АВТОМАТИЗОВАНЕ КЕРУВАННЯ РУХОМ МОБІЛЬНОГО БЕЗПІЛОТНОГО РОБОТА НА ОСНОВІ СЦЕНАРІЇВ



КРАВЕЦЬ П.І., Міхно А.О. В докладе описан способ управления поведением мобильных роботов на основе моделирования сценариев. Выбрана среда моделирования (Matlab/Simulink), реализованы сценарии движения робота и групп роботов в различных условиях.

Ключевые слова: мобильный робот, программные средства моделирования, Matlab/Simulink, робототехника, сценарии поведения.

The paper describes a method for modeling the behavior of mobile robots based on scenarios. Modeling environment Matlab/Simulink selected, scenarios of the robot and groups of robots in various condition simplemented.

Keywords: mobile robot simulation software, Matlab/Simulink, robotics, behavior scenarios.

УДК 004.896

Вступ

На даний час значна увага світової наукової спільноти, користувачів та виробників мобільних технологічних роботів приділяється розробці та впровадженню повністю автоматизованих безпілотних варіантів таких роботів. Такі безпілотні мобільні роботи будуть функціонувати в сфері транспортування і переміщення вантажів, гірничодобувній галузі, сільському господарстві та інших галузях.

Для успішного функціонування безпілотних роботів, або їх груп, як правило, необхідно детально організовувати їх робочу зону, в якій можна гарантувати їм безаварійну роботу. Це потребує значних затрат часу та коштів на її організацію та значно зменшує можливості їх роботи в довільних умовах, де можуть виникати незаплановані ситуації.

Виходячи з цього, розробка технології управління рухом безпілотних мобільних роботів, що можуть функціонувати в довільних умовах, потребує проведення ряду досліджень намоделях процесів керування можливими сценаріями поведінки роботів (рух роботів по заданій траєкторії, побудова траєкторії, обминання зарані невідомих перешкод та інше) і розробку на їх основі відповідних програмних засобів для автономного функціонування роботів.

В доповіді представлено ряд алгоритмів керування безпілотними мобільними роботами для розробки родовищ корисних копалин та результати моделювання ряду сценаріїв їх поведінки в довільних умовах.

Сценарії поведінки роботів

Управління рухом мобільного робота та/або групи роботів певного типу, які видобувають корисні копалини, можна звести до декількох основних варіантів.

1) Рух до заданих координат без перешкод - використовується коли по пласкій місцевості рухається єдиний робот (наприклад, бензовоз, який має відвідати декількох видобувних роботів), при цьому по сценарію необхідно обрати найефективніший за довжиною шлях, щоб зекономити паливо та час.

2) Рух до заданих координат з обминанням перешкод - перешкодами можуть бути як недоліки місцевості, так і інші роботи, які стаціонарно працюють на цій ділянці.

3) Скоординований рух групи роботів до заданої точки - в сценаріях роботи мають зберігати відповідну дистанцію один до одного, відповідну швидкість руху роботів в групі (швидкість руху однакова та визначається по найповільнішому).

4) Безпечний рух робота за умови не лише статичних, але й мобільних перешкод, тобто інших роботів, які рухаються по цій же карті. На практиці ця ситуація зустрічається найчастіше.

Всі сценарії повинні описувати рух не лише за ідеальних умов, але і в нештатних ситуаціях, таких як:

- гальмування, щоб обминути або пропустити робота, який наблизився;

- зупинку, якщо перешкоду неможливо обминути (наприклад, дорога вже зайнята), а потім вибрати новий напрямок руху.

Моделювання та реалізація сценаріїв

Для моделювання та реалізації описаних сценаріїв в [1] розроблено узагальнену модель безпілотних роботів для відкритої розробки родовищ корисних копалин та описано задачі, які реалізуються при автоматичному управлінні ними індивідуально або групами. Узагальнена модель дозволяє шляхом вибору ряду її властивостей конкретизуватись в ту чи іншу модель конкретного робота, наприклад, робота-навантажувача, або робота-транспортника.Для кожної моделі конкретного робота реалізуються сценарії його функціонування та транспортного руху (для робота-транспортника – лише транспортного руху).

Вказані вище сценарії реалізується шляхом побудови програмного руху складових частин моделі конкретного робота на карті робочої зони, а моделювання сценаріїв – на відповідних програмних середовищах.

Із цілого ряду відомих інструментальних програмних середовищ (TeamBots, Simbad, Open Dynamics Engine, Gazebo, Microsoft RoboticsDeveloper Studio, Matlab/Simulink [2]) найбільш підходящим для створення сценаріїв управління роботами є Matlab/Simulink. Це програмне середовище має широкий набір функцій для моделювання кінематики та динаміки робота [3], інтегрується з системами типу SolidWorks для створення 3D-візуалізації середовища та робота, дозволяє зімітувати віртуальні датчики. Для наземних мобільних роботів має стандартні алгоритми планування шляху (за помилкою, відстанню перетворення, D*, PRM), планування кінематики та динаміки (РРТ), локалізації (EKF, фільтр частинок), карти будівель, локалізаціїі відображення (EKF).

В доповіді приведені результати моделювання в середовищі Matlab/Simulink перерахованих вище сценаріїв для моделі колісного робота. Найкоротший шлях на карті з перешкодами та без них обирається за допомогою модифікованого генетичного алгоритму (в [4] доведено, що для задачі планування траєкторії руху безпілотного транспортного засобу найефективнішим є саме такий алгоритм).

Моделювання доводить, що такі сценарії дійсно дозволяють роботам рухатись до заданих координат, уникаючи зіткнень з перешкодами, а розроблені алгоритми реалізації сценаріїв транспортного руху можуть бути перенесені на роботів з іншими фізичними властивостями.

Висновки

Функціонування та транспортний рух безпілотних мобільних роботів та їх груп зручно описати та моделювати у вигляді сценаріїв, які охоплюють всі можливі ситуації їх поведінки.

Для моделювання сценаріївта перевірки ефективності стратегій та алгоритмів керування роботами доцільно використовувати спеціалізоване програмне середовище Matlab/Simulink, яке має деякі вже реалізовані моделі та алгоритми і дозволяє перенести рішення на реального робота.

Перелік посилань

  1. Міхно А.О. Узагальнена модель системи керування безпілотних роботів для відкритої розробки родовищ корисних копалин [Текст] / А.О. Міхно, П.І. Кравець // Збірник матеріалів науково – практичної конференції «Сучасні інформаційні технології 2015». –Одеса, 2015.– С. 185 –186.

  2. Левтеров А. А. Системы моделирования алгоритмов поведения и движения автономных мобильных роботов / А.А. Левтеров, Ю. А. Нечитайло // Технология приборостроения. - 2014. - № Спец.вып. – С. 73-75.

  3. Corke Peter Robotics, Vision and Control: Fundamental Algorithms in MATLAB. – Berlin: Springer, 2011. – 561 P.

  4. Яковлев К.С. Об одной проблеме, возникающей при планировании траектории на плоскости [Текст] / К.С. Яковлев, В.Ю. Сарафанов, И.В.Храмоин //Тринадцатая национальная конференция по искусственному интеллекту с международным участием КИИ-2012: Труды конференции. Т. 3. – Белгород: БГТУ, 2012.– С. 256-267.
Jun 16, 2016