Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время наземные роботы (НР) привлекают все большее внимание исследователей в связи с их широким применением. НР должны иметь возможность автономного функционирования в неструктурированных, динамичных, частично наблюдаемых и недетерминированных средах. Все чаще предъявляется требование избегать столкновений со стационарными препятствиями и подвижными объектами. На выполнение указанных требований направлен ряд современных подходов к конструированию систем управления автономными роботами, функционирующими в недетерминированных средах.
Основные проблемы, связанные с использованием указанных подходов и методов к формированию управлений тактического уровня, заключаются в следующем: в необходимости предварительного планирования траектории или картографирования области функционирования НР, что налагает существенные ограничения на движение объектов в априори недетерминированных средах; в недостаточной проработанности процедур согласования стратегических уровней планирования и тактических уровней управления; в необходимости дополнительной информации о геометрии, фазовых координатах наземного робота и так далее, что существенно увеличивает эффективность функционирования.
Различным аспектам проблемы управления НР посвящены работы отечественных (Безнос А.В., Жихарев Д.Н., Бурдаков С.Ф., Гайдук А.Р., Зенкевич С.Л., Капустян С.Г., Нейдорф Р.А., Подураев Ю.В., Чернухин Ю.В., Юревич Е.И., Ющенко А.С., Каляев И.А., Пшихопов В.Х. и др.), и зарубежных (Montaner M.B., Rigatos G.G., Tzafestas C.S., Lee T.L., Wu C.J., Khatib O., Quoy M., Moga S., Gaussier P., Janglova. D., Lumelsky V., Stepanov V., Skewis^,Ren J., Mcisaac K.A., Patel R.V.) ученых.
Однако, при наличии достаточного большого числа публикаций, большинство предложенных подходов к управлению НР ограничено проблемой тупиковых ситуаций, которая возникает, когда робот движется среди препятствий к желаемой цели без априорного знания окружающей среды. НР может попасть в «ловушку» в среде с вогнутыми препятствиями, лабиринтами и т.д. Также, при наличии препятствий, расположенных близко к целевой точке, возможно возникновение циклических движений робота. Таким образом, решение проблемы обхода НР препятствий сложной формы является весьма актуальной научно-технической проблемой.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности функционирования НР путем обеспечения автономного управления движением робота в недетерминированной среде с определенным классом препятствий.
Научная задача, решение которой содержится в диссертации, - разработка методов управления наземными роботами, обеспечивающих обход препятствий сложной формы в недетерминированной среде, без предварительного картографирования зоны функционирования НР.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
- анализ и исследование известных методов управления подвижными объектами в недетерминированных средах с обходом стационарных и нестационарных препятствий;
разработка алгоритмически реализуемого метода обработки сенсорной информации, позволяющих устранять тупиковые ситуации, обусловленные наличием близко расположенных препятствий;
разработка метода планирования траекторий НР, позволяющего избегать тупиковых ситуаций, обусловленных наличием препятствий сложной формы определенного класса;
разработка метода управления НР в средах с препятствиями определенного класса, позволяющих выводить управляемый робот из тупиков и сглаживать его траекторию при перемещении внутри узкого коридора;
разработка архитектуры программного обеспечения и общих алгоритмов функционирования программно-аппаратного комплекса для исследования перемещений НР;
проведение экспериментальных исследований системы оперативного управления перемещением НР в недетерминированной среде.
Методы исследования основаны на использовании методов теории управления, теории устойчивости, аналитической механики, теории матриц, аналитического синтеза нелинейных позиционно-траекторных систем управления подвижными объектами, нечеткой логики управления. Проверка эффективности полученных в ходе работы теоретических результатов осуществлялась средствами численного моделирования в среде MATLAB и подтверждена результатами натурных экспериментов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
строгими математическими выводами;
результатами экспериментов и компьютерным моделированием;
согласованием с данными экспериментов и результатами исследований других авторов.
Наиболее существенные положения, выдвинутые для защиты:
связывание образов препятствий упрощает их описание и позволяет избегать тупиковых ситуаций;
преодоление тупиковых ситуаций, возникающих при обходе препятствий сложной формы, можно осуществить за счет совместного применения неустойчивых режимов и интеллектуальных алгоритмов планирования и управления движением НР;
концепция виртуальной целевой точки позволяет повысить эффективность функционирования НР в недетерминированных средах без предварительного картографирования.
Наиболее существенные новые научные результаты, полученные автором и выдвигаемые для защиты:
алгоритмически реализуемый метод обработки сенсорной информации, отличающийся формированием дополнительных связей между образами препятствиями, и позволяющий устранять тупиковые ситуации, обусловленные наличием близко расположенных препятствий;
метод управления НР, позволяющий обходить препятствия сложной формы, и отличающийся совместным использованием детерминированных позиционно- траекторных и нечетких регуляторов;
метод формирования траектории движения НР в недетерминированных средах, позволяющий избегать циклических движений робота и тупиковых ситуаций, обусловленных наличием препятствий сложных форм, отличающийся введением виртуальной целевой точки.
Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты могут быть использованы при конструировании систем управления НР, предназначенными для транспортировки грузов, обслуживания опасных для жизни и труднодоступных зон атомной, химической и газовой промышленности, сервисного обслуживания пассажирских терминалов и т.д. Применяемые алгоритмы нетребовательны к вычислительным ресурсам, могут быть реализованы в реальном времени с использованием простых сенсоров.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на международном научно-техническом семинарев г. Алушта, 2010 г., международной конференции «Автоматизация управления и интеллектуальные системы и среды» (АУИСС - 2010 г.), первой международной конференции «Автоматизация управления и интеллектуальные системы и среды» (Нальчик, 2010 г.), IEEE Международной конференция по мехатронике, (Стамбул, Турция 2011 г.), 4-й международной конференции по машиностроению и технологиям, (Асьют, Египет, 2011 г.), научно-технической конференции «Искусственный интеллект и управление» (ИИУ-2011), всероссийской научной школе «Микроэлектронные информационно- управляющие системы икомплексы» (Новочеркасск, 2011г.).
Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические и практические разработки, выполненные в рамках данной работы, использованы при создании колесного автономного мобильного робота «Скиф-3», внедрены в учебный процесс кафедры электротехники и мехатроники ТТИ ЮФУ в рамках курсов «Основы робототехники» и «Управление роботами и робототехническими системами».
Личный вклад автора. Все научные результаты диссертации получены автором лично.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 9 научных изданиях, в том числе 3 статьях в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов работ по диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук, 6 докладах в материалах Всероссийских и международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 135 наименований, содержания и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 175 страницах и включает в себя 72 рисунка и 3 таблицы.
