Направление 1.Транспортноеистроительноемашиностроение

УДК 621.865.8.005:681

СИСТЕМЫ ГРУППОВОГО УПРАВЛЕНИЯ РОБОТАМИ

П.А. Непомнящая, студентка гр. ТГВб-15П1;

П.С. Цветаев, студент гр. ТГВб-15П1

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)», Омск, Россия

СибАДИАннотация. Представлен системный обзор общих проблем и частных задач теории и практики создан я с стем группового управления роботами. Показаны основные пути их решения, предложены направления и содержание дальнейших научных исследований, организационных мер по совершенствованию и развитию теоретических основ группового управления роботами при выполнении различных научно - технических и производственных задач, а также по обеспечен ю безопасности и обороны государства.

Ключевые слова. С стема управления ро отами, метод, требования, проблемы.

GROUP ROBOT MANAGEMENT SYSTEMS

P.A. Nepomnyaschaya, student group TGVb-15P1;

P.S. Tsvetaev, student group TGVb-15P1

Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «The Siberian State Automobile and Highway University», Omsk, Russia

Annotation. A systematic review of common problems and particular problems of the theory and practice of creating systems for group control of robots is presented. The main ways of solving them are shown, the directions and content of further scientific research, organizational measures to improve and develop the theoretical foundations of group management of robots when performing various scientific, technical and production tasks, as well as ensuring the security and defense of the state are proposed.

Keywords. Control system of robots, method, requirements, problems.

Введение

Метод группового управления на основе коллективной оптимизации. Метод коллективного управления на основе циклической итерационной процедуры коллективной оптимизации (система управления распределенная и включает системы управления всех роботов, объединенных информационными каналами. Каждый робот из состава группы располагает информацией о коллективной задаче, связан со всеми другими роботами группы информационными каналами связи и получает информацию об окружающей среде в его окрестности с помощью индивидуальной сенсорной подсистемы.

Метод поведенческого управления (рефлексивного). Метод основан на идентификации каждым роботом группы текущей ситуации и реализации им соответствующего сценария действий.

Метод группового управления на основе метода потенциальных полей. Суть метода состоит в наделении роботов элементов среды, в которой они применяются, виртуальными полями, физическим аналогом которых являются потенциальные поля. Метод основан на аналоговом использовании свойства электрических зарядов одного знака отталкиваться друг от друга и притягиваться друг к другу, если знаки противоположные. Присвоение роботам и элементам среды тех или иных условных «электрических знаков» осуществляется групповой системой управления, которые формируют результирующие силы сближения или отталкивания роботов относительно друг друга или относительно элементов окружающей среды в зависимости от обстановки.

Основная часть

Метод управления может найти использование в системах группового управления роботами при их применении на суше, море, под водой или в воздухе. Возможно, полагать, что в таких формах применения мини-роботов, как «интеллектуальная пыль» и «рой», данный метод группового управления роботами будет играть доминирующую роль в придании «рою» или облаку «интеллектуальной пыли» целенаправленного поведения при выполнении поставленной задачи.

Реализуемые типы группового управления с помощью метода потенциальных полей: «Гонка за лидером», «Цепь»; «Расхождение»; «Схождение»; «Свободный поиск» [1,2].

51

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИПРИКЛАДНЫЕИССЛЕДОВАНИЯМОЛОДЫХУЧЕНЫХ

Сборник материаловIII Международной научно-практической конференции

«Гонка за лидером» – цели и ведущему роботу присваиваются различные «заряды». Остальные роботы имеют «заряд», одинаковый с целью. В результате ведущий робот притягивается к цели, а остальные роботы в группе к ведущему роботу. При дистанционном способе управления движением робота участие человека в управлении группой с применением рассматриваемого метода сводится к корректировке движения только ведущего робота. На рисунке 1 показан вариант применения метода группового управления роботами «Гонка за лидером» в «рое» ударных мини-БЛА. При этом объектом удара является объект, поражение которого невозможно осуществить одним ударным БЛА, например, ДОТ, защищенный пункт управления, подземное хранилище боеприпасов и др.

м ни-

«-»

«-»

Рисунок 1 – Реал зац я метода группового управления роботами «Гонка за лидером» в «рое» ударных мини-БЛА.

