Методы построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде

Актуальность проблемы. Мобильные роботы находят все более широкое применение для выполнения различных задач в условиях, когда присутствие человека в зоне их работы или невозможно по соображениям безопасности, либо же нежелательно из-за ограничения производительности обслуживаемого ими технологического оборудования. В виду своей оперативности мобильные роботы широко используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека, особенно в. военных и промышленных областях, а также, например, при исследовании других планет. Планирование перемещения мобильного робота является важнейшей проблемой функционирования автономных робототехнических систем. и одной из наиболее активно исследуемых областей современного научно-практического знания. Решение задачи планирования’перемещения-робота охватывает вопросы, связанные с такиминаучными областями, как искусственный1 интеллект, вычислительная геометрия, компьютерное моделирование и теория автоматического управления: Автоматизация процесса планирования* перемещения^ прш минимизации • затрат времени на подготовительно-заключительные операциии ускорении процесса переключения робота с одного производственного заданияна* другое, является основой’для организации гибкого производства.

Целью планирования1 перемещения мобильного робота является обеспечение желаемой траекторию его движения, робота, когда он следует по планируемому пути в соответствии с управляющими воздействиями. Большинство исследований, посвященных проблеме планирования перемещения робота без столкновения с препятствиями! на его пути на основе применения" нейронных сетей и нечеткой логики, проводились в условиях известной окружающей среды. Решение рассматриваемой проблемы с помощью нечеткой логики является общепризнанным, так как в этом случае механизм принятия решения' всегда позволяет генерировать ответные движения робота, вызванные появлением препятствия на его пути. 5.

В свою очередь, эффективность использования в рамках данной проблемы нейронных сетей в основном зависит от степени обученности конкретной сети, тогда как самая простейшая модель нечеткой логики вырабатывает требуемый выходной сигнал без какого-либо обучения. Дальнейший поиск решения задачи планирования перемещения робота в режиме реального времени в неизвестной среде с использованием нечеткой логики реализуется посредством применения нейронной сети, обученной правилам нечеткой логики. В этом случае комбинированная нейро-нечеткая система способна более эффективно обучаться и решать проблемы, связанные с нелинейными' системами. Это отражено лишь в небольшом количестве научных работ. Таким образом, решение этих проблем является весьма актуальной научно-технической проблемой.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным¦ программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления' ЮРГТУ (НПИ) «Теория^ и принципы создания робототехнических и мехатронных системи комплексов», соответствует госбюджетной теме П. 3.837 «Разработка-принципов и средств автоматизации и роботизации производства на основе мехатронных технологий и систем» (2004;2008 гг.) и П. 3.865 «Разработка теории и принципов построения интеллектуальных мехатронных и робототехнических систем» (2009;2013 гг.).

Целью исследований является разработка методов построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота, обеспечивающих выполнение им планируемойи уточняемой-непосредственно в процессе движения безопасной траектории в окружающей' среде с неизвестными препятствиями.

Достижение поставленной цели требует решения следующих исследовательских задач:

— анализ современных концепций и методов разработки систем планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде;

— разработка интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной статической среде и выполнение ее моделирования;

— разработка интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной динамической среде и моделирование полученной системы;

— проведение экспериментальных исследований интеллектуальной системы оперативного управления перемещением мобильного робота в неизвестной среде.

Идея работы заключается в разработке методов построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде на базе применения аппарата мультиагентов, нечеткой логики и искусственных нейронных сетей, обеспечивающих выполнение им планируемой и уточняемой непосредственно в процессе движения безопасной траектории в окружающей среде с неизвестными препятствиями.

В качестве методов исследования использованы методы математического моделирования, аналитической геометрии, кинематического и динамического анализа, нечеткой логики, нейронных сетей, робототехники, мехатроники, дискретного интегрирования и прикладного программирования. Аналитические исследования проведены на ЭВМ, а экспериментальные — с использованием модели мобильного робота.

