автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Программно-алгоритмическое обеспечение интеллектуальных систем управления автономными мобильными роботами

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫМИ РОБОТАМИ.

1.1. Назначение и область применения интеллектуальных мобильных робототехнических систем.

1.2.Примеры интеллектуальных мобильных роботов.

1.3.Структура и особенности построения интеллектуальных систем управления мобильными роботами.

1 АПостановка задачи.

1.5.Выводы.

2. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ С ВИЗУАЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ.

2.1.Структура и назначение основных элементов информационно-измерительной системы интеллектуальных мобильных роботов.

2.2.Разработка алгоритма цифровой коррекции аберрации объекта телекамеры.

2.3.Разработка алгоритмов оценки расстояния до препятствий и формирования локальной карты местности на основе «принципа ровного пола».

2.4.Разработка алгоритмов визуальной обратной связи.

2.5.Разработка системы распознавания образов среды для интеллектуальных мобильных роботов.

2.6.Разработка алгоритмов системы обобщения сенсорной информации.

2.7.Выводы 2-й главы.

3. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ.

3.1. Организация нечеткого логического вывода в задачах интеллектуального управления.

3.2.Синтез алгоритма управления движением интеллектуальных мобильных роботов на основе фаззификации локальной карты местности.

3.3.Синтез алгоритма управления движением интеллектуальных мобильных роботов на основе технологии нечеткой логики с помощью определения опасности направлений перемещения.

3.4,Организация двухуровневой системы управления движением интеллектуального мобильного робота на примере беспилотного летательного аппарата.

3.5.Разработка алгоритмов автоматической посадки БЛА с применением технологии нечеткой логики.

3.6.Выводы 3-й главы.

4. АЛГОРИТМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ РОБОТА НА ОСНОВЕ КОМАНД ОПЕРАТОРА.

4.1.Назначение, решаемые задачи и требования к системе управления поведением.

4.2.Разработка системы планирования поведения на основе команд оператора с использованием фреймообразных структур.

4.3.Пример настройки базы знаний системы управления поведением интеллектуального мобильного робота на основе команд оператора.

4.4.Выводы 4-й главы.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ МОБИЛЬНЫМИ РОБОТАМИ.

5.1. Аппаратно-программные средства для проведения экспериментальных исследований.

5.2.Экспериментальные исследования разработанных алгоритмов визуального очувствления.

5.3.Экспериментальные исследования разработанных алгоритмов управления движением ИМР.

5.4.Экспериментальные исследования разработанных алгоритмов управления поведением интеллектуального мобильного робота.

Развитие современной робототехники начинает стремительно охватывать принципиально новые прикладные области, связанные с проведением работ в неопределенных и экстремальных условиях - от космических и глубоководных исследований, обслуживания атомных станций, ликвидации последствий техногенных аварий и катастроф, борьбы с терроризмом и использования в интересах вооруженных сил, полицейских и других спецподразделений, до выполнения сложнейших медицинских операций, автоматизации коммунально-хозяйственной сферы, организации быта и досуга. Значительным толчком к созданию дистанционно-управляемых и автономных роботов стали чернобыльская авария (1986 г.) и авария на подводной лодке «Курск» (2000 г.), террористические акты в Чечне и ряде городов России. Кроме того, выполнение поисково-спасательных работ, решение задач мониторинга окружающей среды, оперативного контроля аварийных ситуаций на нефте-и газо- проводах, линиях электропередач и других объектах большой протяженности вызывают значительный интерес к созданию беспилотных малогабаритных летательных аппаратов с дистанционным и автономным управлением.

Необходимость создания автоматических систем, способных обеспечить выполнение требуемых функций в неполнозаданной (или неопределенной) среде, вызвала резкую активизацию поисковых исследований по прикладному использованию методов и технологий искусственного интеллекта в задачах робототехники вообще, и при создании систем управления автономных мобильных роботов и беспилотных летательных аппаратов, в частности.

В настоящее время достаточно широкое распространение получили дистанционно-управляемые мобильные роботы, используемые войсками

МЧС. Ключевые проблемы применения дистанционно-управляемых мобильных роботов связаны с ненадежностью и узкой полосой пропускания каналов связи, а также сложностью работы оператора, осуществляющего контроль и управление объектом только по показаниям измерительных приборов.

