Система управления коллективом мобильных роботов

В настоящее время роботы и робототехнические системы находят широкое применение в областях, связанных с риском для человека, например, в химической и атомной промышленности при техногенных и природных катастрофах и др. Мобильные роботы могут использоваться при решении таких задач, как инспекция и исследование труднодоступных помещений, наблюдение за различными объектами, построение карты загрязнения рабочего пространства и т. п.

Отдельный мобильный робот обладает ограниченными возможностями. У него малый радиус действия и небольшое число выполняемых функций. Поэтому, при решении сложных задач, целесообразным является одновременное применение нескольких роботов, т. е. распределенной робототехнической системы. Преимущества использования группы роботов очевидны. Во-первых, это больший радиус действия, во-вторых, расширенный набор выполняемых функций, и, наконец, более высокая вероятность выполнения задания, достигаемая за счет возможности перераспределения целей между роботами группы в случае выхода из строя некоторых из них [1].

При выполнении поисково-спасательных и ликвидационных операций требуется использовать робототехнические системы (РТС), в состав которых входит множество роботов различной «специализации». При этом должна быть организована их согласованная работа.

Проблемы группового управления и коммуникации, связанные с организацией «коллективного» поведения роботов, в настоящее время решаются с помощью мультиагентного управления [2].

Мультиагентные системы — это системы, состоящие из множества взаимодействующих агентов, коллективно решающих общую задачу. Понятие «агент» включает любые физические или виртуальные единицы, обладающие следующими свойствами [3]:

— коммуникабельность — способность обмениваться информацией с другими агентами;

— целенаправленность — направленность на достижение какой-либо цели;

— наличие ряда выполняемых функций;

— автономность, предполагающая наличие собственных ресурсов (энергетических, вычислительных, информационно-измерительных и т. п.);

— реактивность — способность к восприятию окружающей среды и способность строить частичные представления об этой среде на основе воспринимаемой информации;

— способность к самоорганизации.

Принцип действия мультиагентных систем основывается на декомпозиции общей задачи на ряд более простых задач, возлагаемых на агентов РТС — роботов, распределении этих задач между системами управления (СУ) агентов, планировании коллективного поведения агентов, координации взаимодействия агентов на основе кооперации, реконфигурации, коммуникации и разрешения конфликтных ситуаций [3].

В настоящее время в мире отсутствуют мультиагентные робототехнические системы (МРТС), способные в автономном режиме эффективно решать поисково-спасательные и ликвидационные задачи. Существующие робототехнические комплексы, в состав которых, как правило, входит один мобильный робот, по указанным выше причинам не могут справиться с поставленной задачей.

Таким образом, задача мультиагентного управления коллективом мобильных роботов, автономно функционирующих в условиях химического заражения, является актуальной. Решение данной проблемы направлено на практическую реализацию применения МРТС, что позволит в значительной степени снизить степень опасности при работе в неблагоприятных или опасных условиях.

В настоящее время в России в области мультиагентного управления работают такие известные ученые, как д.т.н., проф. В. И. Городецкий, д.т.н., проф. A.B. Тимофеев (Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН), д.т.н., проф. C.B. Манько, д.т.н., проф. В. М. Лохин (Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики), член-корреспондент РАН H.A. Каляев, д.т.н., проф. С. Г. Капустян (Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных систем им. Академика A.B. Каляева Южного федерального университета, г. Таганрог Ростовской области), к.т.н., доц. И. Е. Бурдун (Новосибирский государственный технический университет). За рубежом наиболее известными специалистами в области мультиагентных систем являются В. Лессер (Массачусетский технологический университет, США), К. Декер (Делаверский университет, США), Ф. Коэн (Орегонский университет здоровья и науки, США), Э. Дерфи (Мичиганский университет, США).

Целью данной диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов мультиагентного и централизованного управления коллективом мобильных роботов, а также построение модульной системы управления МРТС, предназначенной для работы на химически опасных объектах.

Для решения сформулированной научной проблемы в работе поставлены и решены следующие задачи:

— анализ существующих подходов к решению проблемы группового управления мобильными роботами;

— выбор принципа построения МРТС;

— выработка требований к составу МРТС, предназначенной для выполнения поисково-спасательных и ликвидационных операций;

— построение системы управления МРТС;

— разработка алгоритмов мультиагентного и централизованного управления коллективом мобильных роботов;

— разработка алгоритмов формирования траекторий движения роботов;

— построение навигационной системы мобильного робота;

— разработка методов и алгоритмов обработки данных, получаемых роботами при выполнении поисково-спасательных и ликвидационных операций.

