Управление группой подвижных объектов в среде с препятствиями
В работе представлена система навигации, позволяющая группе мобильных роботов выполнять различные поставленные перед ними навигационные и транспортные задачи. Представлены известные методы решения данной задачи и представлены новые. Некоторые из данных методов реализованы на мобильных роботах на базе “Arduino” и “Raspberry Pi 3B”.
Введение ……………………………………………………………………………………………………. 5
Постановка задачи……………………………………………………………………………………… 7
Обзор литературы………………………………………………………………………………………. 8
Глава 1. Обзор мультиагентной робототехнической системы ……………………. 11
1.1 Структура МРТС ………………………………………………………………………….. 12
1.2 Виды систем группового управления ……………………………………………….. 13
Глава 2. Глобальное планирование …………………………………………………………… 14
2.1. «Ценовой» алгоритм распределения задач в коллективе роботов …….. 14
2.2. Мультиагентное распределение задач в коллективе роботов ……………. 15
Глава 3. Локальное планирование …………………………………………………………….. 18
3.1. Метод нейронных сетей ………………………………………………………………….. 18
3.2 Метод потенциальных полей ……………………………………………………………. 21
3.3 Cистема навигации мобильного робота …………………………………………. 22
3.3.1 Описание движения подвижного объекта ………………………………… 22
3.3.2 Структура системы навигации …………………………………………………. 23
3.3.3 Алгоритм SLAM ……………………………………………………………………… 24
3.3.4 Построение карты окружающей среды в виде карты-сетки ………. 25
3.3.5 Трассировка препятствий ………………………………………………………… 26
3.4 Планирование пути мобильного робота ………………………………………… 27
3.4.1 Общая структура планирования ………………………………………………. 27
3.4.2 Алгоритмы обхода препятствий ………………………………………………. 27
3.4.3 Алгоритм A* (A-star) ………………………………………………………………. 28
3.4.4 Алгоритм A* (A-star) для колесных роботов ……………………………. 29
3.4.5 Алгоритм D* (D-star) ………………………………………………………………. 31
3.4.5 Модифицированный алгоритм D* (D-star) ……………………………….. 33
Глава 4. Результаты программной реализации ………………………………………….. 37
4.1 Построение карты препятствий …………………………………………………….. 38
4.2 Реализация рассмотренных алгоритмов…………………………………………. 38
4.3 Сравнение точности и скорости алгоритмов ………………………………….. 41
Выводы ……………………………………………………………………………………………………. 43
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 44
Список литературы ………………………………………………………………………………….. 45
Приложение …………………………………………………………………………………………….. 48
В современном мире развитие робототехники является важным направлением развития технологий. Роботы с различной функциональностью уже обширно используются во многих сферах жизни. Одной из наиболее актуальных задач по этому направлению является построение системы навигации для группы роботов, выполняющих общую цель. Такая система может использоваться, например, для исследовательских и транспортных задач.
Важной частью данной задачи является построение навигационной системы, которая позволит роботу автономно передвигаться из пункта «A» в пункт «B», для каждого отдельного робота из системы. Решением данной задачи занимаются многие ученые и крупные корпорации. Решение данной задачи является необходимым шагом для создания полностью автономного транспорта, что делает это направление в исследовании очень востребованным.
Кроме того, решение данной задачи позволяет изучать труднодоступные для человека места. Одним из наиболее важных направлений для изучения является космос, для изучения которого просто необходима группа подвижных объектов, оснащенных навигационной системой, позволяющей им исследовать космическое пространство без участия человека, отправляя ему только итоговую информацию.
Задачу построения навигационной системы для группы подвижных объектов можно разделить на следующие подзадачи:
1) Выбор и реализация алгоритма распределения целей в группе роботов. 2) Построение мультиагентной робототехнической системы (МРТС).
3) Реализация навигационной системы, позволяющей роботу передвигаться из одной позиции в другую, избегая столкновения с препятствиями, для каждого робота. Данная задача состоит из следующих подзадач:
a) Построение навигационной системы для движения в детерминированной среде;
b) Построение навигационной системы для движения в недетерминированной среде со стационарными препятствиями;
c) Построение навигационной системы для движения в недетерминированной среде с динамическими препятствиями;
В настоящее время самыми часто используемыми автономными
подвижными объектами по причине удобства их использования являются мобильные роботы. В связи с этим рассматривается задача построения навигационной системы именно для данного типа роботов.
Постановка задачи
Разработать систему навигации, которая позволит мобильным роботам автономно выполнять поставленные перед ними задачи по транспортировке и исследованию территории.
Цели работы:
• Анализ известных методов построения мультиагентной робототехнической системы
• Анализ известных алгоритмов группового управления
• Разработка навигационной системы, позволяющей мобильным
роботам совершать автономное движение в различных средах;
• Реализация некоторых вариантов навигационной системы на мобильных роботах для решения реальных практических задач.
Проблема создания навигационной системы, позволяющей группе
подвижных объектов совершать автономное движение в реальных средах
очень важна в современном мире. Все больше задач вместо людей
выполняют некоторые сервисные роботы. С течением времени большинство
процессов по производству материальных ценностей, исследованию новых
территорий (в том числе в космосе) и обслуживанию людей станут
выполнять группы автономных роботов.
Массовое производство автономных роботов, способных работать в
сложны условиях, значительно упростит жизнь людей. Никому не придется
рисковать своей жизнью, выполняя работу.