Поэтому возникает потребность создания автономных мобильных роботов, способных обеспечить выполнение поставленной задачи на основе макрокоманд оператора без использования терминального управления.

Высокая степень автономности определяет необходимость адаптации роботов к динамически изменяемой среде функционирования. Такие роботы должны самостоятельно принимать решения в сложной и заранее неопределенной обстановке. Поэтому автономные роботы должны обладать интеллектуальной системой управления.

Цель данной диссертационной работы заключается в разработке принципов построения, а также алгоритмического и программного обеспечения интеллектуальной системы управления мобильного робота, действующего в неопределенных условиях.

Научная новизна диссертационной работы связана с разработкой принципов построения, алгоритмического и программного обеспечения для управления автономными мобильными роботами в режиме реального времени с учетом ограничений на измерительные и вычислительные ресурсы бортовых средств:

- программно-алгоритмических средств обработки изображений с бортовой телекамеры для построения локальной карты местности с указанием дальности до обнаруженных объектов и их типа в целях автоматического формирования последовательности действий робота в условиях априорной неопределенности среды функционирования;

- программно-алгоритмических средств визуальной обратной связи для определения азимутальных координат робота в целях обеспечения режимов обхода препятствий; принципов построения и программно-алгоритмического обеспечения системы управления целенаправленным движением мобильного робота в среде с препятствиями на основе применения технологии нечеткой логики; принципов построения и программно-алгоритмического обеспечения системы ввода и смысловой обработки естественно-языковых команд оператора с автоматическим формированием управляющей последовательности действий робота на основе применения технологии фреймообразных структур.

Практическая ценность диссертационной работы связана с разработкой программного обеспечения для интеллектуальных систем управления автономными мобильными роботами, а также для моделирования режимов автономного полета и посадки малогабаритных беспилотных летательных аппаратов. Полученные результаты были апробированы на примере экспериментального образца автономного мобильного мини-робота с интеллектуальной системой управления, обеспечивающей выполнение широкого набора целесообразных действий на основе обработки естественно-языковых команд оператора:

- автоматический выход в заданную точку в априорно-неизвестной среде с препятствиями;

- автоматический поиск и распознавание заданных объектов рабочей сцены;

- автоматическое формирование и выполнение сценариев поведения по реализации сложных технологических операций.

Основные результаты диссертации можно сформулировать следующим образом:

1. Проведен обзор существующих мобильных роботов и их систем управления и рассмотрены проблемы, стоящие перед разработчиками интеллектуальных систем управления такими объектами.

2. Обоснована перспективность использования иерархического принципа в сочетании с технологией нечеткой логики для построения интеллектуальных систем управления автономными роботами, включая транспортные мини-роботы и беспилотные летательные аппараты.

3. Для однокамерной системы технического зрения, использующей алгоритмы обработки видеоизображения, коррекции аберрации объектива телекамеры и оценки расстояния до препятствий по статическому изображению, решены следующие задачи:

- обеспечение визуальной обратной связи для определения азимутальных координат робота;

- формирование локальной карты местности;

- определение параметров движения робота;

- распознавание объектов среды.

4. Разработаны два способа построения системы управления движением интеллектуального мобильного робота в среде с препятствиями на базе технологии нечеткой логики:

- на основе фаззификации локальной карты местности;

- на основе определения опасности направлений перемещения.

5. Предложена двухуровневая система управления движением мобильных роботов - верхний уровень решает задачи планирования глобального перемещения, а нижний уровень отвечает за обход локальных препятствий. Эффективность этого подхода была продемонстрирована на примере мини-летательного аппарата.

6. Разработаны принципы реализации автоматической посадки минилетательного аппарата на неподготовленную посадочную полосу с применением системы технического зрения и нечеткой логики.

7. Разработана система планирования поведения интеллектуального робота на основе ведения диалога с пользователем на естественном языке.

8. Разработан ряд моделирующих программных комплексов, позволяющих провести апробацию разработанных алгоритмов:

• программный комплекс для моделирования полета минилетательного аппарата (программный комплекс «Малышка»);

• программный комплекс для моделирования посадки минилетательного аппарата (программный комплекс «Landing»);

• программный комплекс для моделирования мобильных роботов с нечеткой системой управления на базе фаззификации локальной карты местности.

