Принципы построения систем автономного управления движением наземных робототехнических комплексов специального назначения

Принципы построения систем автономного управления движением наземных робототехнических комплексов специального назначения

Тачков Александр Анатольевич
к.т.н., Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Бау-мана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), НУЦ «Робототехника», отдел «Автоматизированные транспортные системы», начальник отдела, 105037, Москва, Измайловская пл. 7, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-8330-8750

Козов Алексей Владимирович
МГТУ им. Н.Э. Баумана, НУЦ «Робототехника», отдел «Автоматизиро-ванные транспортные системы», инженер, 105037, Москва, Измайловская пл. 7, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-9997-0386

Яковлев Дмитрий Сергеевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана, НУЦ «Робототехника», отдел «Автоматизирован-ные транспортные системы», инженер, 105037, Москва, Измайловская пл. 7, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-6999-407X

Бузлов Никита Андреевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана, НУЦ «Робототехника», отдел «Автоматизированные транспортные системы», инженер, 105037, Москва, Измайловская пл. 7, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-0723-6812

Курочкин Семен Юрьевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана, НУЦ «Робототехника», отдел «Автоматизированные транспортные системы», м.н.с., 105037, Москва, Измайловская пл. 7, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-8659-7191


Материал поступил в редакцию 30 сентября 2021 года.

Аннотация
В работе анализируется проблема построения систем автономного управления движением (САУД) наземных робототехнических комплексов специального назначения (РТК СН). Сформулированы две методологические проблемы создания таких систем. Первая (проблема внешнего проектирования) заключается в различии цели создания робототехнического комплекса от беспилотного автомобиля, что приводит к принципиально разным системотехническим решениям. Вторая методологическая проблема (проблема внутреннего проектирования) связана с необходимостью достаточно глубокого знания и умения работы с целым рядом технологий, которые в комплексе используются при создании САУД. Совместное рассмотрение указанных проблем позволило выдвинуть ряд принципов построения систем автономного управления движением, среди которых в рамках статьи рассмотрен принцип апсайклинга, принцип использования дискретно-событийной модели для логической синхронизации работы программных модулей САУД и принцип обеспечения функциональной безопасности РТК СН при автономном движении. В качестве примера реализации принципа апсайклинга рассмотрена задача навигации робототехнического комплекса с использованием сканирующих лазерных дальномеров. Принцип использования дискретно-событийной модели для синхронизации работы программных модулей пояснён на примере сети Петри. Представлено общее решение задачи количественной оценки безопасности автономного движения РТК СН. Рассмотренные принципы были использованы при разработке макетных образцов САУД робототехнических комплексов различного назначения.

Ключевые слова
Cистема автоматического управления движением, наземное беспилотное транспортное средство, робототехнический комплекс специального назначения, принципы проектирования, навигация, модульный принцип построения, ROS.

DOI
10.31776/RTCJ.10205

Индекс УДК 
681.51:629.3:007.52

Библиографическое описание
Принципы построения систем автономного управления движением наземных робототехнических комплексов специального назначения / А.А. Тачков [и др.] // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 10. - № 2. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2022. – С. 121-132. – Текст : непосредственный.

