Введение к работе
Опыт внедрения и промышленной эксплуатации манипуляционных и транспортных роботов на практике доказал высокую эффективность их использования для автоматизации различных технологических процессов. Однако развитие современной робототехники охватывает не только промышленные сферы, но и те прикладные области, которые связаны с проведением работ в неопределенных или экстремальных условиях.
Одни из первых непромышленных приложений робототехнических систем в задачах такого рода связаны с обслуживанием радиоактивных установок, а также с организацией глубоководных и космических исследований. Так, оснащение современных космических кораблей многоразового использования специализированными манипуляторами обусловлено необходимостью проведения на орбите различных технологических, монтажных и других операций.
Авария на Чернобыльской АЭС в мае 1986 г. послужила печальным поводом к появлению самостоятельного направления экстремальной робототехники, связанного с проблемами ликвидации последствий техногенных катастроф. Дистанционно-управляемые робототехнические системы, созданные специально для проведения дозиметрического контроля, очистных, монтажных и других видов инженерных работ активно использовались при разборе завалов в районах разрушений и повышенного уровня радиации.
Важнейшей областью прикладного применения средств экстремальной робототехники является решение задач по борьбе с терроризмом, который приобретает характер острейшей проблемы. Очевидно, что автоматизация операций по обследованию и эвакуации потенциально-опасных предметов, обезвреживанию взрывных механизмов и т.п. предполагает использование специализированных многофункциональных робототехнических средств, способных обеспечить выполнение необходимых функций в автономном режиме без участия человека.
Начиная с рубежа 90-х годов ключевые приоритеты ведущих мировых держав по развитию оборонной сферы связаны с комплексной роботизацией перспективных образцов вооружений и военной техники. Известно, что США и страны НАТО особое внимание уделяют созданию и активному внедрению безэкипажных робототехнических средств для решения широкого спектра задач в интересах Сухопутных войск, включая ведение боевых действий и различных видов разведки, разминирование и выполнение инженерных работ, автоматизацию погрузочно-разгрузочных и других операций тылового обеспечения.
Совершенно новое направление в развитии современной робототехники связано с созданием специальных средств для коммунально-хозяйственных и бытовых нужд - уборки уличного мусора, пожаротушения, покраски и очистки высотных зданий, оказания индивидуальной помощи инвалидам, адресной доставки медикаментов пациентам в больничных палатах и т.д. С середины 80-х годов в ряде развитых стран мира ведутся активные работы по созданию бытовых роботов гуманоидного типа, способных выполнять ежедневную работу по дому.
Специфика непромышленных применений средств робототехники обусловлена априорной неопределенностью рабочей обстановки, наличием случайных возмущений внешней среды, неполнотой или нечеткостью поступающей информации, возможным изменением целей функционирования. В таких условиях использование средств дис аниионного или полуавтоматического управления роботами непромышленного назначения служит скорее вынужденной мерой, позволяющей обеспечить привлечение интеллектуальных способностей человека-оператора для решения сложнейших задач по анализу текущих ситуаций и принятию соответствующих командных решений. Такой подход имеет ограниченную применимость, а в некоторых случаях является вообще неприемлемым по целому ряду причин:
- неблагоприятное влияние человеческого фактора на качество
управления (обусловленное наличием стрессовых ситуаций, усталостью,
сложностью оперативной оценки больших объемов разнородной информа
ции);
наличие прикладных задач, участие человека в решении которых с помощью существующих технических средств сопряжено со значительным риском для его жизни и здоровья, либо с высокими финансовыми и иными затратами;
уязвимость средств дистанционного и полуавтоматического управления от воздействия внешних поражающих факторов;
- недостаточно высокий уровень быстродействия, определяемый
суммарным временем двустороннего обмена необходимой информацией и
принятия требуемых командных решений.