9. Разработан экспериментальный образец интеллектуального мобильного робота на основе радиоуправляемого робота-игрушки. Робот дооснащен телекамерой и двухуровневой интеллектуальной системой управления, построенной на базе технологии нечеткой логики и включающей в себя систему управления поведением, систему управления движением и информационно-измерительную систему. На базе этого робота был проведен ряд экспериментов, показывающих эффективность разработанных алгоритмов и соответствующего программного обеспечения.

Результаты диссертации использовались при выполнении ряда НИР:

• НИР № 1098/К-197 "Поисковые исследования новых принципов построения систем управления микролетательных аппаратов военного назначения на основе отечественных достижений в области мехатроники" (Шифр "Малышка-бФ") по заказу Секции прикладных проблем при Президиуме РАН. Была предложена трехуровневая система управления полетом минилетательного аппарата на базе технологии нечеткой логики, разработаны алгоритмы работы отдельных подсистем, разработан моделирующий программный комплекс для проведения экспериментальных исследований.

• НИР № 15032/К-8 «Теоретические и экспериментальные исследования по созданию высокоэффективных систем управления дистанционно-пилотируемых летательных аппаратов на основе систем искусственного интеллекта» (Шифр «Бластер») по заказу военно-научного комитета ВВС. Были предложены алгоритмы для организации посадки беспилотного летательного аппарата на основе технологии нечеткой логики, работающие совместно с системой технического зрения. Был разработан моделирующий программный комплекс для проведения экспериментальных исследований.

• НИР № К-200 «Исследование технических путей построения интеллектуальных систем управления робототехнических комплексов ВВТ на базе технологий экспертных и нейроподобных систем» (Шифр «Рефлекс») по заказу НИИСМ при МГТУ им. Н.Э. Баумана. Были предложены алгоритмы интеллектуальной системы управления движением безэкипажным робототехническим комплексом ВВТ, а также был разработан моделирующий программный комплекс для проведения экспериментальных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы создания интеллектуальных систем управления автономными мобильными роботами. В этих аппаратах остро нуждаются многие отрасли народного хозяйства и, поэтому, работы по их созданию ведутся во многих странах мира. В последние годы большой интерес проявляется к мини- и микро- роботам.

Большинство специалистов, как у нас в стране, так и за рубежом сходятся во мнении, что узловой проблемой создания автономных роботов является система управления. Классические технологии управления не обеспечивают решения всей совокупности возникающих задач.

1. В.М. Лохин, В.В. Макаров3 М.П. Романов. Адаптивное управление на базе технологии ассоциативной памяти / Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина -М.: Физматпит, 2001.

2. В.М. Лохин, С.В. Манъко. Автоматизация проектирования моделирования и программирования интеллектуальных роботов / Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина-М.: Физматпит, 2001.

3. И.М. Макаров, В.М. Лохин, С.В. Манъко, М.П. Романов. Особенности нечеткого логического вывода в задачах управления динамическими объектами / Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина М.: Физматпит, 2001.

4. В.М. Лохин, С.В. Манъко. Организация процессов самообучения в интеллектуальных системах управления роботами / Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина -М.: Физматпит, 2001.

5. В.М. Лохин, В.Н. Захаров. Интеллектуальные системы управления: понятия, определения, принципы построения / Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина-М.: Физматпит, 2001.

6. Т.Н. Лебедев, А.В. Кузин, М.В. Лебедев. Выбор стратегии поведения и альтернативной тактики в интеллектуальной системе управления полетом / Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина М.: Физматпит, 2001.

7. Каляев И.А., Гайдук А.Р. Принципы построения систем планирования поведением интеллектуальных роботов на базе однородных нейроподобных структур // Материалы VIII конференции «Экстремальная робототехника». СПб.: СПбГТУ, 1997. - С. 14-23.

8. Каляев А.В. Чернухин Ю.В. Носков В.Н., Каляев И.А. Однородные управляющие структуры адаптивных роботов. М.: Наука, 1990.

9. Прикладные нечеткие системы / Под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугэно. М.: Мир, 1993.

10. Динамика управления роботами / Под ред. Е.И. Юревича. М.: Науча, 1984.

