Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния научной проблемы расширения функциональных возможностей мобильных технологических роботов 8
1.1 Анализ проблемы расширения функциональных возможностей мобильных технологических роботов в свете современных тенденций развития робототехники 8
1.2 Анализ способов расширения функциональных возможностей мобильных технологических роботов 20
1.3 Цели и задачи диссертации 31
Глава 2. Автономность мобильных технологических роботов 33
2.1 Понятие автономности и классификация автономных технологических роботов 33
2.2 Разработка структурной модели автономных технологических роботов 47
2.3 Разработка функциональной модели автономных технологических роботов 73
2.4 Метод оценки уровня автономности мобильных роботов 77
2.5 Анализ способов повышения автономности мобильных роботов 82
2.6 Выводы по второй главе 88
Глава 3. Расширение функциональных возможностей роботов путём повышения уровня их автономности 89
3.1 Исследование влияния типов и уровня автономности мобильных роботов на их функциональные возможности 89
3.2 Анализ способов расширения функциональных возможностей мобильных роботов путём повышения уровня их автономности 96
3.3 Подход к построению мобильных технологических роботов с расширенными функциональными возможностями с использованием комплексной обработки данных для повышения уровня их автономности 102
3.4 Выводы по третьей главе 105
Глава 4. Комплексная обработка бортовых данных в мобильных роботах 106
4.1 Понятие и классификация комплексной обработки бортовых данных в составе мобильного робота 106
4.2 Анализ современных архитектур систем комплексной обработки данных 124
4.3 Структура иерархической комплексной обработки бортовых данных, её модели и принцип работы 164
4.4 Разработка метода расширения функциональных возможностей мобильных роботов путём повышения уровня их автономности с использованием комплексной обработки данных 171
4.5 Выводы по четвёртой главе 175
Глава 5. Математическое обеспечение комплексной обработки данных 176
5.1 Анализ математических методов комплексной обработки данных 176
5.2 Применение нечётких когнитивных карт для комплексной обработки бортовых данных 202
5.3 Выводы по пятой главе 236
Глава 6. Использование теоретических выводов для решения практических задач расширения функциональных возможностей мобильных роботов 237
6.1 Расширение функциональных возможностей мобильного робототехнического комплекса "Вездеход-ТМЗ" 237
6.2 Разработка автономного мобильного технологического 245
робота "HISMAR" для очистки судов от биологических обрастаний
6.3 Выводы по шестой главе 257
Основные результаты и выводы 258
Библиографический список
- Анализ способов расширения функциональных возможностей мобильных технологических роботов
- Разработка структурной модели автономных технологических роботов
- Анализ способов расширения функциональных возможностей мобильных роботов путём повышения уровня их автономности
- Разработка метода расширения функциональных возможностей мобильных роботов путём повышения уровня их автономности с использованием комплексной обработки данных
Введение к работе
Актуальность темы. Анализ состояния робототехники в промышленно развитых странах показывает, что мобильные технологические роботы активно применяются в автоматизированном машиностроении, атомной промышленности, топливно-энергетическом комплексе, коммунальных службах и других отраслях народного хозяйства. Мобильные технологические роботы играют важную роль и в обеспечении обороноспособности и внутренней безопасности суверенных государств. При этом роботы становятся всё более автономными, области их применения непрерывно разрастаются, проявляется высокая потребность в существенном расширении функциональных возможностей мобильной робототехники.
Актуальной тенденцией развития мировой робототехники является существенное расширение областей применения автономных роботов, где проявляется высокая потребность в существенном расширении функциональных возможностей мобильных робототехнических систем.
На протяжении последнего десятилетия вопросам создания автономных роботов с широким спектром функциональных возможностей уделяется большое внимание отечественных и зарубежных учёных.
Диссертация основывается на результатах исследований в области робототехники и мехатроники, отражённых в трудах И.М.Макарова, Д.Е.Охоцимского, Е.П.Попова, Д. А. Поспелова, Ф.Л. Черноусько, С.Ф. Бурдакова, В.Г. Градецкого, С.Л. Зенкевича, Ю.В. Илюхина, Б.Г. Ильясова, В.Ф. Казмиренко, И.А. Каляева, B.C. Кулешова, В.М. Лохина, А.В. Лопоты, СВ. Манько, Ю.Г. Мартыненко, B.C. Медведева, Ю.В. Подураева, В.Е.Пряничникова, В.В. Путова, В.Х. Пшихопова, И.В.Рубцова, В.Б. Силова, Е.Д. Теряева, А.С. Федулова, В.Ф. Филаретова, Е.И. Юревича, А.С. Ющенко и других российских ученых.
Среди зарубежных учёных следует отметить научные исследования, проводимые под руководством Л. Заде, Б. Коско, Р. Парашурмана, Г. Саридиса, П. Антсаклиса, Г. Вахтсеваноса и П. Грумпоса и других учёных.