В работе используются методы современной теории автоматического управления, бионические алгоритмы, методы группового управления, методы рекуррентной фильтрации Калмана, а также математическое и имитационное моделирование.

Изложение материалов исследований в диссертации построено следующим образом. В первой главе проведен анализ существующих подходов к построению мультиагентных систем, рассмотрены стратегии группового управления роботами и основные виды коллективного поведения агентов. Выявлены недостатки существующих РТС, предназначенных для работы в условиях чрезвычайных ситуаций, и предложены пути усовершенствования таких систем. Выбран принцип построения МРТС, предназначенной для проведения поисково-спасательных и ликвидационных работ, сформированы ее состав и структура системы управления. Очерчен круг задач, решаемых данной робототехнической системой. Кроме того, в первой главе рассмотрены общие принципы организации информационного обмена между отдельными элементами МРТС.

Во второй главе представлены разработанные мультиагентные и централизованные алгоритмы управления коллективом мобильных роботов (алгоритмы глобального планирования): алгоритмы распределения задач в группе роботов (мультиагентный алгоритм основан на модели переговоров «Аукцион») и алгоритм разбиения коллектива роботов на группы. Для проверки работоспособности проведено моделирование предложенных алгоритмов. Рассмотрено их практическое применение при решении коллективом роботов поисково-спасательных и ликвидационных задач на химически опасных объектах.

Третья глава посвящена разработке методов локального планирования — алгоритмов формирования траекторий движения роботов при их перемещении к целевым точкам в среде с препятствиями, а также при равномерном распределении роботов в рабочей зоне. Эти задачи решены с использованием метода, аналогичного известному методу «потенциалов». Проведено исследование устойчивости полученных решений при равномерном распределении роботов. С помощью моделирования проверена работоспособность предложенных алгоритмов. Также в данной главе предложен принцип построения комбинированной навигационной системы, определяющей координаты роботов в рабочей зоне. Проведено исследование точности вычисления координат.

В четвертой главе рассмотрены разработанные методы и алгоритмы обработки информации, получаемой роботами в процессе выполнения заданий: метод построения градиентной картограммы заражения рабочей зоны, алгоритм определения количества и параметров очагов заражения, метод прогнозирования распространения заражения с течением времени в зависимости от состояния окружающей среды, алгоритм построения безопасных маршрутов эвакуации людей из зоны заражения.

Пятая глава содержит материалы, подтверждающие результаты теоретических исследований. Разработан программный пакет, реализующий предложенные алгоритмы централизованного и мультиагентного управления коллективом роботов, алгоритмы формирования траекторий движения роботов, а также методы обработки получаемой роботами информации. В программном комплексе «У-Яер» разработана динамическая модель коллектива мобильных роботов, входящих в состав МРТС. С помощью данной модели проверена работоспособность предложенных алгоритмов локального планирования.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

На защиту выносятся:

— модульный подход к построению системы управления коллективом мобильных роботов;

— мультиагентный алгоритм разбиения коллектива роботов на группы;

— мультиагентный алгоритм распределения задач в группе роботов;

— централизованный алгоритм распределения задач в группе роботов;

— метод определения количества и параметров очагов химического заражения;

— алгоритм построения безопасных маршрутов эвакуации.

Научная новизна. Разработаны новые базовые мультиагентные алгоритмы управления коллективом мобильных роботов: алгоритм распределения задач в группе роботов и алгоритм разделения коллектива роботов на группы. Кроме того, разработаны новые методы обработки сенсорной информации, получаемой роботами в процессе выполнения задач: метод определения параметров очагов заражения и алгоритм построения безопасных маршрутов эвакуации людей из зоны заражения.

Практическая ценность. Разработанные методы и алгоритмы управления коллективом мобильных роботов могут быть применены в ситуациях, опасных для человека. Эти алгоритмы являются универсальными, обеспечивают высокое быстродействие системы. За счет перераспределения заданий и мониторинга текущей ситуации достигается «живучесть» всей МРТС в целом и устойчивость к изменению внешних условий. Модульный подход к построению системы управления и универсальность разработанных методов и алгоритмов позволяют использовать данные принципы в мультиагентных системах различного назначения.