11. Лохин В.М., Макаров И.М., Манъко С.В., Романов М.П. Методические основы аналитического конструирования регуляторов нечеткого управления. // Известия РАН. Теория и системы управления, № 1, 2000.

12. А.Бочаров Л.Ю., Мальцев П.П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом // Микросистемная техника. 1999.-№1.-С. 41-46.

13. Малъцев П.П., Пономарев К.М., Толчеев В. О., Чистяков В.М. Интеллектуальные микроробототехнические агенты и многоагентные системы // Микросистемная техника. 2000. - №4- С. 9-12.

14. Юревич Е.И. Анализ потребности Вооруженных сил России в средствах робототехники // Материалы VII конференции «Экстремальная робототехника», СПб.: СПбГТУ, 1996.

15. Х1.С.Ф. Бурдаков, Р.Э. Стелъмаков. Диагностика проскальзывания колес при управлении движением мобильного робота на скользкой поверхности / Тезисы докладов 10-ой научно-техническая конференция "Экстремальная робототехника", СПб.: СПбГТУ, 1999.

16. Федосеев Е. Военная авиация в начале XXI века // Мир авионики. -1999. -№6.-С. 6-8.23 .Лакома Н.А. Робототехника для экстремальных сред // Робототехника: новый этап развития. — М.: Наука, 1993.

17. Fuzzystudio. WARP-SDT. Software Development Tool. User Manual. / SGS-THOMSON Microelectronics, Italy, 1994.

18. Искусственный интеллект. В 3-х кн. Кн. 2. Модели и методы: Справочник. / Под ред. Д.А. Поспелова. - М.: Радио и связь, 1990.

19. Кандрагиина Е.Ю., Литеинцева Л.В., Поспелов Д.А. Представление знаний о времени и пространстве в интеллектуальных системах / Под ред. Д.А. Поспелова. М.: Наука, 1989.

20. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Поспелова Д.А. М.: Наука, 1986.28Танин С. М., Карпенко А.В., Колногоров В.В., Петров Г. Ф. Беспилотные летательные аппараты. С.-Петербург: Невский бастион, 1999.

21. Рубцов КВ., Нестеров В.Е., Рубцов В.И. Современная зарубежная военная микро- и мини-робототехника. // Микросистемная техника, №3, 2000.

22. Сдобняков С.А., Большаков А.А., Рубцов ИВ. Пьезоэлектрические двигатели на бегущей волне: принцип действия и конструктивные особенности (аналитический обзор) / Журнал «Мехатроника», № 6, 2002.

23. Серебренный В.В., Котиев Г.О., Рубцов И.В., Гавринин Н.О., Большакова И.К. Исследование характеристик криволинейного движения мобильного робототехнического комплекса / Журнал «Мехатроника», № 4, 2002.

24. Orson Sutherland, Harley Truong, Sebastien Rougeaux and Alexander Zelinsky. Advancing Active Vision Systems by Improved Design and Control // The Australian National University. Canberra, ACT 0200 Australia (http://syseng.anu.edu.au/rsl).

25. AIBO Master Studio. User's manual, 2001

26. Honda Robot: Specifications // http://world.honda.com/robot/specifications/.

27. Trilobite. // http://trilobite.ru/.

28. Робот-пылесос: явился не запылился // Membrana: научно-популярный интернет журнал. 10.01.2002 /http://www.membrana.ru/articles/technic/2002/01/10/190800.html.

29. GPSHome.ru / http://www.gpshome.ru/allaboutgps/articles/whatis.shtml.

30. Н.Ю. Лысое. Разработка и исследование интеллектуальных регуляторов быстродействующих следящих систем / Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина -М.: Физматпит, 2001.

31. Еремин ДМ. Самообучающаяся система управления на основе нейронных сетей / Под ред. И.М.Макарова, В.М. Лохина М.: Физматпит, 2001.

32. Теория автоматического управления. Т. 1 / Под ред. А.А. Воронова. -М.: Высшая школа, 1986.

33. В.А. Ильин, В.С.Кириченко. Планирование траекторий и управление подвижными роботами в условиях неполной информации о препятствиях//10-я научно-техническая конференция "Экстремальная робототехника". Сборник тезисов докладов, 1999.

34. ЬЪ.В.А. Ильин, А.И. Коваленко. Алгоритмы планирования действий интеллектуальных роботов при неполной информации о среде // 10-я научно-техническая конференция "Экстремальная робототехника". Сборник тезисов докладов, 1999.