В подводной среде такой способ управления может быть использован при управлении группой роботов-торпед, атакующ х крупную морскую цель, гарантированное уничтожение которой требует

выпускается рой ударных БЛА. Ведущему в этом случае назначается цель – средство ПВО. Остальные роботы в группе отвлекают средства ПВО противника на их обнаружение, целеуказание уничтожение. В результате вероятность вывода из строя средства ПВО противника значительно повышается. Недостаток метода заключается в уязвимости системы, основанной на живучести одного робота («ведущего»). В случае его уничтожения остальные ударные средства будут «отталкиваться» от объекта поражения.

«Цепь» – к цели притягивается робот-ведущий, а каждый последующий притягивается к предыдущему. Этот тип группового управления роботами, основанный на методе потенциальных полей, приемлем при движении группы роботов (беспилотных автомобилей, мобильных платформ) в колонне к назначенному рубежу, пункту (см. рисунок 3). Роботам в группе назначаются различные «заряды», вследствие чего каждый из них занимает определенное место в «цепочке» (колонне). Устойчивость такой системы управления выше предыдущей, поскольку любой из группы робот, имеющий противоположный «заряд» с «зарядом» цели, может заменить «ведущего» в случае его поражения противником или выходе из строя по техническим причинам.

На земле данный метод может быть реализован в колонне беспилотных автомобилей, двигающихся по назначенному маршруту, который «знает» ведущий робот.

Либо «ведущей» машиной управляет человек-водитель, а остальные в беспилотном варианте двигаются по маршруту, который определяет тот же водитель.

Рисунок 2 – Тип группового управления движением роботов «цепь».

В воздухе метод «цепи» может быть реализован в виде «клина», когда образуются две «цепочки» роботов с чередующимися «зарядами». При этом обе «цепочки» следуют за одним «ведущим» (см. рисунок 3).

52

53

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИПРИКЛАДНЫЕИССЛЕДОВАНИЯМОЛОДЫХУЧЕНЫХ

Сборник материаловIII Международной научно-практической конференции

встречные предложения. Выполнение боевой задачи автоматически «поручается» роботу, возможности и ресурсы которого обеспечивают наибольшую эффективность ее выполнения.

Метод группового управления на основе нечеткой логики [3]. Метод нечеткой логики применяется для организации обмена между роботами, функционирующими в условиях, осложняющих работу бортовой сенсорной системы. Его суть заключается в нормализации входных сигналов (входных переменных), имеющих некоторый физический смысл, определении значений соответствующих лингвистических переменных, их преобразовании в нечеткие управляющие решения и их последующей конвертации в конкретные значения сигналов управления.

Метод самоорганизующегося управления. Самоорганизация в технической системе – это процесс автономного формирования в системе некоторой структуры путем взаимодействия СибАДИэлементов системы, а также алгоритма функционирования этой структуры и системы в соответствии

со стоящей перед системой целью, некоторым критерием качества и внешними условиями. амоорган зац я в больш х группах и при наличии нескольких целей включает два этапа:

формирован е кластеров, ор ентированных на достижение поставленных целей, и этап формирован я алгор тмов действ й роботов каждого кластера. При этом локальные алгоритмы действий роботов в знач тельной степени определяются свойствами роботов и физической сущностью процессов дост жен я конкретной цели. Поэтому алгоритмы действий роботов должны формироваться сам ми ро отами оперативно, т.е. в процессе достижения цели [4,5].

Если круг целей, на дост жен е которых ориентирована группа роботов, известен заранее, то алгоритмы действ й роботов по достижению каждой цели могут быть разработаны заранее и помещены в бортовую память ро ота или систему управления группой роботов. В этом случае процесс форм рован я алгор тма действий ро отов заключается в распознавании текущих целей по информации сенсорных подс стем и в извлечении соответствующего алгоритма из памяти системы группового управлен я.

Метод управлен я с неустойч выми режимами функционирования. Суть метода заключается в искусственном создан реж мов неустойчивого функционирования в интересах повышения скорости протекания выч сл тельных процессов автоматического управления переменной структуры.

Метод стайного управлен я. Стайные алгоритмы группового управления роботами предполагают взаимодействие функционально разнородных ро отов на основе их общих знаний о состоянии среды функционирования и индивидуальных правил поведения агентов в стае.