Однако по мнению автора при несомненных достоинствах известных подходов, недостаточно исследованы взаимосвязи автономности роботов и реализуемых ими функций, а также не вскрыт потенциал расширения функциональных возможностей мобильных роботов путём увеличения степени их автономности. При этом требуют развития вопросы повышения технической эффективности решений, направленных на достижение высокого уровня автономности роботов на основе применения интеллектуальных подходов к комплексной обработке данных, поступающих от совокупности информационных устройств.
Таким образом, исследуемая в диссертации научная проблема расширения функциональных возможностей мобильных технологических роботов путём повышения уровня их автономности с использованием
иерархической комплексной обработки бортовых данных является актуальной.
Тематика диссертации соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, приоритетным направлениям модернизации технологического развития экономики России и списку критических технологий.
Целью данной работы является развитие теории построения мобильных технологических роботов и разработка научно обоснованных технических решений по расширению функциональных возможностей роботов на базе нового метода повышения уровня автономности с использованием иерархической комплексной обработки бортовых данных.
Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить комплекс теоретических и экспериментальных исследований с решением следующих задач:
-
Выявление актуальных направлений по расширению функциональных возможностей мобильных технологических роботов, обеспечиваемых путём повышения уровня их автономности.
-
Построение классификации автономных технологических роботов, определение основных факторов, определяющих автономность робота, и способов её повышения.
-
Формирование структурных и функциональных моделей автономных мобильных технологических роботов на основе мехатронного метода переноса функциональной нагрузки на интеллектуальные устройства.
-
Разработка метода количественной оценки уровня автономности мобильных роботов.
-
Выявление связей функциональных возможностей мобильных роботов с типами и уровнем их автономности.
-
Разработка метода расширения функциональных возможностей мобильных роботов путём повышения уровня их автономности с использованием иерархической комплексной обработки бортовых данных.
-
Разработка научно обоснованных технических решений по расширению функциональных возможностей роботов на базе нового метода повышения уровня автономности с использованием иерархической комплексной обработки бортовых данных.
В ходе работы над диссертацией были использованы следующие методы исследований: методы теории принятия решений, интеллектуального управления в робототехнике, теории графов, нечётких систем ситуационного управления, когнитивного и имитационного моделирования, анализа и проектирования алгоритмов и программ.
Научная новизна работы заключается в:
выявленных причинно-следственных связях между повышением уровня автономности роботов и расширением их функциональных возможностей;
выявленных факторах (структура робота, структура среды, характер их взаимодействия), определяющих уровень автономности мобильных роботов;
классификации автономных мобильных роботов по форме проявления автономности (во времени, в пространстве, в условиях недетерминированности среды, в условиях изменяющихся задач) и форме её обеспечения (информационная, интеллектуальная, материально-техническая);
методе оценки уровня автономности мобильных роботов с учетом специфики поставленной задачи и условий её выполнения, заключающемся в интегральной оценке возможности выполнения задания роботом в автономном режиме;
структурной и функциональной моделях мобильных технологических роботов, ориентированных на определение уровня автономности и спектра функциональных возможностей роботов;
методе расширения функциональных возможностей мобильных роботов путём повышения уровня их автономности с использованием иерархической комплексной обработки бортовых данных;
процедуре принятия решений о развитии структуры и алгоритмов функционирования перспективных автономных роботов на основе мехатронного метода переноса функциональной нагрузки на интеллектуальные устройства.
Практическая значимость работы состоит в:
рекомендациях по целенаправленному выбору структур мобильных технологических роботов, способов и порядка их применения, ведущих к повышению автономности действующих и проектируемых образцов роботов;
практическом применении структурной и функциональной моделей мобильных технологических роботов, позволившем количественно оценить уровень автономности действующей или проектируемой модели робота;
комплексе компьютерных программ, реализующих метод расширения функциональных возможностей мобильных роботов путём повышения уровня их автономности с использованием комплексной обработки данных;
алгоритмическом и методологическом обеспечении сравнительной оценки уровня автономности мобильных технологических роботов, позволяющем
обоснованно выбрать образец робота, наиболее эффективный для выполнения задания, а также оценить функциональные возможности робота на разных этапах его жизненного цикла;
методологическом обеспечении применения комплексной обработки бортовых данных в составе мобильного технологического робота, моделях и алгоритмах для иерархической комплексной обработки бортовых данных в составе систем управления автономных мобильных технологических роботов;
рекомендациях по применению математических методов, наиболее эффективных для построения математического обеспечения систем комплексной обработки бортовых данных различного назначения.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением принципов и методов робототехники и мехатроники, дискретной математики, интеллектуальных методов управления, иерархического управления и теории графов, подтверждается результатами испытаний роботов с повышенной автономностью и согласованностью теоретических результатов с данными экспериментальных исследований.
Реализация результатов работы
Теоретические и практические результаты работы использованы при выполнении следующих НИР:
"Разработка программно-аппаратных средств навигации мобильных робототехнических комплексов" (Заказчик: ФСБ РФ, НУЦ "Робототехника" МГТУ им. Н.Э.Баумана). Элементы иерархической комплексной обработки бортовых данных использованы в бортовой системе управления робота для обезвреживания и инспекции ВВ при анализе данных, поступающих от системы навигации робота.
