ЛАРС

Аннотация:

Спецификой роевой робототехники является моделирование взаимодействия больших групп простейших гомогенных роботов. Ограниченные ресурсы отдельных роботов существенно влияют на конфигурацию и возможности системы, однако за счет распределенного роевого интеллекта, основанного на данных, извлекаемых в ходе массовых парных взаимодействий роботов, обеспечивается существование роя и решение им требуемых задач. Спецификой модульной робототехники является возможность соединения отдельных роботов в реконфигурируемые комплексы со сложной структурой. В отличие от роевой робототехники здесь используется контактное соединение роботов, однако число роботов, участвующих во взаимодействии не определяется. На первом этапе проекта при подготовке обзора были проанализированы подходы, пригодные для реконфигурации роя модульных роботов.
По результатам анализа публикаций, описывающих контактные соединения модульных роботов была предложена оригинальная классификация подходов, учитывающая тип актуатора, тип преобразуемой энергии, способ соединения и другие аспекты позволяет обосновать технологическую структуру разрабатываемого модульного робота. Проведенный анализ проектов по модульной робототехнике по публикациям последних десяти лет выявил также перспективность привлечения методов облачной робототехники для распределенного сбора сенсорных данных, управления и централизованного обучения с использованием стационарных вычислительных ресурсов.
При разработке технологических основ управления проектированием модульных роботов с попарными механизмами соединения были проанализированы современные аппаратные и модельно-алгоритмические средства, свойственные полнофункциональному роботу, которые обеспечивают независимую локомоцию, связь, навигацию, децентрализованное питание и управление.
Дальнейшее развитие систем робототехнического модуля и его конструкции после имплементации заявленного функционала будет возможно после проведения тестирования с прототипами, а прежде всего моделирования и разработки алгоритмического обеспечения. Для этого на следующем этапе проекта планируется провести анализ ограничений и обоснование требований к модельно-алгоритмическому обеспечению отдельной единицы модульного робота, влияющих на способы управления попарными соединениями наземного роя роботов. Затем разработать алгоритмы управления соединениями роя наземных модульных роботов при конфигурации трехмерных форм.

Поставленные на 2016 год задачи выполнены в полном объеме:
1. Проведен анализ проблемы попарных соединений в рое роботов и подготовлен обзор подходов, применяемых в модульной робототехнике.
2. Разработана классификация методов, технологий и технических решений соединения модульных роботов.
3. Выполнена разработка технологических основ управления попарными соединениями в рое роботов.
4. По результатам научных исследований опубликовано 7 статей, в том числе 3 работы в изданиях, индексируемых в Scopus/WoS, и 4 работы в изданиях, индексируемых в РИНЦ.
5. Полученные научные результаты прошли апробацию на 3 международных профильных конференциях:
- 9-я Российская мультиконференция по проблемам управления (9-я КОНФЕРЕНЦИЯ «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В УПРАВЛЕНИИ» (ИТУ-2016)), 4 - 6 октября 2016 г., Санкт-Петербург, Россия;
- 3rd International Conference on Mechanics and Mechatronics Research (ICMMR 2016), Bangkok, Thailand, June 18-20, 2016
- International Conference on Autonomous Robot Systems and Competitions, Braganca, Portugal, May 4-6, 2016.

Поставленные на 2017 год задачи выполнены в полном объеме:
1. Проведен обзор ограничений, накладываемых на модельно-алгоритмическое обеспечение модуля робототехнической системы (РТС), сформулированы требования к алгоритмам управления отдельной единицы модульного робота, а именно функционирование в режиме реального времени для возможности реагирования на изменяющиеся условия окружающей среды, децентрализованность, низкая ресурсоемкость. В соответствии со сформированными требованиями был разработан подход к решению поставленной задачи, в основе которого лежит декомпозиция общей задачи на две подзадачи: управление перемещением отдельных звеньев системы в точку сбора с выбором требуемой траектории движения на основе информации о внешней среде и непосредственно алгоритм объединения отдельных элементов в единую систему.
2. Разработаны алгоритмы соединения отдельных гомогенных робота в единую систему и алгоритмы управления сформированной системой. Для реализации перемещения гомогенных роботов в пространстве и последующего сопряжения их друг с другом были разработаны алгоритмы выбора целевых точек, алгоритмы построения траектории движения и алгоритмы движения модулей с учетом возникающих динамических препятствий. Для управления соединением модульных роботов была разработана искусственная нейронная сеть (ИНС), которая обеспечивает решение обратной задачи кинематики для сложной реконфигурируемой системы.
3. По результатам научных исследований опубликовано 4 статьи, в том числе 3 работы в изданиях, индексируемых в Scopus/WoS.
4. Полученные научные результаты прошли апробацию на трех международных и одной российской профильных конференциях:
- 2-ая военно-научная конференция «Роботизация Вооруженных Сил Российской Федерации», 23 марта 2017 г., Московская область, Россия;
- 2017 International Conference on Mechanical, System and Control Engineering (ICMSC 2017), Санкт-Петербург, Россия, 19-21 мая, 2017
- Международная научно-техническая конференция по электромеханике и робототехнике «Завалишинские чтения – 2017, Санкт-Петербург, Россия, 17-21 апреля, 2017
- The 2nd International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR-2017), Хартфордшир, Англия, 12-16 сентября, 2017