Реализация результатов работы. Материалы диссертации использованы в рамках НИР, проходивших в НУЦ «Робототехника» МГТУ им. Н. Э. Баумана и в ООО «НПИП «Юнит» (акты об использовании результатов диссертационной работы приведены в приложении Г). Создан программный пакет, реализующий разработанные методы и алгоритмы управления коллективом мобильных роботов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научных форумах: 12-й Всероссийской научно-практической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 1 — 3 апреля 2009 г.) — Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Экстремальная Робототехника» (Санкт-Петербург, 12 — 14 октября 2010 г.) — 22-й Международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 23 — 25 ноября 2011 г.) — Российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» (Москва, 16−19 апреля 2012 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 5 публикациях, из них 2 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Основные результаты и выводы.

В настоящее время мультиагентные системы являются одним из наиболее перспективных направлений науки и техники, что обеспечивает их быстрое развитие. МРТС находят свое применение как в военной, так и гражданской отрасли. На сегодня в области мультиагентных систем существует множество проблем и задач, решить которые предстоит в недалеком будущем.

Особенностью данной диссертационной работы является выбор гибридного централизованно-децентрализованного принципа построения МРТС, построение модульной системы управления и разработка универсальных централизованных и мультиагентных алгоритмов глобального и локального планирования.

Гибридный принцип построения МРТС суммирует достоинства централизованной и децентрализованой систем и исключает их недостатки. В гибридных системах задачи глобального и локального планирования распределяются между агентами, что обеспечивает способность к самоорганизации и повышает надежность таких систем. При этом агентам не нужно тратить время и вычислительные ресурсы на обработку полезной информации, поскольку эту задачу решает управляющий центр.

Система управления МРТС, построенная по модульному принципу, является в некоторой степени универсальной. Данная СУ может быть использована в других мультиагентных системах. Для этого достаточно заменить или модифицировать некоторые модули системы, которые являются специализированными. Разработанная СУ может быть использована в РТС, выполняющих радиационную и химическую разведку, осуществляющих наблюдение за какими-либо объектами, ликвидирующих последствия различных аварий и т. п. Таким образом, построенная модульная система управления применима для целого класса мультиагентных разведывательных, поисково-спасательных и антитеррористических робототехнических систем.

В рамках диссертации разработаны базовые мультиагентные и централизованные алгоритмы управления коллективом мобильных роботов. Это алгоритм разбиения коллектива роботов на группы, алгоритмы распределения задач в коллективе роботов и алгоритмы планирования траекторий движения роботов. Все эти методы формализованы таким образом, что являются универсальными. Они применимы для управления мультиагентными робототехническими системами различного назначения.

Для корректной работы всех предложенных алгоритмов управления необходимо регулярно определять положение и ориентацию роботов в абсолютной системе координат, связанной с рабочим пространством. Для выполнения этой задачи построена комбинированная навигационная система, позволяющая вычислять координаты роботов с высокой точностью.

Разработанная МРТС специализируется на химической разведке и ликвидации последствий аварий на химически опасных объектах. В связи с этим разработаны специальные методы обработки сенсорной информации, получаемой роботами-агентами. Эти алгоритмы направлены на выявление очагов химического заражения, прогнозирование дальнейшего распространения заражения в зависимости от погодных условий, поиск безопасных маршрутов эвакуации людей.

Экспериментальные исследования проведены с помощью разработанного программного пакета, реализующего работу предложенных методов и алгоритмов, и комплексной динамической модели коллектива роботов, построенной в ПК «У-Яер». Проведенные исследования подтвердили работоспособность и эффективность методов и алгоритмов, предложенных в данной работе.

В диссертационной работе были получены следующие основные результаты:

— разработана модульная структура системы управления МРТС;

— разработаны новые централизованные и мультиагентные алгоритмы распределения задач в коллективе роботов;

— разработан новый мультиагентный алгоритм разбиения коллектива роботов на группы;

— разработаны алгоритмы локального планирования, основанные на методе, аналогичном методу «потенциалов»: алгоритм формирования траекторий движения роботов при их перемещении к целевым точкам в среде с препятствиями и алгоритм равномерного распределения роботов в рабочей зоне;

— построена комбинированная навигационная система МРТС с использованием фильтра Калмана;

— разработаны методы и алгоритмы обработки информации, получаемой роботами в процессе выполнения задания;

— разработан программный пакет, реализующий работу предложенных методов и алгоритмов управления коллективом роботов и обработки сенсорной информации, получаемой роботами в процессе выполнения задания.

Таким образом, в диссертационной работе решены все поставленные задачи. При этом существует ряд научных и технических проблем, решение которых не входит в рамки данной диссертации. Решение этих задач может служить основой дальнейших исследований в области МРТС.