"Проведение проблемно-ориентированных исследований по созданию подвижных реконфигурируемых коммуникационных сетей на основе автономных мобильных мехатронных агентов" Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы".
"Система идентификации корпусов судов для автономных морских роботов - HISMAR" (Заказчик: Европейская Комиссия, Европейский Союз). Элементы иерархической комплексной обработки бортовых данных использованы в бортовой системе управления робота, предназначенного для очистки корпусов судов от обрастаний, при анализе данных, поступающих от системы идентификации корпуса судна.
"Исследование принципов построения многосенсорных мобильных робототехнических интеллектуальных систем" (Заказчик: Федеральное агентство по образованию РФ).
"Разработка программного комплекса управления роботом с элементами эмоционального коммуникативного поведения" Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы".
"Поисковые исследования и разработка путей создания мобильных минироботов для выполнения технологических работ на образцах ВВТ и объектах военного назначения". Заказчик: Секция прикладных проблем РАН, Институт проблем механики РАН.
"Развитие усовершенствованной системы навигации мобильного робота на базе карт нечеткого распознавания". (Заказчик: Российско-греческая межправительственная двусторонняя программа сотрудничества).
"Высокоинтеллектуальные сенсорные робототехнические системы для инспекции и ремонта трубопроводов". (Заказчик: Королевское общество Великобритании, Академия наук Великобритании).
Результаты работы использованы при выполнении НИР по индивидуальным грантам "Управление мультисенсорными системами для мобильной робототехники на базе нечётких когнитивных карт" (Министерство образования РФ), "Интеллектуальные системы управления мобильных роботов на базе нечётких когнитивных карт" (Ministry of National Education and Religious Affairs, Hellenic Republic - Министерство народного образования и религиозных дел, Греческая Республика).
Ряд теоретических и практических результатов, полученных в диссертации, а также часть указанных проектов внедрены на ООО "Волжский машиностроительный завод" (ранее Производство технологического оборудования и оснастки ОАО "АВТОВАЗ"), НУЦ "Робототехника" МГТУ им. Н.Э. Баумана, в учебном процессе МГТУ "СТАНКИН", что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международная научно-техническая конференция "Экстремальная робототехника" (Санкт-Петербург, 2011), Научно-техническая конференция "Экстремальная робототехника" (Москва, ВВЦ, 2010); Научно-методическая конференция "Машиностроение - традиции и инновации", МГТУ "СТАНКИН" (Москва, 2008); Симпозиум по робототехнике и мехатронике, Институт проблем механики РАН, (Москва, 2008); 2-я Российская мультиконференция по проблемам управления "Мехатроника. Автоматизация. Управление" (Санкт-Петербург, 2008); 19-я научно-техническая конференция "Экстремальная робототехника", ЦНИИ РТК (Санкт-Петербург, 2008); Третья Всероссийская научно-практическая конференция "Перспективные системы и задачи управления" (Домбай, 2008); Международный семинар по микро- и наноробототехническим технологиям и системам, Институт проблем механики РАН, (Москва, 2007); 18-я научно-техническая конференция "Экстремальная робототехника", ЦНИИ РЖ (Санкт-Петербург, 2007); Первая
Всероссийская научно-практическая конференция "Перспективные системы и задачи управления" (Домбай, 2006); Первые чтения памяти академика Е.П. Попова, МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2007); IV Международный конгресс "Конструкторско-технологическая информатика 2000", МГТУ "СТАНКИН", (Москва, 2000); Конференция "Интеллектуальные технологии создания систем управления беспилотными системами" в рамках Международного салона аэрокосмических технологий и услуг "AEROSPACE 2008" (Москва, 2008); Научная конференция "Мобильные роботы и мехатронные системы" в рамках фестиваля "Мобильные роботы-2008", МГУ им. М.В. Ломоносова, МГАГТИ (Москва, 2008); IEEE MED-2004 Conference, (Kusadasi, Turkey, 2004); International Symposium on Adaptive and Intelligent Robots, IPM RAS, (Moscow, 2005); IARP International Conference on Micro Robots, Micro Machines and Micro Systems, (Moscow, 2003); IEEE MED-2003 Conference, (Rhodes, Greece, 2003); CSIT'2002 Conference, (Patras, Greece, 2002); CSIT'2001 Conference, (Ufa, Russia, 2001); Protek'2001 Conference, (Russia, Moscow, 2001); Mechatronics-2000 Conference, (Atlanta,USA, 2000); IFAC Symposium MIM-2000, (Patras, Greece, 2000). Часть материалов докладывалась на заседании Научного Совета по робототехнике и мехатронике Российской Академии Наук.
Публикации. По тематике диссертации автором опубликован 41 печатный труд, из них 16 - без соавторов, 18 работ опубликованы в журналах из перечня ВАК РФ. Свидетельство о праве на владение интеллектуальной собственностью (патент): 1.