________

В ходе выполнения первого этапа проекта были получены следующие важнейшие результаты: 

1. проведен анализ проблемы попарных соединений в гомогенных модульных робототехнических системах, подготовлен обзор применяемых в данной области подходов; 

2. разработана классификация методов, технологий и технических решений соединения модульных роботов, учитывающая тип актуатора, тип преобразуемой энергии, способ соединения и другие аспекты; 

3. выполнена разработка технологических основ управления попарными механизмами соединения гомогенных модульных робототехнических единиц. Данные основы включают в себя необходимые аппаратные и модельно-алгоритмические средства для обеспечения отдельных модулей возможностями по независимому передвижению, связи, навигации, питанию и управлению. 

В ходе работы над вторым этапом проекта были получены следующие важнейшие результаты: 

1. По результатам анализа современных разработок в области модульной робототехники был определен перечень требований, выдвигаемых к модульным робототехническим устройствам. В частности, каждый единичный модуль должен иметь несколько степеней свободы для формирования сложных формаций, иметь сенсорные узлы для анализа окружающего пространства, обладать автоматизированной системой контактного соединения модульных единиц, а также достаточной подвижностью для самостоятельного передвижения. 

2. Проведенный анализ исследований, посвященных проблеме реконфигурации модульных робототехнических систем, позволил выявить не только основные методы и алгоритмы решения данной проблемы, но и определить ряд перспективных междисциплинарных направлений исследований в области планирования и оптимизации пути, а именно: применение нейросетевых технологий в задаче построения траекторий движения модульного робототехнического устройства (МРУ), а также в задачах прямой и обратной кинематики модульной системы. В соответствии с выделенными междисциплинарными направлениями для реализации перемещения гомогенных МРУ в пространстве и последующего сопряжения их друг с другом были разработаны алгоритмы выбора целевых точек, алгоритмы построения траектории движения и алгоритмы движения модулей с учетом возникающих динамических препятствий на основе технического зрения, а для осуществления управления движением формаций модульной робототехнической системы была разработана искусственная нейронная сеть, которая обеспечивает решение обратной задачи кинематики для данного класса сложных реконфигурируемых систем. 

3. На основе результатов проведенного анализа проблемы реконфигурации были разработаны алгоритмы реконфигурации и управления движением модульных робототехнических систем с применением современных аппаратных и модельно-алгоритмических средств. Разработанные алгоритмы могут быть использованы в области искусственного интеллекта, управления беспилотными транспортными средствами и разработки картографических сервисов. 

В ходе работы над третьим этапом проекта были получены следующие важнейшие результаты: 

1. Предложена и апробирована модель модульного робототехнического средства, которое преимущественно отличается от аналогов: всенаправленным автономным движением на основе разработанной колесной базы и системы управления; грузоподъемностью в три раза превосходящей собственный вес устройства; отсутствием ограничений на максимальное количество устройств в конечной формации; конструкцией соединительных узлов, обеспечивающих самостоятельное центрирование модульных устройств друг относительно друга в процессе стыковки с применением собственных алгоритмов соединения.

2. Разработан алгоритм реконфигурации трехмерных структур, который включает в себя кинематический анализ модульной системы, определение налагаемых не нее кинематических ограничений, а также расчет количества этапов реконфигурации. Использование тетраэдров в качестве базовой структурной единицы кинематического анализа позволило осуществлять обработку, в том числе и трехмерных конфигураций, путем изменения метода определения подструктур в модульной системе. Кроме того, применение алгоритма поиска субоптимального плана реконфигурации модульной робототехнической системы GreedyCM позволило обеспечить нахождение субоптимальных решений за время, которое полиномиально зависит от размера модульной системы. 3. Разработана алгоритмическая модель построения формаций, которая за счет использования разработанных алгоритмов (алгоритма поиска и оценки положения модульного робототехнического устройства (МРУ), находящихся в зоне взаимодействия; алгоритма выбора МРУ для последующего соединения и перемещения его на позицию соединения; алгоритма перемещения МРУ; алгоритма выхода МРУ на позицию соединения; алгоритма соединения МРУ) создает двумерное представление целевой формации в плоскости, состоящее из множества соединенных МРУ, а затем с использованием разработанного алгоритма реконфигурации реализует трансформацию текущей двумерной конфигурации модульной системы в целевой трехмерный вид. 4. Разработана алгоритмическая модель перемещения конечных формаций, которая позволять управлять формацией путем передачи команд управления на модули с опорными колесами. Контроль положения формации в рабочей области осуществляется с помощью внешних камер, позволяющих детектировать ArUco-маркеры на модулях. Поскольку положение роботов друг относительно друга известно, положение и ориентация формации на поле будет известно даже при наличии в поле зрения камер только одного робота. 5. Проведена оценка результатов функционирования набора МРУ и МРС в симуляционной и в реальной средах. Компьютерное моделирование и экспериментальная апробация разработанных моделей показали, что предложенные архитектуры, методы, алгоритмы и прототипы полностью работоспособны и по многим параметрам превосходят аналогичные решения.