Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время направление развития робототехники характеризуется расширением области применения мобильных роботов в промышленности, бытовой и социальной сфере. Количество роботов за период 2008-2011 гг. возросло более чем в два раза – с 8,6 до 18,2 млн. Однако аналитики прогнозируют, что в ближайшее время рост спроса на робототехнические комплексы бытового назначения резко замедлится из-за неэффективности решения комплексных задач одним устройством. Аналогичная тенденция характеризует сферу промышленной робототехники и проявляется в снижении количества в мире роботов-манипуляторов за период 2010-2012 гг. с 1,1. до 1 млн. Расширение области применения роботов в промышленной, бытовой и социальной сферах приводит к необходимости использования групп мобильных роботов для решения комплексных задач.
Группа роботов является сложной системой, при этом эффективность выполнения ею задач характеризуется двумя основными технико-экономическими показателями: скорость выполнения задачи и затраченные на это ресурсы, которые определяются качеством управления группой мобильных роботов.
Основные результаты исследований в области группового управления роботами содержатся в работах российских: Юревич Е.И., Каляев И.А., КапустянС.Г., Занкевич С.Л., а так же зарубежных ученых Brumitt B.L.Funato D.,Conn, N.R.,Stenz A., Dias M.B.,Papanikolopoulos, N., Yamaguchi H, Marchant G.
В настоящее время разработан ряд методов и алгоритмов реализации управления группой роботов в стационарных условиях. Однако эти решения не могут быть использованы при взаимосвязи между задачами из-за их сложной сетевой структуры. Взаимосвязь задач определяется условием возможности выполнения последующей при достижении цели предыдущей. Это обусловливает актуальность темы исследования, которое соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ («Информационно-телекоммуникационные системы»), и критическим технологиям («Технологии распределенных вычислений и систем»).
Целью работы является повышение эффективности управления одноранговой группой мобильных роботов при решении взаимосвязанных задач.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
разработать методику построения математической модели рабочей зоны группы мобильных роботов с учетом взаимодействия задач;
построить математическую модель группы роботов и множества задач с сетевой структурой на основе предложенной методики;
синтезировать алгоритм группового управления роботами для решения множества взаимосвязанных задач в единой рабочей зоне;
реализовать систему управления группой мобильных роботов при решении множества задач с сетевой структурой;
построить физическую модель группы мобильных роботов для проведения экспериментальных исследований, а так же для проверки адекватности математической модели и работоспособности алгоритмов;
провести анализ и оценить результативность и эффективности предложенных моделей и алгоритмов управления группой мобильных роботов.
Объект исследования: децентрализованная группа мобильных роботов.
Предмет исследования: модели и алгоритмы управления одноранговой группой мобильных роботов.
Методы исследования: Методы системного анализа, теории управления и многоагентных систем, математического моделирования, методы оптимизации.
Научная новизна работы:
создана методика построения математической модели рабочей зоны группы мобильных роботов, описывающая задачи и роботов в единой многоагентной среде, отличающаяся учетом взаимосвязей между задачами, что позволяет определить эффективность их выполнения;
разработан алгоритм поиска Парето-оптимального управления, отличающийся использованием метода справедливых компромиссов, позволяющий синтезировать стратегию выполнения группой мобильных роботов множества задач с сетевой структурой;
предложена распределенная архитектура системы управления группой мобильных роботов, отличающаяся координацией работы роботов на основе обмена информационными сообщениями, позволяющая определить управляющее воздействия для решения задач с иерархической структурой.
Практическая ценность работы:
реализована программа построения математической модели рабочей зоны группы мобильных роботов, позволяющая определить эффективность выполнения взаимосвязанных задач каждым из роботов группы;
создано программное обеспечение системы управления децентрализованной одноранговой группой мобильных роботов, позволяющая повысить эффективность решения множества взаимосвязанных задач [11];
разработана физическая модель, состоящая из трех мобильных роботов, позволяющая проводить экспериментальные исследования для проверки адекватности математической модели и работоспособности алгоритмов.
На защиту выносятся:
методика построения математической модели рабочей зоны группы роботов, учитывающая взаимосвязь между поставленными задачами;
математическая модель рабочей зоны группы роботов;
алгоритм поиска Парето-оптимального управления группы мобильных роботов для решения взаимосвязанных задач;
система управления одноранговой группой мобильных роботов для решения множества взаимосвязанных задач.
результаты исследования эффективности и результативности предложенных моделей и алгоритмов.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования подтверждается корректным использованием математических методов, компьютерным моделированием, проверкой адекватности модели, результатами физического моделирования, соответствием основных теоретических положений и выводов практическим результатам, полученным на основе разработанных моделей.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на Международных научно-технических конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010; Харьков,2012, Нижний Новгород,2013); «International congress on information technologies-2012» (Саратов, 2012), «Наука вчера, сегодня, завтра» (Новосибирск, 2013).
Исследования поддержаны Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе «СТАРТ» (2012 гг.).
Сконструированные в рамках исследования роботы принимали участие во Всероссийских соревнованиях «Робофест-2011/2012/2013», на которых заняли призовые места и победили в конкурсе «National Instruments».
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 11 публикациях, в том числе 3 статьях в центральных научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 1 статья в научно-техническом журнале, аккредитованном в системе рецензирования «Scopus», в 5 трудах Международных научных конференций, получено 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Без соавторства опубликовано 2 работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Основная часть работы изложена на 111 страницах, содержит 33 рисунка, 6 таблиц, список литературы, состоящий из 118 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов, и приложения.