В автореферате приведён список 40 публикаций, наиболее полно отражающих содержание диссертации.
Структура и объем работы.
Анализ способов расширения функциональных возможностей мобильных технологических роботов
Среди основных направлений расширения функциональных возможностей мобильных роботов следует отметить следующие:
Применение методов искусственного интеллекта и интеллектуального управления. Ставит целью повысить адаптационную способность роботов к изменениям окружающей среды, расширить круг решаемых роботами задач.
Разработка новых типов движителей и совершенствование имеющихся. Ставит целью повысить транспортные возможности роботов на грунтах различной проходимости.
Групповое применение роботов. Открывает новые возможности для одновременного управления несколькими роботами и синергетического выполнения ими единой операции.
Улучшение взаимодействия человек — машина и человеко — машинных интерфейсов. Изучает новые способы обмена информацией между человеком-оператором и роботами, в том числе через новые подходы к управлению роботами (например, элементы эмоционального коммуникативного поведения).
Задача навигации. Занимается вопросами ориентации робота в пространстве и планирования движений с целью обеспечить требуемую точность движений.
Задачи картографирования и локализации. Изучает вопросы самостоятельной локализации робота на местности с построением карты местности роботом.
Задачи комплексной обработки данных. Изучает вопросы алгоритмов обработки данных, архитектур обработки данных, извлечения полезной информации. Ставит задачу получить больше качественной информации с меньшего количества источников информации.
Повышение автономности роботов. Конечной целью исследований является исключение человека-оператора как необходимого эргатического элемента робототехнической системы.
Разработка показателей эффективности применения роботов. Служит как средство количественной оценки эффективности применения роботов. Занимается вопросом оценки уровня автономности роботов.
Задачи планирования траекторий и задач роботов. С целью повысить эффективность применения роботов занимается вопросами диспетчирования и оптимизации выполнения различных задач роботов.
При определении того, какие из проводимых научно-технических исследований приведут к наиболее эффективному расширению спектра функциональных возможностей, делается вывод о том, что это направление повышения автономности мобильных роботов.
Применение мобильных роботов в автономном режиме имеет преимущество перед дистанционно управляемым (телеуправляемым) применением мобильных роботов с участием человека-оператора, поскольку человек-оператор зачастую может непреднамеренно сделать ошибку, вызванную неправильным пониманием ситуации, медленным временем реакции, усталостью, потерей концентрации [Ermolov, Groumpos, Poduraev] и т.п. Около 80% потерь мобильных роботов оккупационных войск в Ираке были вызваны неправильными действиями со стороны человека-оператора и только 20% пришлись непосредственно на боевые потери [Интернет 1].
Применение автономных мобильных роботов делает возможным применение мобильных роботов в более широких масштабах. Если роботы будут обладать достаточной автономностью, то снизятся требования к квалификации человека-оператора, управляющего ими. Значит, их применение станет дешевле, и соответственно, и доступнее. Это подтверждается проявлением такой важной тенденции, как уже наблюдающаяся достаточно острая нехватка операторов для управления мобильными роботами [Интернет 2].
Автономность мобильных роботов позволяет снизить требования, предъявляемые к среде применения мобильных роботов. Например, роботы для инспекции и ремонта подземных коммуникаций серий "Р" и "С" производства НПО "ТАРИС" имеют присоединительный кабель длиной до 300 м. Таким образом, становится необходимым наличие колодцев-шлюзов, для подсоединения кабеля с постом управления человека-оператора, который находится на поверхности земли. В городской черте частота расположения таких шлюзов соответствует этому расстоянию. Однако на трубопроводах других типов (нефтепроводы и газопроводы) расстояние между шлюзами может составлять десятки километров. Понятно, что применение робота с кабелем такой длины не представляется возможным. Именно это является препятствием для применения таких роботов для инспекции и ремонта газопроводов. Повышение автономности этих роботов позволит применить их в новых средах.
Именно автономные мобильные роботы делают возможным одновременное применение мобильных роботов в большом количестве для выполнения единой задачи. Традиционное супервизорное управление невозможно для одновременной координации сотен или тысяч роботов [Digney]. Дистанционное управление одновременно даже двумя роботами является практически нереализуемой задачей для человека-оператора, поскольку количество одновременно выполняемых задач человеком является ограниченным в силу особенностей функционирования человеческого мозга. Для мобильных роботов, управление которыми осуществляет ЭВМ, решение такой проблемы является вполне реализуемым.
Автономные мобильные роботы могут функционировать без ограничений, связанных с временными затратами на преобразование информации через человеко - машинные интерфейсы, а также временем принятия решения человеком-оператором. Применение роботов в автономном режиме позволит избавиться от таких вторичных, не несущих основной функциональной нагрузки компонент робота, как человеко - машинные интерфейсы, коммуникационные компоненты и пр. В настоящее время развитию человеко - машинных интерфейсов уделяется очень значительное внимание, поскольку качество взаимодействия между человеком и роботом определяет эффективность функционирования робота (поскольку то, насколько чётко воспринята информация о среде и роботе человеком, и то, насколько эффективно человек-оператор может задавать управляющие команды роботу, непосредственно влияет на эффективность функционирования робота [Ermolov, Groumpos, Poduraev]).