Создание некоторого универсального метода, способного
автоматизировать передвижение группы роботов в различных средах, будет
огромным шагом на пути к созданию полностью автономных и
многофункциональных роботов. В связи с этим данная задача в настоящее
время действительно является актуальной и требующей нахождения более
оптимальных решений по многим параметрам, таким как минимизация
расхода топлива, уменьшение погрешности вычислений датчиками
расстояний до объектов внешней среды и возможность создавать группы
роботов, способные общими усилиями выполнять одну задачу, которую
мобильный робот не сможет выполнить в одиночку.
1. Бойчук Л. М. Метод структурного синтеза нелинейных систем
автоматического управления. М.: Энергия, 1971. 112 с.
2. Бойчук Л.М. Синтез координирующих систем автоматического
управления. М.: Энергоатомиздат, 1991. 160 с.
3. Пшихопов В. Х. Позиционно-траекторное управление подвижными
объектами. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. 183 с.
4. Топчиев Б. В. Синергетическое управление мобильными роботами
// Нелинейный мир, 2004. Т.2, №4. С. 239-249.
5. Montaner M. B., Ramirez-Serrano A. Fuzzy knowledge-based controller
design for autonomous robot navigation // Expert Systems with Applications,
1998. Vol. 14 (1-2), P. 179-186.
6. Lee T-L., Wu C-J. Fuzzy motion planning of mobile robots in unknown
environments // Journal of Intelligent and Robotic Systems, 2003. Vol. 37 (2), P.
177-191.
7. Пшихопов В. Х., Медведев М. Ю., Крухмалев В. А. Позиционно-
траекторное управление подвижными объектами в трехмерной среде с
точечными препятствиями // Известия ЮФУ. Технические науки, 2015. №1
(162). С. 238-250.
8. Алферов Г. В. Генерация стратегии робота в условиях неполной
информации о среде // Проблемы механики и управления: Нелинейные
динамические системы, 2003. №35. С. 4-23.
9. Alferov G. V., Malafeyev O. A. The robot control strategy in a domain
with dynamical obstacles // Lecture Notes in Computer Science, 1996. Vol. 1093,
P. 211-217.
10. Герасимов В.Н. Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук «Система навигации сервисного робота в среде с
динамическими препятствиями», 2015.
11. Dissanayake M.W.M.G., Newman P., Clark S., Durrant-Whyte H.F.,
Csorba M. A. Solution to the Simultaneous Localisation and Map Building
(SLAM) Problem // Australian Centre for Field Robotics Department of
Mechanical and Mechatronic Engineering The University of Sydney NSW, 2006.
С 1-14.
12. Московский А.Д., Метод распознавания сцен для задачи навигации
мобильных роботов // II Всероссийский научно-практический семинар
“Беспилотныетранспортныесредствасэлементамиискусственного
интеллекта” (БТС-ИИ-2015). Труды семинара Санкт-Петербург: из-во
“Политехника-сервис”, 2015. С. 66-73.
13. Игнатюк В.А., Ничипоренко С.С. Использование модели сети
дорог с параметрами для прокладки кратчайшего пути для алгоритма
Дейкстры // Территория новых возможностей. Вестник Владивостокского
государственного университета экономики и сервиса, 2009. №3. С. 154-158.
14. Герасимов В.Н., Михайлов Б.Б. Решение задачи управления
движением мобильного робота при наличии динамических препятствий //
Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Приборостроение”, 2012. С. 83-92.
15. Герасимов В.Н. Система управления движением мобильного
роботав среде с динамическими препятствиями // Научно-технические
ведомости СПбГПУ, 2013. №5. С. 94-102.
16. Optimal and efficient path planning for partially-known environments A
Stentz – Robotics and Automation, 1994. P. 3310-3317.
17. И.А. Каляев, А.Р. Гайдук, С.Г. Капустян.И.А. Модели и алгоритмы
коллективного управления в группах роботов — Москва: ФИЗМАТЛИТ,
2009. — 280с.
18. И.А.Каляев,С.Г.Капустян.И.А.,А.Р.Гайдук.
Самоорганизующиесяраспределенныесистемыуправлениягруппами
интеллектуальных роботов, построенные на основе сетевой модели //
Управление большими системами: сборник трудов. Издательство: Институт
Проблем Управления им. В. А. Трапезникова РАН. Г. Москва. 2010. №30-1.
С.605-639.
19. Шаповалов И. О. Распределенная система управления движением
группы крупногабаритных объектов // Известия ЮФУ. Технические науки.
Издательство: Южный федеральный университет. Ростов-на-Дону. №2 (139).
2013. С. 41-46.
20. Шаповалов И. О. Применение групп мобильных роботов в сложных
транспортных задачах // Известия ЮФУ. Технические науки. Издательство:
Южный федеральный университет. Ростов-на-Дону. №2 (127). 2012. C 141-
146.
21. Рыжова Т. П. Диссертация на соискание ученой степени кандидата
технических наук по теме «Система управления коллективом мобильных
роботов». 2013.
22. НазароваА.В.,РыжоваТ.П.Методыиалгоритмы
мультиагентного управления робототехнической системой // Инженерный
журнал: наука и инновации. Издательство: Московский государственный
технический университет имени Н.Э. Баумана. Москва. № 6 (6). 2012. С. 93-
105.
23. Пшихопов В. Х. Групповое управление подвижными объектами в
неопределенных средах // Издательство: «Физматлит». 2015. 305 с.
24. Tucker Balch, Zia Khan and Manuela Veloso. Automatically Tracking
andAnalyzingtheBehaviorofLiveInsectColonies//DOI:
10.1145/375735.376434. 2001.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.2 (25 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
4.7 (46 отзывов)
5 (188 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
5 (44 отзыва)
4.8 (211 отзывов)
4.3 (248 отзывов)
5 (285 отзывов)