Литература

  1. Система движения по заданной траектории для беспилотного автомобиля / А.Е. Марков [и др.] // Известия ВолГТУ. – 2020. – № 9 (244). – С.52-56. – DOI: 10.35211/1990-5297-2020-9-244-52-56 (дата обращения: 11.05.2022). – Текст: электронный.
  2. Autoware on board: enabling autonomous vehicles with embedded systems / S. Kato [et al.] // In 2018 ACM/IEEE 9th International Conference on Cyber-Physical Systems (ICCPS) (11-13 April, 2018), pp. 287-296. – DOI: 10.1109/ICCPS.2018.00035 (дата обращения: 11.05.2022). – Text: electronic.
  3. Беспилотник на практике: немного деталей про тестовую машину от StarLine // Хабр: [сайт]. – URL: https://habr.com/ru/company/leader-id/blog/545428/ (дата обращения 09.04.2021). – Текст: электронный.
  4. Шадрин С.С. Методология создания систем управления движением автономных колесных транспортных средств, интегрированных в интеллектуальную транспортную среду: специальность 05.05.03 «Колесные и гусеничные машины» автореферат диссертации доктора технических наук / С.С. Шадрин. – Москва, 2017. – 32 с. – Текст: непосредственный.
  5. Калинин А.В. Средства, обеспечивающие автономное движение наземных РТК / А.В. Калинин, В.П. Носков, И.В. Рубцов // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2012. – № 11 (136). – С.71-81. – Текст: непосредственный.
  6. Корчак В.Ю. Состояние и перспективы развития наземных робототехнических комплексов специального назначения / В.Ю. Корчак, И.В. Рубцов, А.В. Рябов // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013. – Вып. 3. – URL: http://engjournal.ru/catalog/pribor/robot/628.html (дата обращения 09.04.2021). – Текст: электронный.
  7. Структура интеллектуальной системы управления наземного робототехнического комплекса для формирования маршрута движения / В.В. Варганов [и др.] // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. – 2018. – Т. 10. – № 2. – С. 78-86. – DOI: 10.24411/2409-5419-2018-10043 (дата обращения: 11.05.2022). – Текст: электронный.
  8. Принципы построения систем управления роботизированных транспортных средств с автономным и дистанционным режимом управления / С.В. Сусарев // XXI международная конференция «Проблемы управления и моделирования в сложных условиях» (3-6 сентября 2019 г., Самара): труды. – Самара: ООО «Офорт», 2019. – Т.2. – С. 107-110. – Текст: непосредственный.
  9. Ni J. A review for design and dynamics control of unmanned ground vehicle / Ni J., Hu J., Xiang C. // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2020. – DOI:10.1177/0954407020912097 (дата обращения: 11.05.2022). – Текст: электронный.
  10. Mohamed A. Advanced control techniques for unmanned ground vehicle: literature survey / Mohamed A., El-Gindy M., Ren J. // International Journal of Vehicle Performance, 4(1). – Pp.46-73. – DOI: 10.1504/ijvp.2018.088783 (дата обращения: 11.05.2022). – Text: electronic.
  11. Ильин Л.Н. Проблемы создания наземной робототехники для Сухопутных войск / Л.Н. Ильин, П.А. Дульнев, В.Г. Ковалев // Военная мысль. – 2016. – № 11. – С. 65-71. – Текст: непосредственный.
  12. Principles of robot autonomy I: open-source automated driving stack «Autoware» // Lecture 21. – URL: http://asl.stanford.edu/aa274a/pdfs/lecture/lecture_21.pdf (дата обращения: 11.05.2022). – Text: electronic.
  13. Северцев Н.А. Системное представление методологии безопасности / Н.А. Северцев, А.В. Бецков, И.В. Прокопьев // Надежность и качество сложных систем. – 2020. – № 2 (30). – С. 26-31. – Текст: непосредственный.
  14. Батурин О.С. Методический подход к оценке систем автономного управления движением наземных робототехнических комплексов военного назначения среднего и тяжелого классов / О.С. Батурин, Е.А. Антохин, Е.В. Ефремов // Робототехника и техническая кибернетика. – 2017. – № 3(16). – С. 33-37. – Текст: непосредственный.
  15. Методологические основы проведения испытаний дистанционно-управляемых наземных робототехнических комплексов военного назначения среднего и тяжелого классов / Е.А. Антохин [и др.] // Известия института инженерной физики. – 2019. – № 4(54). – С. 28-33. – Текст: непосредственный.