Функционирование робота в автономном режиме позволит высвободить значительные вычислительные, энергетические и другие ресурсы, которые в телеуправляемых роботах потребляются человеко - машинными интерфейсами. Например, в роботах для инспекции и ремонта подземных коммуникаций серий "Р" и "С" производства НПО "ТАРИС" громадная часть энергопотребления приходится на устройства подсветки, которые дают возможность человеку-оператору увидеть состояние подземной среды. Это, в том числе, приводит к необходимости использования соединительного кабеля, поскольку бортовые источники энергии не могут обеспечить потребляемую мощность. Автономность роботов позволила бы избавиться от этого рудимента.
Применение мобильных роботов в автономном режиме позволит повысить устойчивость управления систем автоматического управления (САУ) в составе мобильных роботов. Как правило, САУ рассчитываются с учётом характеристик компонент, входящих в состав САУ. Однако, в случае, если человек входит в состав САУ, становится очень трудно рассчитать работу такой САУ, поскольку трудно предусмотреть все возможные действия человека-оператора. Непредсказуемое поведение человека-оператора может привести к потере устойчивости или сбою в САУ. Так, например, в 1994 г. имела место катастрофа самолёта Airbus во время полёта над Сибирью. Расследование причин катастрофы привело к выводу, что причиной катастрофы явилась нештатная
Разработка структурной модели автономных технологических роботов
Автономность получения информации характеризует способность субъекта обрабатывать полученные бортовые данные и получать из них информацию, которая впоследствии может быть использована для принятия решений о действиях субъекта.
Совершенно очевидно отличие этого вида автономности от автономности получения бортовых данных и автономности обработки бортовых данных. Субъект может обладать достаточным аппаратным обеспечением для получения данных о среде и их первичной обработки (фильтрации, усиления и пр.) однако при этом он может не иметь достаточных бортовых средств для интерпретации этих данных в полезную информацию. Примером могут служить системы технического зрения. Такие системы обладают хорошо развитой аппаратной базой для получения данных и первичной их обработки, однако они явно отстают в вопросе получения информации из видеоизображения. Поэтому автономные системы технического зрения до сих пор крайне редко применяются в промышленности и ещё реже в мобильной робототехнике.
Проиллюстрировать отличие автономности получения бортовых данных от автономности получения информации можно на следующем примере. Например, мобильный робот для инспекции труб Р-100 (производство НПО "ТАРИС", Россия) обладает только автономностью получения данных, поскольку он только получает информацию в виде видеоизображения состояния трубы и выдает её без дополнительной обработки человеку-оператору. А робот для инспекции и ремонта труб С-200 (производство НПО "ТАРИС", Россия) обладает автономностью получения данных и автономностью обработки информации, поскольку он не только получает информацию, но и проводит её обработку (например, строит карту залегания трубы). При этом оба этих объекта не имеют развитой автономности принятия решений, поскольку основные решения об их функционировании принимает человек-оператор.
Автономность принятия решений характеризует способность субъекта принять решение о поведении на основе полученных знаний. В настоящее время очень немногие из технических систем обладают развитой способностью автономного принятия решений. Такие системы неплохо развиты для решения задач нижнего уровня иерархии управления. Например, на мобильных роботах серии С производства НПО "ТАРИС" установлены датчики контроля провисания кабеля, чтобы предотвратить его наматывание на колеса робота и разрушение. Таким образом, можно сказать, что данный тип роботов обладает автономностью принятия решения по предотвращению повреждения кабеля. Однако решения высшего уровня иерархии управления технические системы самостоятельно принимают техническими системами достаточно редко, поскольку для работы в таком режиме требуется обработать весьма разнородную и сложную информацию. Поэтому в настоящее время в большинстве случаев это поручается человеку-оператору.
В свою очередь, автономность материально-техническая подразделяется на автономность энергетическую, автономность технического обеспечения и автономность обслуживания и ремонта (рис. 2.1.7
Автономность энергетическая есть способность роботов функционировать без получения дополнительных источников энергии от других субъектов и прежде всего субъектов высшего уровня иерархии. При этом надо отличать возможность получения энергии непосредственно от среды, в которой функционирует субъект (при этом уровень автономности сохраняется) и необходимость получения энергии от других субъектов, функциональным назначением которых является предоставление данному субъекту энергии. В качестве примера можно привести промышленные робокары, которые для зарядки аккумуляторов должны осуществить электрическое соединение со специализированным источником электрической энергии, понятно, что такие устройства будут обладать низкой автономностью. В свою очередь подводные роботы Solv-AUV (разработка ИПМТ ДВО РАН) могут производить зарядку аккумуляторных батарей от солнечных лучей [Ageev], [Агеев], что характеризует высокий уровень их энергетической автономности. Одновременно аналогичные исследования ведутся сейчас в дирижаблестроении, где делаются попытки создать робот-дирижабль с подзарядкой от солнечных батарей.