Научные положения, выносимые на защиту:

— метод построения интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной статической среде с помощью аппарата мультиагентов, включающий создание четырех агентов: обхода препятствий, слежения по стене, движения к цели, управления скоростью и соответствующих им нечетких блоков;

— метод построения модели нейронных сетей для классификации окружающей среды на агенты и последовательности переключения между ними, отражающий все возможные местоположения препятствий, возникающих на пути роботаметод построения интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной динамической среде с помощью аппарата мультиагентов, включающий комбинацию нейронных сетей и нечетких блоковс целью обеспечения перемещения мобильного робота без столкновений с препятствиямиметод построения алгоритма оперативного управления перемещением мобильного робота в неизвестной среде с помощью аппарата мультиагентов на базе разработанной интеллектуальной системы.

Научная новизна работы состоит в разработке: метода построения интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной статической среде с помощью аппарата мультиагентов, отличающегося использованием нечетких блоков, соответствующих каждому из> агентов, и локализацией решения задачи планированияперемещения робота в каждой возникающей конкретной ситуации, позволяющего повысить точность и-эффективность планирования перемещенияметода построения* модели нейронных сетей для классификации окружающей среды на агенты и последовательности переключения между ними, на базе разработанной классификационной таблицы, позволяющей сократить количество подлежащих распознаванию ситуаций неизвестной средыметода построения интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной динамической среде с помощью аппарата мультиагентов, включающего комбинацию нейронных сетей и нечетких блоков, отличающегося использованием модели нейронных сетей для классификации окружающей среды, с целью обеспечения перемещения мобильного робота без столкновений с препятствиями.

Обоснованность и достоверность результатов* подтверждается корректным использованием фундаментальных законов физики, теории1 автоматического управления, моделирования, выполненными' с использованием современных ЭВМ и программных пакетов для проведения расчетов и обработки результатов экспериментовприменением современных апробированных методов исследованийудовлетворительной сходимостью результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования.

Значение работы. Научное значение работысостоит в развитии и совершенствовании методов построения интеллектуальных систем, основанных на сочетании возможностей нечеткой^ логики и искусственных нейронных сетей и реализующих процессы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде.

Практическое значение полученных в работе результатов заключается в разработке:

— метода построения интеллектуальной1 системы планирования перемещения" мобильного робота в неизвестной среде с помощью аппарата мультиагентов, позволяющего эффективно" решать проблему использования роботов в ситуациях отсутствия информации об окружающей среде, обеспечивая их безопасное перемещение по траектории, свободной от столкновений с неизвестными? препятствиями;

— метода построения алгоритма оперативного управления перемещением мобильного робота в неизвестной среде с помощью аппарата мультиагентов на базе разработанной интеллектуальной* системы, обеспечивающего своевременную реакцию робота на появляющиеся на его пути непредвиденные препятствия;

— пакета программ, обеспечивающих возможность моделирования окружающей среды движения мобильного робота в условиях вероятности 9 появления на его пути неизвестных препятствий, а также функционирования интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде, применяемых в различных сферах производства, при проведении научных исследований и в учебном процессе.

Внедрение результатов диссертационного исследования.

Разработанные методы построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде внедрены в ООО «ПК «НЭВЗ» (г. Новочеркасск Ростовской обл.). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника» ЮРГТУ (НПИ) для студентов специальности 22 040 265 «Роботы и робототехнические системы» и 22 040 165 «Мехатроника».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы излагались в научных статьях и докладывались на международной научно-технической конференции «Проблемы мехатроники 2006» (Новочеркасск, 2006 г.), международной научно-практической конференции «Мехатроники 2008» (Новочеркасск, 2008 г.), 2-й Российской мультиконференции по проблемам управления (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», 2008), 58-й научной конференции ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2009 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе в 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Общий объем работы составляет 123 страниц машинописного текста, содержит 60 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 79 наименований.