«Стайное управление» – вид децентрализованного управления группой роботов предполагает командное их поведение для достижения о щей цели. При стайном управлении роботы не обмениваются между со ой информацией, а строят свою стратегию достижения цели на основе анализа текущего состояния среды функционирования.

Алгоритм действий роботов заключается в следующем. Роботы анализируют состояние среды функционирования, и выполняют действие для достижения цели, изменяя состояние среды. При этом они не знают, какие действия предприняли другие роботы. Поэтому, на следующем шаге роботы вновь анализируют состояние среды функционирование, которое уже отражает результат действия всех роботов, и каждый из них принимает новые действия для достижения цели.

Команда из роботов образуется, если у них есть общая цель. Это необходимое, но не достаточное условие является критерием образования команды в стайном алгоритме. В стайном алгоритме роботы не знают, что они команда, сколько роботов в команде и какие у каждого из роботов возможности для достижения общей цели.

В этом случае говорить об оптимальности действий всей команды не приходится, поскольку нет возможности координации их совместных действий. Поведение такой команды будет напоминать суетливое поведение толпы. Действительно, если в команде из множества роботов, есть один или два робота, которые самостоятельно или, объединив усилия способны достичь цели, то остальные члены команды могут «отдыхать», не растрачивая свои ресурсы. Повысить качество командной работы стаи роботов можно, если кроме информации о состоянии среды функционирования станут общедоступными сведения о целях роботов имеющихся у них ресурсах для достижения цели.

Одной из проблем группового управления роботами в боевых условиях является обеспечение устойчивости системы внутригруппового управления при активном применении противником средств радиоэлектронного подавления радиолиний связи. Решение этой проблемы необходимо искать в сфере коммуникаций представителей животного мира. Так, например, семейство бразильских складочтогубых из подотряда рукокрылых летучих мышей используют сложные голосовые сообщения в ультразвуковом диапазоне не только для ухаживаний, но и для взаимного опознавания, обозначения социального статуса, определения территориальных границ, при противодействии особям, вторгшимся на чужую территорию. Ультразвук также используется мышами в эхолокации для обнаружения препятствий во время полетов [6].

Другими направлениями коммуникаций роботов внутри одной группы могут стать: использование световых сигналов подобно семафорам, применяемым на флоте для передачи сообщений;

54

Направление 1.Транспортноеистроительноемашиностроение

применение приемо-передающих устройств, использующих атмосферной электромагнитные волны оптического диапазона (лазер).

Таким образом, система обмена данными между роботами внутри одной группы, устойчиво функционирующая в условиях радиоэлектронного воздействия, может быть создана на основе использования звуковых (инфразвуковых, ультразвуковых) и световых сигнальных, а также лазерных бортовых устройств для обмена между роботами данными о изменениях в обстановке. Средства РЭП для передачи сигналов таким устройствам не страшны. Помехой могут быть дымы, препятствия, высокая растительность, складки местности. Следовательно, такие средства «общения» между роботами могут использоваться как вспомогательные, при полном отсутствии радиосвязи.

Проблемы группового управления роботами военного назначения:

СибАДИразработка концептуальных основ создания и применения групп роботов военного назначения для решения стратегических, оперативных и тактических задач при обеспечении безопасности и обороны государства в современных услов ях;

разработка орган зац онных основ совместного управления групп роботов военного назначения в составе войсковых форм рован й при выполнении боевых и обеспечивающих задач;

разработка методолог ческ х основ группового управления роботами военного назначения в боевой обстановке;

разработка метод ческ х алгоритмических основ управления отдельными роботами, применяемыми в составе т повых групп в различных физических средах и объединенными общей целью;

разработка техн ческ х тре ований к системам управления типовыми группами разносредных роботов военного назначен я.

