В среде МПЛАН предусмотрено две категории команд: базовые и составные. В первую попадают команды, непосредственно реализуемые системой управления аппарата и моделируемые средой, а так же оператор условного перехода. Вторую составляют сложные процедуры на языке С, составленные из базовых команд и добавляемые пользователем в процессе планирования задания. Этой второй группой определяется существенная гибкость способа описания команд.
Для возможности моделирования результатов выполнения задания и их корректировки вычислительный процесс, порождаемый исполнением последовательности команд, дискретно представляется в виде дерева переходов АНПА из одного состояния в другое с ветвлениями в зависимости от условий рабочего цикла программы.
Под состоянием АНПА понимается вектор параметров, включающих характеристики движения аппарата, статус бортовых устройств, некоторые существенные переменные системы управления и т.д. Важно отметить, что данная структура может быть легко расширена при необходимости более детального моделирования поведения АНПА.
Переход между состояниями в результате выполнения базовой команды называется операцией. Иными словами операция — это шаг выполнения программы. В терминологии потоков данных операция получает на вход
Изменение каждой операции возможно при помощи универсального диалогового редактора параметров связанной с ней команды. Кроме того, разработаны специализированные средства редактирования и визуализации для различных аспектов выполнения задания. Например, изменение пути движения аппарата возможно посредством прокладки траектории на карте, а вертикальный профиль движения аппарата отображается на отдельной диаграмме.
Здесь важно отметить принципиальное отличие в решении задач моделирования выполнения команды и редактирования.
В первом случае для каждой команды достаточно определить преобразования модели аппарата. В среде МПЛАН это достигается по-разному для разных видов команд. Базовые команды добавляются в систему сопровождающим программистом, т.е. их поведение жестко закодировано в среде редактора. Сложные команды (например, движение аппарата по спирали) разрабатываются пользователем системы и выполняются редактором непосредственно с учетом базовых команд, из которых они состоят, что позволяет автоматически обеспечивать моделирование любой новой команды.
Редактирование возможно явным заданием параметров команды, однако такой метод не всегда соответствует критериям простоты, поэтому для большинства используемых команд разработаны обратные преобразования, позволяющие, изменяя предполагаемый результат выполнения (т.е. например положение целевой точки на карте), косвенно подбирать необходимые значения аргументов.
Визуальная отладка миссий в среде моделирующего комплекса
Моделирующий комплекс может быть с успехом использован в качестве средства подготовки и отладки миссии, а также тренажёра для операторов АНПА. В зависимости от целей и квалификации оператора миссия готовится с использованием одного из доступных средств: текстового или графического редакторов. На рис. 4.15 (слева) показан процесс подготовки миссии в графическом редакторе. Поскольку моделирующий комплекс сопряжен с базой данных, хранящей как результаты запусков АНПА, так и картографическую информацию, то в качестве подложки (карты) может быть использована та и другая. На рис. 4.15 показана миссия, созданная с использованием электронной карты формата S-57.
Далее миссия выполняется в среде МК с использованием моделей аппарата и внешней среды. В данном примере в качестве модели среды использовалась информация о глубинах, содержащаяся в карте S-57. В соответствии с используемыми в текущей копии среды системы управления алгоритмами АНПА воспроизводит движение в заданном районе. Оператор имеет возможность оценить полученную траекторию с различных ракурсов, выбираемых им по своему усмотрению. Например, на рис. 4.15 (справа) показаны четыре ракурса одной и той же траектории, полученных с использованием различных виртуальных камер.
Для имитации обнаружения объектов последние могут быть помещены на дно в районе выполнения миссии (например, как описано в п. «4.4.1 Отладка алгоритмов верхнего уровня»). В этом случае процесс моделирования миссии будет развиваться в соответствии с заложенным в миссию сценарием.
Рассмотрим несколько вариантов использования ИО для отработки различных аспектов эксплуатации АНПА и отладки его программного обеспечения.
Для проверки ПО контрольно-аварийной системы АНПА всё необходимое программное обеспечение было запущено на виртуальной машине по схеме, приведенной на рис. 4.11.
Цель работы заключалась в проверке реакции ИУС АНПА на различные нештатные ситуации. Для этого отладочная миссия АНПА многократно запускалась в имитационном режиме, и с помощью утилит из пункта «Ручное управление» создавались различные ситуации, которые невозможно получить на реально работающих исправных устройствах: изменение токов, напряжений, температуры, выход этих параметров за допустимые пределы; изменение различных информационных битов в слове состояния устройства.
В результате эксперимента была составлена сводная таблица реакций системы управления АНПА на эти факторы, а также временные характеристики (задержка реакции ИУС при возникновении и при пропадании фактора). На основе этих таблиц были внесены коррективы в режимы работы КАС. Стоит отметить, что проверку контрольно-аварийной системы могут проводить независимо несколько специалистов, не имеющих непосредственного отношения к разработке ПО ИУС, что повышает надежность тестирования.
Параллельно с проверкой КАС проводилось тестирование системы диагностики (Приложения 3, 4) с целью своевременного и правильного отображения аварийных состояний на схеме аппарата для привлечения внимания оператора.
На рис. 4.16 показан фрагмент выполнения миссии АНПА в тот момент, когда с помощью программы управления моделью в ИО было послана команда «установить ошибку состояния доплеровского лага». Система управления получила это состояние через всю цепочку штатных драйверов и интерфейсов. Та же авария была зафиксирована приложением диагностики – ИУС отобразила аварийное состояние датчика (“DL_dev_error”), а на схеме АНПА датчик был выделен красным цветом.
1. Разработан новый подход к тестированию и верификации создаваемого для АНПА программного обеспечения. Тестирование ведётся на основе интегрированной системы моделирования и подготовки миссии, использующей программную платформу ИУС АНПА, что позволяет: проводить отладку агентов тактического уровня и поведений исполнительного уровня; осуществлять наглядное двух- и трехмерное представление готовящихся миссий.
2. В структуре интегрированной системы предложено использование абстрактного интерфейса взаимодействия компонентов системы, принятого в программной среде ИУС АНПА. Это позволяет проводить отладку компонентов в виде, удобном как для отладки алгоритмической составляющей, так и пригодном к непосредственному использованию в ИУС АНПА. Использование абстрактного интерфейса позволяет проводить независимую системную отладку компонентов.
3. На базе интегрированной системы предложена методика оптимизации классической трехэтапной схемы отладки компонентов (включающей этапы «модель компонента – модель АНПА», «модель АНПА – реальный компонент», «реальный компонент – реальный АНПА»). При этом самые трудоемкие первый и второй этапы отладки совмещены и проводятся в удобной среде МК на технологической ЭВМ.
4. К отличительным особенностям системы можно отнести возможность работы в программно-аппаратном варианте, что позволяет проводить отладку поведений и низкоуровневых компонентов ИУС без использования оборудования реального АНПА.
Похожие диссертации на Методы формирования поведения и проектирования программного обеспечения обследовательского автономного подводного робота
-