Автономность технического обеспечения есть наличие в составе субъекта такого набора технических средств, которые позволяют ему выполнять поставленные функциональные задачи. Примером может служить бревно для самовытаскивания, которое входит в состав ЗИП отечественных танков и служит для преодоления болотистой местности. Очевидно, что для перемещения танка по дороге с твердым покрытием такое оборудование не требуется, однако его наличие в составе ЗИП значительно увеличивает автономность танков.
Соответственно автономность обслуживания и ремонта характеризует способность субъекта функционировать без привлечения интеллектуальных, энергетических и материальных ресурсов других субъектов для его технического обслуживания и ремонта. Эта автономность определяется как необходимостью и частотой проведения обслуживания и ремонта субъекта, так и способностью выполнять такой ремонт и обслуживание оборудованием, входящим в состав материально-технической части субъекта, и используя интеллектуальные, энергетические ресурсы, имеющиеся в субъекте. Примером такой автономности в технике могут служить самолёты, обслуживание которых осуществляется силами специализированных техников, не входящих в состав экипажа самолёта. Это низкий уровень автономности, поэтому самолёт практически всегда после выполнения задания должен вернуться на свой аэродром для выполнения необходимых работ по его обслуживанию. А в свою очередь, основная часть обслуживания и ремонта танков выполняется силами экипажа, что значительно повышает их автономность (примером является сравнение танка Т-34 (СССР) и kPz-VI (Германия). В советской машине подавляющая часть ремонтных операций выполнялась силами экипажа (например, такая сложная как замена двигателя), в то время как немецкий танк допускал ремонта, в основном, на заводах капитального ремонта.
В современном машиностроении эта тенденция обозначается терминами: самодиагностика, самообслуживание, самолечение [Бушуев].
При этом очевидно, что важной задачей при проектировании автономных образцов техники является поиск баланса между различными видами автономности, так чтобы повышение одного вида автономности не приводило к ухудшению другого вида автономности или же к невозможности выполнения субъектом своих функциональных задач. Так, например, излишняя укомплектованность субъекта средствами для обеспечения автономности обслуживания и ремонта (например, излишний комплект запчастей) может привести к ухудшению энергетической автономности (повышенный расход топлива и снижение запаса хода). Понятно, что приведенные классификации автономности являются достаточно условными и возможны случаи, когда наличие того или иного компонента или свойств в составе субъекта приведёт к изменению сразу нескольких видов автономности. Однако, в целом, применение таких классификаций помогает сбалансированному проектированию мобильных роботов.
Как уже упоминалось, повышение автономности роботов является важнейшей задачей современной робототехники, ведущей к расширению их функциональных возможностей. 2.2 Разработка структурной модели автономных технологических роботов
Как было представлено выше, автономность робота - явление, затрагивающее вопрос взаимодействия всех компонентов робота друг с другом. Поэтому для изучения автономности мобильных роботов необходимо использовать структурные модели роботов, учитывающие все компоненты робота в их взаимосвязи.
Для этого стоит обратить внимание на структуру роботов и сформулировать типичные её компоненты.
В данной работе предлагается новая функциональная модель мобильного робота. Эта модель основывается на выделении основных функций, реализуемых мобильным роботом, как машиной в целом, так и отдельными его компонентами. В общем виде, в роботе можно различать следующие виды функций: энергетическая, транспортная, технологическая, информационная, коммуникационная и интеллектуальная. Помимо этого в функциональной структуре робота присутствуют вспомогательные функции.
Анализ способов расширения функциональных возможностей мобильных роботов путём повышения уровня их автономности
В 2.1 сделан вывод о том, что при проектировании автономных систем необходимо провести поиск сбалансированного соотношения различных видов автономности. Для этого необходимо использовать показатель, характеризующий уровень автономности роботов.
Вопрос этот является достаточно важным. В первую очередь, надо выделить следующие случаи, подтверждающие актуальность применения показателя, определяющего уровень автономности робота:
При проектировании робота необходимо заранее определить требуемый уровень его автономности, так как это повлияет на его структуру, применяемые технические решения, распределение задач управления между человеком-оператором и системой управления робота;
При модернизации роботов применение такого показателя может продемонстрировать эффект применения элементов модернизации в аспекте повышения автономности;
Наличие показателя автономности робота позволяет эффективно проводить сравнение различных образцов роботов между собой, включая образцы, значительно отличающиеся по структуре и свойствам. Важно, что показатель автономности фактически является мерой конечного пользователя, т.е. показывает качество (выраженное в количественном отношении) функционирования робота;
При планировании применения роботов наличие такого показателя позволит конечному пользователю обоснованно выбрать модель робота с требуемым уровнем автономности (что имеет под собой также важное экономическое обоснование);
При эксплуатации робота такой показатель позволит оценить уровень жизнеспособности робота при выходе из строя отдельных компонентов в результате естественного износа робота или враждебного взаимодействия с элементами окружающей среды; Наличие такого показателя позволит обоснованно предъявлять требования к уровню подготовки человека-оператора, предполагаемого к участию в управлении таким роботом;
Применение показателя автономности позволит обосновывать требования к дружественным устройствам, поддерживающим функционирование робота (например, вышестоящая система управления, склады с ГСМ, всевозможные вспомогательные устройства);
Применение показателя, характеризующего автономность робота, полезно при планировании операций, задействующих группу из мобильных роботов различных моделей и типов, особенно при необходимости скоординированного управления ими;
Применение комплексного показателя, учитывающего разные виды автономности робота, позволит добиться их взаимной сбалансированности, стремясь к принципу синергетики в роботе, как мехатронном устройстве.