4.4 Выводы.

В результате выполненного экспериментального исследования мехатронной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде можно сделать следующие выводы.

1. Проверенные на практике теоретически разработанные системы оперативного управления перемещением мобильного робота в неизвестной среде подтвердили эффективность своего функционирования. Для проведения исследования спроектирована экспериментальная схема, состоящая из лабораторной модели трехколесного мобильного робота, оснащенного семью ультразвуковыми датчиками расстояния типа Devantech SRF04. Карты ввода-вывода соединены с ПК через параллельный порт. Алгоритм оперативного управления разработан в оболочке Microsoft Visual С++, функционирующей в операционной системе Windows. Выходы этого алгоритма — управляющие команды изменения положения платформы мобильного робота, непосредственно поступающие через последовательный порт на их серводвигатели и позволяющие роботу перемещаться по «безопасной» траектории.

2. Проведенные в условиях неизвестной среды практические эксперименты, когда на пути мобильного робота в произвольных и заранее для него неизвестных местах размещались некоторые препятствия, показали, что робот успешно избежал столкновения с ними.

3. Совершенствование экспериментальной базы исследования заключается, во-первых, в использовании большего количества датчиков с более высокой скоростью и точностью измерения расстояния, что позволит снизить соответствующие временные затратыво-вторых, в добавлении в структуре интерфейсной карты ввода-вывода более быстродействующего микроконтроллера и использовании более совершенного языка программированияв-третьих, в применении электронного компаса для корректирования ошибки направления. Это также приводит к повышению быстродействия и точности мехатронной системы.

4. Расхождение теоретических и практических результатов в точности достижения цели объясняется погрешностью измерений используемых датчиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основании теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача разработки методов построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде. В ходе выполнения работы получены следующие результаты, имеющие как научное, так и практическое значение:

1. Научно обоснована необходимость разработки методов построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота с помощью аппарата мультиагентов на основе нечеткого механизма принятия решения, искусственных нейронных сетей и их комбинации, с целью повышения эффективности функционирования робототехнических систем в условиях отсутствия информации об окружающей среде и без непосредственного участия человека-оператора.

2. Предложен метод построения интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной статической среде с помощью аппарата мультиагентов, отличающийся использованием нечетких блоков, соответствующих каждому из агентов, и локализацией решения задачи планирования перемещения робота в каждой возникающей конкретной ситуации, позволяющий повысить точность и эффективность планирования перемещения.

3. Предложен метод построения модели нейронных сетей для классификации окружающей среды на агенты и последовательности переключения между ними, отражающий все возможные местоположения препятствий, возникающих на пути перемещения робота, на базе разработанной классификационной таблицы, позволяющий сократить количество подлежащих распознаванию ситуаций неизвестной среды.

4. Разработан метод построения интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной динамической среде с помощью аппарата мультиагентов, включающий комбинацию нейронных сетей и нечетких блоков, отличающийся использованием модели нейронных сетей для классификации окружающей среды, с целью обеспечения перемещения мобильного робота без столкновений с препятствиями.

5. Разработана интеллектуальная система планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде с помощью аппарата мультиагентов, позволяющая эффективно решать проблему использования робототехнических систем в ситуациях отсутствия информации об окружающей среде, обеспечивая их безопасное перемещение по траектории, свободной от столкновений с неизвестными препятствиями.

6. Предложен метод построения алгоритма оперативного управления перемещением мобильного робота в неизвестной среде с помощью аппарата мультиагентов на базе разработанной интеллектуальной системы, обеспечивающий своевременную реакцию робота на появляющиеся на его пути непредвиденные препятствия.

7. Разработан пакет программ, обеспечивающих возможность моделирования окружающей среды движения мобильного робота в условиях вероятности появления на его пути неизвестных препятствий, а также моделирования функционирования интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде, применяемых в различных сферах производства, при проведении научных исследований и в учебном процессе.