Разработка и исследование методического и алгоритмического обеспечения интеллектуальных систем управления мобильными объектами

Актуальность темы

В настоящее время возрастает интерес к мобильным мехатронным системам, что связано как с практической необходимостью использования таких систем для целей проведения работ в средах, недоступных для человека, так и с необходимостью исследования интеллектуальных способностей технических систем. Мобильные мехатронные системы (мобильные роботы) начинают использоваться с целью диагностики неисправностей протяжённых и высотных объектов, мониторинга окружающей среды, поиска объектов в труднодоступных местах и т. д. При этом сама мобильность может обеспечиваться различными способами — это и традиционные колёсные системы, и шагающие, катящиеся, а также ползающие и летающие системы.

Общим для этих систем является многоуровневое управление их поведением. Обычно это трёхуровневая система управления, состоящая из стратегического, тактического и исполнительного уровней.

Современные системы обладают определённой степенью интеллектуализации управления — даже в том случае, если мобильная система не является полностью автономной и получает целевые указания от «'человека-оператора, как это делается в эргодических робототехнических системах. V ,.

От степени интеллектуализации системы управления зависит! корректность' поведения мобильной системы в изменяющейся обстановке и степень её автономности при решении поставленных перед нею задач.

В настоящее время разрабатываются системы управления, обеспечивающие автономное выполнение ограниченного набора операций и ряда предопределённых сценариев, однако, как правило, это существенно детерминированные действия, а их реализация ориентирована на высокопроизводительные вычислительные платформы. Тенденции развития таких систем отражают целесообразность их реализации на встраиваемых платформах, обеспечивающих возможность распределённого управления и имеющих, наряду с малыми габаритными размерами, высокой надёжностью и низкой стоимостью, ограничения по вычислительным ресурсам. Для реализации на таких платформах перспективных подходов к построению адаптивных систем необходима разработка алгоритмов адаптивного поведения и управления объектом с учётом вычислительной производительности встраиваемых приложений.

Вопросы построения интеллектуальных систем управления отражены в работах акад. Макарова И. М., проф. Юревича Е. И., проф. Кемурджиана А. Л., проф. Ющенко A.C., проф. Бурдакова С. Ф., проф. Терехова В. А., проф. Колесникова A.A. и ДР.

Актуальность решаемых в диссертационной работе проблем обусловлена необходимостью повышения автономности мобильных технических объектов и потребностью совершенствования методологии проектирования соответствующих систем. В данной работе рассматриваются методологические подходы к решению проблемы построения систем управления передвижением автономных мобильных технических объектов, позволяющих реализовать алгоритмическое обеспечение планирования поведения мобильного объекта на встраиваемой платформе.

Тематика диссертационной работы согласуется с приоритетными направлениями науки и техники, утверждёнными Правительственной комиссией РФ по научно-технической политике (направление «Фундаментальные исследования», — раздел «Информационная, вычислительная техника, автоматизация»), а также с. планами работ по грантам правительства Санкт-Петербурга (раздел «Технические науки», направление «Автоматика, телемеханика. Вычислительная техника».¦ ft j *• > v'' ¦> ,'V * ¦ v, л, \ч, -i>

Цель диссертационной работы ¡-заключается в созданийd структуры, Л методики и инструментальныхсредств проектирования ' интеллектуальных систем, Д. управления передвижением мобильных технических объектов, обеспечивающих повышение степени их автономности и качества управления в условиях частичнойнеопределённости среды функционирования.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка иерархической структуры системы адаптивного управления на основе алгоритмов интеллектуальной обработки данных, обеспечивающей возможность модульного построения систем, и реализуемость на встраиваемых вычислительных платформах.

2. Определение подходов для реализации каждого уровня иерархии управления и их модификация, обеспечивающая физическую реализуемость движений.

3. Реализация разрабатываемых подходов на современных встраиваемых вычислительных средствах и оценка требований к производительности вычислительной системы.

4. Разработка методики проектирования интеллектуальных систем управления передвижениям мобильных технических объектов и реализация на её основе автономной мобильной аппаратной платформы с необходимыми исполнительными механизмами и системой технического зрения для исследования разрабатываемых систем интеллектуального траєкторного и целевого управления при кооперативном функционировании.

5. Проведение экспериментальных исследований разработанной методологии построения интеллектуальных систем.

Основные методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории поля, теории дифференциальных уравнений, теории нечётких вычислителей, теории управления, теории терминального управления, синергетические методы управления, теории программирования.

Научная новизна работы. Научную новизну составляют следующие положения, предложенные в работе:

1. На базе иерархической структуры системы управления мобильными техническими объектами разработан подход на основе логических преобразователей и сети нечётких контроллеров, обеспечивающий повышение автономности и ¿-качества.

Т. управления при ограничениях на вычислительные ресурсы.