Таким образом, резкое усложнение и появление новых задач прикладного применения роботов, требует существенного развития средств и методов управления, позволяющих обеспечить возможность автономного выполнения необходимых функций в условиях неопределенности. Один из наиболее перспективных подходов к управлению роботами в условиях неопределенности связан с привлечением методов и технологий искусственного интеллекта для идентификации текущих ситуаций и последующего принятия ассоциируемых с ними решений. Поисковые исследования, ак-
тивно проводимые в этой области как в России, так и за рубежом, подтверждают целесообразность и эффективность применения методов ситуационного управления в различных прикладных областях, включая задачи робототехники. Однако, создание перспективных образцов робототехниче-ских средств, предназначенных для автономного функционирования в неопределенных и экстремальных условиях с высоким уровнем надежности и качества выполнения требуемых операций, предполагает необходимость комплексной разработки принципов построения интеллектуальных систем управления с учетом специфики конкретной предметной области на основе современных методов и технологий обработки знаний.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ Целью диссертации является разработка принципов построения интеллектуальных систем управления роботами, обладающими высокой степенью автономности, адаптивности, надежности и качества функционирования в условиях неопределенности.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
сравнительный анализ особенностей и перспектив применения современных информационных технологий для обработки знаний при решении задач управления роботами, действующими в условиях неопределенности;
разработка концепции построения, архитектуры и программного обеспечения интеллектуальных систем управления роботами на базе комплексного применения современных методов и технологий обработки знаний;
разработка и исследование алгоритмов управления движением ма-нипуляционных роботов на основе технологий нейросетевых структур и нечеткой логики;
разработка принципов построения, алгоритмического и программного обеспечения средств самообучения для пополнения знаний интеллектуальных систем управления роботами;
разработка комплекса инструментальных средств автоматизации проектирования, моделирования и программирования роботов с интеллектуальной системой управления.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Для достижения поставленных задач в работе использовались методы ситуационного управления, индуктивной логики, нейрокомпьютинга, нечеткой логики, методы обработки продукционкых и фреймообразных
форм представления знаний, методы машинного моделирования и компьютерной графики.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА Научная новизна работы связана с обоснованием и развитием концепции иерархического построения интеллектуальных самообучающихся систем управления роботами на основе современных технологий обработки знаний:
впервые показана общность и различия современных технологий обработки знаний в приложении к задачам ситуационного управления сложными динамическими объектами в условиях неопределенности на основе оперативной классификации текущих состояний;
предложена и обоснована концепция иерархического построения интеллектуальных самообучающихся систем управления сложными динамическими объектами на основе современных методов и технологий обработки знаний;
выявлены особенности нелинейных преобразований в односвязных системах управления, построенных на основе технологии нечеткой логики, показано влияние числа и формы функций принадлежности на характер нечеткого логического вывода, разработаны принципы построения и методика настройки нечетких систем для управления движением манипуляциониых роботов в условиях динамически изменяемой сцены;
предложены принципы формирования знаний, алгоритмического и профаммного обеспечения для управления движением манипуляциониых роботов в среде с препятствиями на основе комплексного применения технологий экспертных систем и нейросетевых структур;
разработаны архитектура, принципы функционирования, послойной организации и обучения нейросетевых структур для планирования перемещений и управления движением манипуляционных роботов в среде с препятствиями;
разработаны теоретические основы и алгоритмы пополнения знаний для организации механизмов самообучения в составе интеллектуальных систем управления роботами, функционирующими в априорно неизвестных условиях;
обоснована возможность и целесообразность применения фреимо-образных структур для организации интеллектуального человеко-машинного интерфейса, разработаны принципы построения задачно-ориентированного интерфейса для интеллектуальных систем управления роботами промышленного и специального назначения;
- разработаны принципы построения и программное обеспечение комплекса инструментальных средств автоматизации проектирования, моделирования и программирования роботов с интеллектуальной системой управления.
Создана единая научно-методическая основа разработки интеллектуальных систем управления роботами различного назначения, ориентированных для автономного функционирования в неопределенных и экстремальных условиях.
Разработана экспертная система для обоснованного выбора необходимого робототехнического оборудования.
Разработан комплекс программно-инструментальных средств автоматизации проектирования и моделирования интеллектуальных систем управления многофункциональными роботами специального и промышленного назначения.
Разработан комплекс инструментальных средств заданно-ориентированного программирования роботов специального и промышленного назначения с интеллектуальной системой управления.
Разработана методика синтеза и настройки односвязных интеллектуальных регуляторов, построенных на основе нечеткой логики.
Разработаны архитектура, принципы функционирования, послойной организации и обучения нейросетевых структур для планирования перемещений и управления движением манипуляционных роботов в среде с препятствиями.
