Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность создания информационных коммуникационных сетей определяется важной ролью, которую играют коммуникации во всех областях народного хозяйства, а также в обеспечении обороноспособности и безопасности государства.
В основе функционирования беспроводных коммуникационных сетей лежит принцип ретрансляции радиосигнала, для реализации которого требуются специальные узлы связи (ретрансляторы). В роли таких узлов обычно выступают стационарные радиостанции. Однако решение ряда специальных задач, например проведение военных или аварийно-спасательных операций, требует создания подвижных коммуникационных сетей (ПКС), способных не просто обеспечивать беспроводное коммуникационное соединение в заданной местности, но и менять форму области покрытия в ходе выполнения задачи, путем изменения месторасположения подвижных узлов связи. В настоящее время управление такими узлами осуществляет человек-оператор, что при перемещении большого количества узлов может приводить к понижению эффективности функционирования ПКС, в том числе к:
использованию неоптимального количества узлов связи,
присутствию непокрытых зон внутри заданной области,
избыточному перекрытию заданной области,
обрыву связи во время перемещения подвижных узлов,
низкой скорости принятия решений.
Поэтому подвижные узлы должны обладать высоким уровнем автоматизации. Для этого целесообразно использовать автономные мобильные роботы в качестве подвижных узлов связи. В связи с этим актуальной задачей является создание системы планирования действий автономных мобильных роботов-ретрансляторов (АМРР) для обеспечения функционирования ПКС.
Диссертация основывается на результатах исследований в области системного анализа и группового управления, отраженных в трудах И.М. Макарова, Д.Е. Охоцимского, И.А. Каляева, Ю.М. Соломенцева, В.Г. Градецкого, С.Г. Капустяна, В.М. Лохина, СВ. Манько, Е.И. Юревича, Р. Аркина, Т. Балча, В. Кумара, М. Матарик и других отечественных и зарубежных ученых.
Цель исследования - создание методики, моделей, алгоритмического и программного обеспечения для планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов, входящих в состав подвижной коммуникационной сети.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведение анализа современных методов и средств построения подвижных коммуникационных сетей.
-
Построение методики планирования движений в группе роботов-ретрансляторов, обеспечивающей функционирование подвижной коммуникационной сети.
-
Построение структурно-функциональной модели системы планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов для обеспечения работы подвижной коммуникационной сети.
-
Разработка алгоритмов распределения роботов-ретрансляторов на местности для создания коммуникационной сети в заданной области, минимизирующих количество используемых роботов-ретрансляторов, площадь избыточного перекрытия заданной области и время выполнения задачи.
-
Разработка алгоритма скоординированного перемещения группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов, реализующих движение роботов без столкновений с поддержанием коммуникационного соединения.
-
Создание программного обеспечения, которое реализует предложенную систему планирования групповых действий, а также обеспечивает проведение компьютерного моделирования.
-
Разработка экспериментального образца и исследование системы планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов для создания подвижной коммуникационной сети.
В ходе работы над диссертацией были использованы следующие
методы исследований: методы системного анализа, теории графов,
анализа и проектирования алгоритмов и компьютерных программ,
вычислительной математики. Создание программных приложений велась с
использованием технологий объектно-ориентированного
программирования в средах Visual C++ и Delphi. Исследование работоспособности предлагаемых решений проводилось путем математического и имитационного моделирования с использованием разработанного автором программного обеспечения и натурных экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заключается в:
1. методике планирования движений группы роботов-ретрансляторов, которая заключается в последовательном решении задач определения границ зоны покрытия, нахождения и назначения целевых
позиций для роботов-ретрансляторов на местности, перемещения в целевые позиции с поддержанием коммуникационного соединения;
-
структурно-функциональной модели системы комбинированного планирования движений автономных мобильных роботов - ретрансляторов, обеспечивающей распределение функциональных задач между центральным вычислительным устройством и мобильными роботами группы;
-
алгоритме гексагонального покрытия для решения задачи распределения роботов на местности, особенностью которого является коррекция расположения целевых позиций для роботов на границах зоны, что позволяет снизить площадь избыточного перекрытия;
-
алгоритме распределения роботов-ретрансляторов на основе кластеризации k-средних, который отличается выбором начального распределения и итерационной процедурой добавления целевых позиций, что обеспечивает возможность полного коммуникационного покрытия заданной области;
-
комбинированном алгоритме распределения, основанном на совместном использовании алгоритмов гексагонального покрытия, кластеризации k-средних, а также процедуре исключения избыточных целевых позиций, который позволяет уменьшить количество требуемых целевых позиций, площадь избыточного перекрытия, а также сократить вычислительное время;
6. алгоритме переключения режимов управления,
обеспечивающем локальное планирование перемещения робота-
ретранслятора в составе группы, обеспечивающей работу ПКС, с учетом
обхода препятствий, предупреждения столкновений и поддержания
коммуникационного соединения.
Практической ценностью обладают следующие результаты.
-
Подход к созданию подвижных коммуникационных сетей путем использования автономных мобильных роботов-ретрансляторов в качестве подвижных узлов связи.
-
Разработана методика планирования движений группы роботов-ретрансляторов, которая заключается в последовательном решении задач распределения роботов-ретрансляторов на местности, назначения целевых позиций для роботов на карте и их скоординированного перемещения.
-
Создано программное обеспечение, реализующее методику планирования движений группы мобильных роботов-ретрансляторов на основе разработанных моделей и алгоритмов.
-
Построен экспериментальный образец подвижной коммуникационной сети на базе автономных мобильных роботов-
ретрансляторов с использованием разработанного программного обеспечения.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата и подтверждается согласованностью теоретических выводов с результатами, полученными при моделировании и путем экспериментальных исследований, а также положительным опытом внедрения.
Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты работы использованы при выполнении НИР «Проведение проблемно-ориентированных исследований по созданию подвижных реконфигурируемых информационных коммуникационных сетей на основе автономных мобильных мехатронных агентов» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса на 2007-2013 годы».
Апробация работы. Основные результаты диссертации
докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Международная научная конференция «Robotics for risky interventions and
Environmental Surveillance-Maintenance 5th IARP RISE'2011», 2011 год,
Левен, Бельгия.; XXI Международная научно-техническая конференция
«ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА», 2010, Москва;
Международная научно-техническая конференция «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА», 2011, Санкт-Петербург; Международная научно-техническая конференция «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА», 2012, Санкт-Петербург; Международная научно-техническая интернет-конференция молодых ученых «Автоматизация, мехатроника, информационные технологии», 2010, Омск; XV научная конференция «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИНФОРМАТИКА», 2013, Москва.
Внедрение результатов исследования. Ряд теоретических и практических результатов, полученных в диссертации, внедрены в Московском филиале ФГУП «АВАРИЙНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР МИНАТОМ РОССИИ» (г. Санкт-Петербург) Инженерно-Техническом и Учебном Центре Робототехники (ИТУЦР) и в учебном процессе МГТУ «СТАНКИН», что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Публикации. По тематике диссертации автором опубликовано 10 печатных трудов, из них 5 работ опубликовано в журналах из перечня ВАК РФ. По результатам работы получено 5 свидетельств на владение правами интеллектуальной собственности.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 169 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка использованных источников из 69 наименований и приложения. Основной текст изложен на 152 страницах, включает 80 рисунков и 11 таблиц.