А. Концептуальные основы группового управления роботами военного назначения предполагают разработку следующих вопросов:

сущность группового управлен я ро отами; значение для пр менен я войск при решении задач обеспечения обороны и безопасности

государства; основная методолог я целесоо разные научные подходы к созданию системы группового

управления роботами; базовые термины, определения;

принципы формирования системы группового управления; характерные особенности системы группового управления; цели и функции управления группами ро отов понятие цели системы группового управления;

внутренняя среда управления в одной группе: структура и состав групп факторы внутренней среды групп (групповые цели функционирования, задачи, решением которых достигаются цели функционирования, способы реализации боевых и обеспечивающих задач);

внешняя среда управления группой (природные и искусственно созданные элементы местности, и воздействия их применения, его живая сила, действия подразделений соединений и частей противника и своих войск, другие группы роботов);

принципы создания систем группового управления возможные этапы создания и развития систем группового управления роботами

Б. Разработка «Организационных основ» совместного управления группами роботов заключается в решении следующих научно-исследовательских задач:

определение общей структуры и состава системы группового управления в целом и ее функциональных элементов (3-х мерное локальное информационное поле, внутренний контур управления; внешний контур управления, система обеспечения нормативно-справочной информацией, RoboNet);

установление порядка постановки задач группам роботов, каждому роботу внутри группы, управления целераспределением между роботами группами роботов;

формирование правил обмена информацией между роботами, ограничения; разработка способов организации и поддержания взаимодействия между роботами внутри одной

группы, между группами роботов, групп роботов с формированиями, оснащенными экипажными средствами;

установление порядка контроля и правил корректировки человеком действий роботов внутри группы, действий групп роботов;

В. Для разработки «Методологических основ» группового управления роботами требуется: общее описание систем группового управления во взаимосвязи с общей теорией систем и

теории управления; раскрытие основных научных подходов к теоретическому обоснованию создания систем

группового управления , включая системный, кибернетический и ситуационный подходы;

55

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИПРИКЛАДНЫЕИССЛЕДОВАНИЯМОЛОДЫХУЧЕНЫХ

Сборник материаловIII Международной научно-практической конференции

обоснование перечня математических методов, применение которых обеспечит разработку методик оценки эффективности группового управления РВН при решении боевых и обеспечивающих задач;

определение перечня и значений переменных, при которых достигается оптимальное значение критерия эффективности выполнения задач группами роботов и соблюдение заданных ограничений; формирование прогноза направлений и этапов развития систем группового управления роботами на основе прогнозных выводов и долгосрочных программ развития робототехники, прогнозных

сценариев развития содержания военных конфликтов; обоснование перечня и содержания задач развития основ теории принятия решений

применительно к применению роботов для выполнения стратегических задач;

СибАДИруководящих документах, регламентирующих применение групп боевых и обеспечивающих роботов военного назначения и совместных действиях с формированиями, оснащенными экипажными средствами, в ходе решения задач по о еспечению безопасности и обороны государства; разработка практических рекомендаций по устранению установленных противоречий.

определение направлений совершенствования теории организации за счет исследования вопросов влияния человека и роботов, действующих в составе одной группы (организации), на ее

функционирован е, про сходящ е в ней изменения, на обеспечение эффективной целенаправленной деятельности по выполнению групповых задач и получение требуемых

результатов;

установлен е направлен й развития психологии в части исследования мотивации, реализации

Г. Методические основы группового управления роботами предполагают установление правил и процедур решения различных задач управления роботами внутри групп, управления одной или несколькими группами роботов, формированиями, имеющими в своем составе группы.

В ходе разработки методических основ рассматриваемого процесса управления необходимо установить:

цели и задачи экспериментов, проводимых в интересах создания и принятие на вооружение систем группового управления роботами военного назначения; методы их реализации; требуемые к привлечению в эксперименте войска (силы), средства и ресурсы; установление правил формализации получаемых результатов;

методы получения экспертной информации по вопросам создания и развития систем группового управления РВН;

целесообразные известные методы оценки эффективности группового управления РВН, особенности их содержания применительно к исследуемой области;

предлагаемые методы оценки эффективности применения групп роботов военного назначения в бою и операции, а также при выполнении служебных и служебно-боевых задач в мирное время;

требования к перечню содержанию основных руководящих документов, регламентирующих особенности функционирования групп РВН, применение и управление ими в различных условиях обстановки;

рекомендации к моделированию процессов группового управления роботами в различных условиях обстановки.