Для удобства оценки уровня такого показателя необходимо ввести математические выражения, позволяющие численно отобразить величину автономности.
Данная задача является достаточно сложной, так как описание функционирования робота и его взаимодействия со средой требует рассмотрения множества параметров и характеристик.
Однако ведущие научные школы робототехники осознают важность решения этой задачи. Эффективность её решения определит эффективность применения роботов в различных сферах, а значит и то, кто сможет применить роботы в большем числе применений и с большей эффективностью. Анализ различных методов оценки уровня автономности приведён в Приложении 5.
По мнению диссертанта стремление получить унифицированный показатель автономности может вызывать определенные сомнения у рядового пользователя, поскольку он будет характеризовать общее функционирование робота, а не аспект его применимости для данной задачи, в данных условиях и пр. Более актуальным, с точки зрения практического применения роботов, является определение т.н. локальной автономности, т.е. способности робота независимо функционировать в данной среде, для выполнения данных заданий, в течение данного промежутка времени.
Работы в этом направлении, в настоящее время, активно ведутся в системе научно-исследовательских институтов Франции CNRS, и особенно в подразделении LAAS ("Laboratoire d Analyse et d Architecture des Systemes" - Лаборатория анализа архитектуры систем), расположенного в Тулузе.
По состоянию на 2006 год лабораторией делается усилие на выработку математических показателей по описанию свойств окружающей среды [Lampe]. В частности, предлагается применение в качестве такого показателя выражения энтропии: H = -p(denSl)\og(p(denSl)) , (2.4.1.) где p{dens )- количество препятствий і-го размера на рассматриваемом участке среды. При этом подразумевается, что YJP(densl) = \, Фактически таким образом описывается распределение препятствий на рассматриваемом участке среды. Однако по состоянию на данный момент авторы не представили результаты применения показателя, описывающего уровень автономности робота. По-видимому, данная работа продолжается.
В диссертации введены ограничения на описание среды и задач, предложен способ определения показателя локальной автономности Fa с учётом специфики поставленной задачи и условий её выполнения. Для этого предлагается использовать несколько показателей. Показатель F характеризует возможность выполнения роботом в полностью автономном режиме данного задания на данном участке среды. Показатель Ft характеризует возможность функционирования робота в течение времени, необходимого для выполнения данным роботом данного задания на данном участке среды. Показатель Fen характеризует наличие энергетического потенциала для выполнения роботом поставленного задания на данном участке среды.
Предложенные показатели являются локальными и не могут решить все вопросы, связанные с описанием автономности роботов, однако они позволяют оценить применимость того или иного типа робота для автономного выполнения задания, сделать сравнение предпочтительности применения той или иной модели робота для выполнения задания.
Разработка метода расширения функциональных возможностей мобильных роботов путём повышения уровня их автономности с использованием комплексной обработки данных
Помимо этого комплексная обработка бортовых данных по времени может применяться в случае, если имеющиеся датчики имеют малое быстродействие, или низкую скорость срабатывания. Тогда, подключив параллельно другие аналогичные датчики и установив при этом ненулевой фазовый сдвиг срабатывания, можно получить более высокую скорость получения информации о среде или роботе. Этот случай можно описать уравнением функции F оценки параметра х: F(x(/ )) = 2; ( .( ) +Я), (4.1.5) где х,- показания г-го датчика, работающего с фазовым сдвигом относительно базового. Таким образом, в момент времени t оценка параметра х будет осуществляться по показаниям тех датчиков, которые последние на данный момент находились в режиме срабатывания. Таких датчиков может быть как несколько, так и один.
Примером аппаратной реализации является квадратурный дешифратор для обработки бортовых данных, поступающих с фотоимпульсных датчиков. Он анализирует порядок поступления синусоидальных сигналов обоих каналов и таким образом определяется направление вращения датчика (рис. 4.1.4).
Комплексная обработка бортовых данных по надежности. Сюда относят явление, когда, базируясь на показаниях нескольких источников информации, повышается надёжность распознавания информации, передаваемой этими источниками. Например, в системах обеспечения безопасности (в первую очередь, безопасности человека) в робототехнических системах принято устанавливать параллельно два или более датчиков (рис. 4.1.5). Другим примером является правило передачи информации о команде аварийного останова по, как минимум, двум передающим устройствам.