Разработано алгоритмическое и программное обеспечение системы управления антропоморфным роботом-переукладчиком для загрузки многокамерных технологических установок производства СБИС.
Разработаны принципы построения, алгоритмическое и программное обеспечение интеллектуальной системы управления роботизированным технологическим оборудованием для шнекования.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Результаты диссертации использовались при выполнении НИР, проводимых по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН в период 1993-1999 гг. - №К-139 "Поисковые исследования и разработка интеллектуальных систем управления сложными динамическими объектами, включая роботы и робототехнические системы произвольных кинематических структур в целях повышения степени их автономности, адаптивности и надежности" (Шифр "Клон-МН"), №К-161 "Разработка концепции робо-
тизаиии ВВТ, базовых технологий и экспериментальных образцов многофункционального наземного робота в интересах видов ВС РФ" (Шифр "Клавир"), №К-177 "Комплексный прогноз развития военной робототехники до 2005 г." (Шифр "Клин-МИРЭА-П"), №К-179 "Поисковые исследования и разработка интеллектуальных самообучающихся систем для управления сложными динамическими объектами" (Шифр "Клон-2-МИРЭА"), №К-186 "Разработка интеллектуальной технологии управления оружием на основе распределенных экспертных и нейроподобных систем" (Шифр "Ла-тилус"), №К-194 "Поисковые исследования и разработка интеллектуальных бортовых систем управления межвидового применения" (Шифр "Клон-3"), №К-197 "Поисковые исследования новых принципов построения систем управления микролетательных аппаратов военного назначения на основе отечественных достижений в области мехатроники" (Шифр "Малышка-6Ф"), а также при выполнении НИР по межвузовским научно-техническим программам "Робототехника для экстремальных условий" (1994-1996 гг.), "Конверсия и высокие технологии" (1997-2000 гг.), "Вычислительная техника, автоматизация и интеграция сетей" (1998-2000 гг.), "Робототехниче-ские системы" (1998-2000 гг.), "Механика, машиноведение и процессы управления" (1998-2000 гг.). Результаты диссертации использованы и внедрены в НПО "Химсинтез" (г.Красноармейск) при разработке системы управления роботизированного технологического оборудования для шне-кования, а также в АООТ "НИИТМ" (г.Зеленоград) при разработке системы управления роботом-переукладчиком для многокамерных технологических установок производства СБИС. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс кафедры "Проблемы управления" МИРЭА (ТУ) в виде конспектов лекций, программного и методического обеспечения для проведения лабораторных работ по курсам "Автоматизация программирования роботов", "Алгоритмическое и программное обеспечение интеллектуальных систем управления роботами", "Принципы технической имитации интеллекта" для студентов специальностей 210300 "Роботы и робототехниче-ские системы" и 071800 "Мехатроника". Подготовленные по результатам диссертации конспекты лекций и программно-методическое обеспечение лабораторных работ по курсу "Алгоритмическое и программное обеспечение интеллектуальных систем управления роботами", послужило одним из оснований, позволивших на кафедре "Проблемы управления" МИРЭА (ТУ) открыть специализацию 210309 "Интеллектуальные робототехнические системы".
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на
Всемирном конгрессе ITS-93 "Информационные коммуникации, сети, системы и технологии" (Москва, 1993 г.);
III международном научно-техническом семинаре "Теоретические и прикладные проблемы моделирования предметных областей в системах баз данных и знаний" (Рыбачье, 1994 г.);
Международном научно-техническом семинаре "Искусственный интеллект в системах автоматического управления" (Рыбачье, 1995 г.);
Международном семинаре "International Workshop on Advanced Electronics Technology '95" (Москва, 1995 г.);
Международных научно-технических семинарах "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (Алушта, 1996, 1997, 1998, 1999 гг.);
VI, VII, VIII, IX и X научно-технических конференциях "Экстремальная робототехника" (Санкт-Петербург, 1995 - 1999 гг.);
Международном семинаре "International Workshop on Micro Robots, Micro Machines and Systems" (Москва, 1999 г.)
ПУБЛИКАЦИИ Основные результаты диссертации опубликованы в 40 печатных работах, включая 1 монографию.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего Zoo наименований, и приложения. Общий объем диссертации составляет 23Q страниц, включая ІОО рисунков и *f таблиц.