35. Гимельфарб Г.Л., Григоренко М.В. Алгоритмы бинокулярного и тринокулярного вычислительного стереозрения // Сб. ст. Системы технического зрения, Ижевск, 1991, С.39-46.

36. Розенфелъд А. Распознавание и обработка изображений с помощью вычислительных машин. Пер. с анг. М.: Мир, 1972. 230 с.

37. Анисимов Б.В., Курганов В.Д., Злобин В.К Распознавание и цифровая обработка изображений. М.: Высшая школа, 1983. 295 с

38. Лупичев Л.Н., Парфенов А.П., Шаманов И.В. и др. Принципы построения систем технического зрения транспортных роботов // Тез. докл. IX Всесоюзного совещ. по проблемам управления, Ереван, 1983, С.226-227.

39. Лупичев Л.Н., Шаманов И.В., ГурвичП.М. Способ автоматического определения координат точек наблюдаемых объектов. Авт. свидетельство N921307 // Открытия и изобретения. -М.: 1983.Бюлл.М29.

40. Кутузов А.Н., Машков К.Ю., Наумов В.Н., Рубцов КВ., Челышев В.А. Многофункциональный мобильный комплекс для отработки перспективных технологий военной робототехники. / Оборонная техника, № 1-2, 2000.

41. Медведев B.C., Лесков А.Г., Ющенко А.С. Системы управления манипуляционных роботов. М.: Наука, 1978.

42. Юревич Е.И. Основы робототехники. JL: Машиностроение, 1985.

43. Гил Ф., МюрейУ. Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985.-509 с.

44. Горбат А.Н. Обучение нейронных сетей. М.: СП Параграф, 1990. -160 с.

45. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к понятию приближенных решений. М.: Мир. 1976.61 .Беллман Р., Заде Л. Принятие решений в расплывчатых условиях. // Вопросы анализа и процедуры принятия решений. М.: Мир, 1976.

46. Э.Д. Тамицкий, В.А. Горбатое. Учебная книга по фотографии. / Учеб. пособие для сред. проф.-техн. училищ. / М.: Легкая индустрия, 1977.

47. Каримов А., Ильин В. Беспилотные летательные аппараты авиация шестого поколения. / Мир авионики, №3, 2002.

48. Мельчук И.А. Опыт теории лингвистических моделей «Смысл-Текст».// М, 1974.

49. Времяимпульсные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова -М.: Физматпит, 1997.

50. А.Лестев A.M., Попова ИВ., Евстифеев М.И., Пятышев Е.Н., Лурье М.С.,

51. Семенов А.А. Особенности микромеханических гироскопов. // Микросистемная техника, №4, 2000.

52. Пьезоэлектрические гироскопы ENV-05F-03, ENC-03J фирмы muRata / ПЛАТАН, ОСЕНЬ 2002, Каталог. 2002. - 280 с.

53. Макаров ИМ., Лохин В.М., Манько С.В., Романов М.П., Белькович А.А., Гарцеев ИБ., Евстигнеев Д.В., Киор С.В. Система дистанционного обучения по робототехнике и мехатронике: особенности построения и примеры реализации. / Журнал «Мехатроника», № 1, 2002.

54. Ландсберг Г. С, Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Фриш С. Э., Тиморева А. В., Курс общей физики, 7 изд., т. 3, М., 1962.

55. Хорн Б.К.П. Зрение роботов: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 487 е., ил.

56. Фу К, Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. -624 е., ил.

57. Справочник по промышленной робототехнике: В 2-х кн. Кн. 1 /Под ред. III. Нофа; Пер. с англ. Д.Ф. Миронова и др. Машиностроение, 1989. -480 е.: ил.

58. Ю.Тягунов О.А., Мосяков Д.Е. Моделирование роботов. Уч. Пособие. М.: МИРЭА, 1997.-84 с.

59. Турбо Паскаль (в 3-х книгах). Книга 1. Основы Турбо Паскаля. -М.: Учебно-инженерный центр «МВТУ-ФЕСТО ДИДАКТИК», 1992. -304 е., ил.

60. Виноград Т., Программа, понимающая естественный язык. М.: Мир 1976.