Г- • ' -, ' ', 1. .Г" ' < а ї^АЧЖ'ІЛ'Ж'Ц

2. Предложена модификация волнового алгоритма Ли для задачи поиска траектории < движения, обеспечивающая сокращение длины траектории и возможностьучёта ограничений по физической реализуемости движений. 'І.

3. Предложена методика проектирования интеллектуальных систем управления передвижением мобильных технических объектов при кооперативном функционировании.

Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:

1. Разработанная структура системы управления мобильными техническими объектами обеспечивает нахождение траектории движения к цели в заранее неопределенной динамически меняющейся обстановке при любой конфигурации препятствий, если такая траектория существует, и маневрирования с движением задним ходом с учётом габаритов подвижного объекта.

2. Предложенная структура взаимодействующих нечётких контроллеров благодаря декомпозиции задач позволяет упростить разработку базы знаний для рассматриваемых интеллектуальных систем управления.

3. Применяемый подход к анализу карты сцены позволяет организовать эффективное кооперативное поведение подвижных объектов на сцене в смысле минимизации потока данных между агентами.

4. Предложенная структура системы управления может быть эффективно реализована на перспективных встраиваемых аппаратных платформах типа «система на кристалле» в смысле минимизации затрат на аппаратную реализацию.

5. Создан комплекс инструментальных средств моделирования и разработки программного обеспечения встраиваемых систем управления передвижением мобильных технических объектов, позволяющий минимизировать требования к вычислительным ресурсам целевой системы.

6. Разработана универсальная платформа колёсной мобильной системы, позволяющая проводить натурные исследования различных подходов.

7. Проведены модельные и натурные экспериментальные исследования разработанной интеллектуальной системы планирования траектории движения мобильных систем в заранее неизвестной динамически меняющейся окружающей среде с препятствиями.

Реализация результатов. Разработанные методы и средства внедрены в учебный процесс СПбГПУ и научно-исследовательскую деятельность Центра наукоёмкого инжиниринга, что подтверждено актами о внедрении. ' «у, а-» г*.

Апробация работы. Основные положения диссертационной — г работы, с * ' ' >. ': V '" ,/'1- м докладывались и обсуждались на следующих конференциях: < - -, 7.

— фундаментальные исследования в технических университетах Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы;

— Всероссийская научно-техническая конференция «Экстремальная робототехника»;

— компьютерное моделирование, труды международной научно-технической конференции;

— научные исследования и инновационная деятельность (научно-практическая конференция). и др.

Работа поддержана грантом КЦФЕ. Получена медаль Всероссийского конкурса «За лучшую научную работу». г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 печатных работ, в том числе 5 — в изданиях, рецензируемых ВАК.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и трёх приложений. Материал работы изложен на 204 страницах машинописного текста, основное содержание — на 143 страницах. Работа содержит 2 таблицы и 75 рисунков. В списке литературы 73 наименования.

4.4 Выводы по главе.

Результаты проведённых модельных исследований полностью подтвердили работоспособность предлагаемого подхода к организации системы интеллектуального планирования траектории движения подвижного объекта.

Кроме того, при использовании предлагаемого подхода подтверждена возможность эффективной организации мультиагентного взаимодействия при решении задачи планирования траектории движения к цели.

Результаты проведённых натурных экспериментов доказали возможность реализации предложенной иерархической структуры интеллектуального планирования траектории движения во встраиваемой системе управления на основе восьмибитного микроконтроллера и во встраиваемой вычислительной системе типа СНК с жёсткой структурой. При этом производительность микроконтроллерной системы позволила решать задачу планирования траектории движения с частотой 10 Гц при тактовой частоте 44 МГц (при возможной максимальной 100 МГц).

Кроме того, принципиально продемонстрирована возможность управления реальным подвижным объектом в заранее неопределённой среде с препятствиями при выбранном дискретном представлении информации, полученной от бортовой СТЗ радарного типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При выполнении работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод применения полевого подхода к планированию траектории движения, ориентированный на реализацию во встраиваемых интеллектуальных системах управления.

2. Выполнена модификация клеточного автомата для применения в подсистемах планирования траектории движения и предложена методика построения интеллектуальной системы управления на основе сочетания клеточного автомата и нечёткого контроллера.

3. Предложена структура взаимодействующих нечётких контроллеров для построения траектории движения подвижного объекта, позволяющая реализовать сложное маневрирование с движением задним ходом и разворотами в несколько приёмов с учётом габаритов подвижного объекта.

4. Разрабатываемые подходы реализованы на современных встраиваемых вычислительных средствах.

5. Разработана автономная мобильная аппаратная платформа с необходимыми исполнительными механизмами и системой технического зрения для исследования разрабатываемых систем интеллектуального траекторного управления.

6. Проведены модельные и натурные экспериментальные исследования разработанной интеллектуальной системы планирования траектории движения мобильных систем в заранее неизвестной динамически меняющейся окружающей среде.