Этот подход применяется потому, что всякий источник информации (как и любой материальный объект) может не сработать, т.е. может произойти сбой. (Как правило, вероятность сбоя указана в характеристиках датчиков в виде времени безотказной работы, например [Труханов]). В ситуациях, когда такой сбой работы источника информации недопустим (например, безопасность работы человека-оператора, взаимодействующего с роботом), несколько одинаковых источников информации устанавливают в одном и том же месте.
К этому же случаю можно отнести применение комплексной обработки бортовых данных от нескольких датчиков с низкой точностью. Получаемая при этом информация является более точной, чем показания только одного из датчиков. Как правило, такие системы также более дешевы чем, если бы комплект датчиков низкой точности был заменен одним высокоточным датчиком [Минин].
Математически это иллюстрируется уравнением, идентичным уравнению, приведённому выше, только вместо параметра сбоя в нём будет фигурировать параметр погрешности измерений.
Иллюстрируется это примером дифференциального режима работы спутниковой навигационной системы [Багрова]. Как известно, точность работы такой системы не очень велика. Поэтому в дифференциальном режиме одновременно используются два или более приёмников спутниковой навигационной системы, один из которых находится стационарно в точке пространства, координаты которой заранее определены достаточно точно. По текущим показателям координат стационарного приёмника можно сделать вывод об уровне ошибок в передвижных приёмниках, при условии, что они расположены недалеко друг от друга.
Комплексная обработка бортовых данных по расположению. Под этим подразумевают использование информации от нескольких источников с ограниченной зоной действия (например, датчиков) для воссоздания более полного описания среды. Математический метод расчёта сводится к формуле: F(A) = F(Al)l)F(A2)[)...{jF(An), (4.1.7) где Ах, ..., А„ при сложении полностью соответствуют некоей области А. Например, многие датчики имеют ограниченную зону действия. Установка нескольких таких датчиков в различном положении или ориентации расширит картину получаемой от них информации (например, как это показано нарис. 4.1.6).
Применение набора сонаров, установленных под разными углами, и их зоны действия на роботе Pioneer P3-DX Сюда же можно отнести и комплексную обработку данных, поступающих от датчиков, разнесённых в пространстве в пределах одного подвижного объекта. В ряде случаев этот приём позволяет получить дополнительную информацию. Математический метод расчёта описывается с помощью уравнения F(C) = F(Bl)UF(B2)\J...{jF(Bn), (4.1.8) где Вх, ..., Вп - показания параметра В, поступающие от п датчиков, разнесенных в пространстве, С - параметр, отличный от параметра В. Например, как известно, спутниковые навигационные системы не могут давать точную информацию об ориентации статического объекта в пространстве. Однако, если объект достаточно протяжён, то можно разместить несколько приёмников спутниковой навигационной системы (т.н. разнесённые антенны) и, комплексно обрабатывая данные от них, получить информацию об ориентации объекта [Багрова].
Комплексная обработка бортовых данных по принципу действия датчика. Применяется в случае, если не существует источника информации, достаточно надёжно определяющего факт какого-либо явления. Если же имеется несколько различных источников различной природы, определяющих факт явления с недостаточной надёжностью, то их суммирование может обеспечить требуемый уровень надёжности.
Математически это можно описать с помощью уравнения: F(X) = F(xl){JF(x2)\J...\jF(x„), (4.1.9) где F(xt) соответствует распознаванию события Xдатчиком і. Также иллюстрацией комплексной обработки такого вида является одновременное применение различных датчиков, если один из них может не дать корректную информацию в определенных условиях среды. Например, лазерный двумерный сканер не может применяться для навигации робота, движущегося вдоль плоской стены. В этом случае требуется применение дополнительно других датчиков (например, СТЗ). Или пример, показанный на рис. 4.1.7.
Другим типичным примером является комплексная обработка навигационной информации. Как правило, современные БПЛА оснащаются как инерциальными навигационными системами (датчики угловых скоростей, акселерометры), так и приборами спутниковой навигации (ГЛОНАСС или GPS). Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки: спутниковая навигация имеет ошибку, не зависящую от времени, но плохо работает на высоких угловых скоростях, а инерциальные системы удовлетворительно работают на высоких скоростях маневрирования, но их ошибка имеет свойство накапливаться во времени. Поэтому зачастую они работают попеременно: основной отсчёт ведётся по показаниям инерциальной системы, а спутниковая навигация используется для периодической коррекции накапливающейся ошибки в инерциальной системе [Инзарцев]. В этой области интересен проект Московского физико-технического института "Разработка программно-математического обеспечения технического зрения нового поколения" [Пешехонов].
Аппаратно такие датчики зачастую уже при производстве реализуются в едином блоке. Примером может выступить класс Бесплатформенных Инерциальных Навигационных Систем, объединяющих в своём составе несколько датчиков различных типов (как правило, акселерометры, датчики угловых скоростей, датчики спутниковой навигации, магнитометры и пр.), рис. 4.1.8.