  16. Яковлев Д.С. Подсистема обеспечения безаварийного движения мобильного робота / Д.С. Яковлев, А.А. Тачков // Экстремальная робототехника. – 2020. – Т.1. – № 1. – С.56-62. – Текст: непосредственный.
  17. Волков В.Ф. Методика обоснования структуры системы информационного обеспечения организационно-технических систем на основе принципа гарантированного результата / В.Ф. Волков, А.В. Галанкин, Ю.А. Жигулин // T-Comm: Телекоммуникация и транспорт. – 2016. – Т. 10. – № 4. – С. 52-57. – Текст: непосредственный.
  18. Ющенко А.С. Эргономические проблемы коллаборативной робототехники // Робототехника и техническая кибернетика. – 2019. – Т.7. – № 2. – С. 85-93. – DOI: 10.31776/RTCJ.7201 (дата обращения: 11.05.2022). – Текст: электронный.
  19. Рудианов Н.А. Функциональный подход к проектированию специализированных робототехнических комплексов / Н.А. Рудианов, В.С. Хрущев // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2019. – № 1. – С. 18-27. – DOI 10.23683/2311-3103-2019-1-18-27 (дата обращения: 11.05.2022). – Текст: электронный.
  20. Тачков А.А. Особенности портирования Robot Operating System на программно-аппаратную платформу «Эльбрус» / А.А. Тачков, А.Ю. Вуколов, А.В. Козов // Программные продукты и системы. – 2019. – № 4. – С. 655-664. – DOI: 10.15827/0236-235X.128.655-664 (дата обращения: 11.05.2022). – Текст: электронный.
  21. Соколов С.М. Реализация алгоритмов обработки зрительных данных на бортовых вычислительных ресурсах / С.М. Соколов, А.А. Богуславский, С.А. Романенко // Робототехника и техническая кибернетика. – 2021. – №9(2). – С.106-111. – Текст: непосредственный.
  22. Besl P.J. A method for registration of 3-D shapes / Besl P.J., McKay N.D. // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. – Vol.14. – Pp. 239-256. – 1992. – Text: unmediated.
  23. Biber P. The normal distributions transform: A new approach to laser scan matching / Biber P., Strasser W. // Intelligent Robots and Systems, 2003. – Vol. 3. – Pp. 2743-2748. – DOI 10.1109/IROS.2003.1249285 (дата обращения: 11.05.2022). – Text: electronic.
  24. Tipaldi G.D. FLIRT: Interest Regions for 2D Range Data with Applications to Robot Navigation / Tipaldi G. D., Braun M., Arras Kai O. // Int. Symposium on Experimental Robotics (ISER), New Delhi, India, 2010. – Text: unmediated.
  25. Steder B. Point feature extraction on 3D range scans taking into account object boundaries / Steder B., Rusu R.B., Burgard W. / Computer Science Published in IEEE International Conference, 2011. – DOI:10.1109/ICRA.2011.5980187 (дата обращения: 11.05.2022). – Text: electronic.
  26. Rusu R.B. Fast Point Feature Histograms (FPFH) for 3D registration / Rusu R.B., Blodow N., Beetz M. // IEEE International Conference on Robotics and Automation, Kobe, Japan, 2009. – Text: unmediated.
  27. Бузлов Н.А. Последовательное сравнение сканов для навигации мобильного робота в условиях сла-боструктурированной местности / Н.А. Бузлов // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2021. – 22(5). – С. 246-254. – Текст: непосредственный.
  28. Максимов А.А. Один подход к построению конечно-автоматной управляющей сети // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2012. – № 6. – С. 14-28. – Текст: непосредственный.
  29. Северцев Н.А. Системный анализ теории безопасности / Н.А. Северцев, А.В. Бецков. – Москва: Юрайт, 2019. – 456 с. – Текст: непосредственный.
  30. Iakovlev D.S., Collision Risk Analysis to Ensure the Safety of Autonomous Vehicle Motion Control, 2021 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), 2021. – Pp. 644-649. – DOI: 10.1109/RusAutoCon52004.2021.9537403 (дата обращения: 11.05.2022). – Text: electronic.
  31. Яковлев Д.С. Вероятность столкновения автономного мобильного робота с препятствием / Д.С. Яковлев, А.А. Тачков // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2021. – №22(3). – С.125-133. – DOI: https://doi.org/10.17587/mau.22.125-133. (дата обращения: 11.05.2022). – Text: electronic.
  32. Provably Safe Motion of mobile robots in human environments / Liu S.B. [et al.] // International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS-2017), 2017. – Text: unmediated.