Д. Разработка «Алгоритмических основ» группового управления роботами военного назначения включает:

уточнение порядка и последовательности работы органов военного управления в управленческих процессах по принятию решений и руководству действиями группировок войск (сил), объединений, соединений, частей и подразделений с применением роботов военного назначения в основных формах военных действий;

56

Направление 1.Транспортноеистроительноемашиностроение

формирование перечня алгоритмов процессов управления группами роботами, внутригруппового и межгруппового управления, а также управления совместными действиями войсковых формирований с группами роботов военного назначения;

обоснование состава, целей использования, назначения расчетных задач в автоматизированных процессах группового управления роботами военного назначения, рекомендуемых методах разработки алгоритмов их решения.

Г. «Технические требования» [4] к системам группового управления роботами военного назначения предполагают разработку следующих требований:

общие требования к системам группового управления (к каким полезным технико-экономическим, стратегическим, оперативным и тактическим результатам приведет в действие принятие на СибАДИвооружение систем группового управления роботами; обеспечение совместимости между структурными элементами системы; требования к информации в базах данных, порядок её актуализац , требован я к входной и выходной информации, требования к адаптации системы к условиям функц он рован я надежности, установление мер защиты от неправильных действий

человека, а также от несанкц он рованного вмешательства со стороны противника); функциональные требован я к системам группового управления (перечень автоматизируемых

управленческ х процессов, состав процессов, решаемых роботами, и процессов, контролируемых человеком);

требован я к подготовленности операторов систем группового управления роботов (уровень квалификац , готовности к выполнению о язанностей, содержанию инструкций организационного обеспечения, состав нформац онных моделей и расчетных задач, используемых в системе);

требован я к техн ческому о еспечению промышленного производства систем группового управления;

требован я к программному о еспечению систем группового управления требован я к нформац онному о еспечению систем группового управления; требован я к орган зац онному о еспечению систем группового управления; требован я к л нгв ст ческому о еспечению систем группового управления; требован я к правовому о еспечению систем группового управления;

требования безопасности эксплуатации систем группового управления; виды и порядок проведения испытаний при вводе систем группового управления в действие

(содержание и порядок проведения предварительных испытаний, опытной эксплуатации, приемочных испытаний);

комплектность систем группового управления, вводимой в действие;

гарантии и гарантийные сроки эксплуатации систем группового управления;

дополнительные требования к системам группового управления (перечень технологической и оперативной информации о техническом состоянии роботов в составе группы, текущих результатах действий группы по выполнению поставленной задачи);

дополнительные требования к системам группового управления по физическим средам применения роботов и их сочетанием для многосредных роботов;

Заключение

Рассмотренные положения в целом представляют системный обзор общих проблем и частных задач теории и практики создания систем группового управления роботами. Показаны основные пути их решения, предложены направления и содержание дальнейших научных исследований, организационных мер по совершенствованию и развитию теоретических основ группового управления роботами при выполнении задач по обеспечению безопасности и обороны государства.

Библиографический список

1. Групповое управление подвижными объектами в неопределенных средах / Под ред. В.Х. Пшихопова. – М.:

ФИЗМАТЛИТ, 2015. – 305 с.

2. Каляев И.А. Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов / .А. Каляев, А.Р. Гайдук,

.Г. Капустян. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. – С. 279.

3.Барбашова Т.Ф. Некоторые аспекты использования метода потенциалов при управлении мобильными роботами / Т.Ф. Барбашова, А.А. Кириличенко, М.А. Колганов. – М.: Изд-во ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, 2004. – 23 с.

4.Рыжова Т.П. Управление коллективом мобильных роботов / Т.П. Рыжова // Труды международной научнотехнической конференции "Экстремальная робототехника". – 2011. – С.281-287.

5.Аузяк А.Г. Программирование и основы алгоритмизации. Учебное пособие / А.Г. Аузяк, Ю.А. Богомолов, А.И. Маликов, Б.А. Старостин. – Казань: КАИ, 2013. – 153 с.

6.Летучие мыши // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / гл. ред. А.М. Прохоров. – 3-е изд. – М.: Советская энциклопедия, 1969 –1978.

Научный руководитель – А.А. Соловьев, зав. каф. ИТ, профессор ФГБОУ ВО «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет(СибАДИ)», г. Омск

57