Разработка архитектуры и обобщенной структуры модулей распределенной системы управления робототехническими комплексами различного назначения

Разработка архитектуры и обобщенной структуры модулей распределенной системы управления робототехническими комплексами различного назначения

Крестовников Константин Дмитриевич
Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук (СПб ФИЦ РАН), Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук (СПИИРАН), Лаборатория автономных робототехнических систем, аспирант, м.н.с., 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-6303-0344

Ерашов Алексей Алексеевич
СПб ФИЦ РАН, СПИИРАН, Лаборатория технологий больших данных социокиберфизических систем, аспирант, м.н.с, 199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д. 39, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0001-8003-3643

Материал поступил в редакцию 21 июня 2022 года.

Аннотация
Автономные мобильные робототехнические комплексы позволяют решать широкий спектр научных, гражданских и военных задач. В своем составе для корректной работы данные комплексы должны иметь ряд разнородных функциональных систем. Реализация данных систем требует значительное количество отдельных модулей и устройств, что делает актуальной задачу разработки новых подходов к организации систем управления, соответствующих сложности объекта. Данная работа направлена на развитие распределенных систем управления для робототехнических комплексов. В работе представлена архитектура распределенной централизованной системы управления и обобщенная структура модулей для ее реализации. Предлагаемая архитектура состоит из трех уровней и может применяться для автономных робототехнических комплексов различного назначения и беспилотных аппаратов. Обобщенная структура модулей позволяет разрабатывать типовые схемотехнические решения для сенсорных и исполнительных модулей системы. На базе предложенной архитектуры разработана и реализована система управления мобильной автономной робототехнической платформой общего назначения. В качестве внутрисистемной коммуникационной шины в платформе используется CANbus, через которую осуществляется обмен данными между модулями уровня устройств и высокоуровневым вычислителем. В уровень устройств робототехнической платформы входит четырнадцать модулей, включая модули управления мотор-колесами, на примере которых рассмотрено применение предложенной обобщенной структуры.

Ключевые слова
Распределенная система управления, архитектура системы управления, система управления роботом, структура модулей.

DOI
10.31776/RTCJ.10305

Индекс УДК 
681.5

Библиографическое описание
Крестовников К.Д. Разработка архитектуры и обобщенной структуры модулей распределенной системы управления робототехническими комплексами различного назначения / К.Д. Крестовников, А.А. Ерашов // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 10. - № 3. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2022. – С. 201-212. – Текст : непосредственный.

Литература

  1. Person-Following Algorithm Based on Laser Range Finder and Monocular Camera Data Fusion for a Wheeled Autonomous Mobile Robot / E. Chebotareva [et al.] // Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics). – 2020. – № 12336. – Pp. 21-33. – DOI: 10.1007/978-3-030-60337-3_3 (дата обращения: 03.06.2022). – Text: electronic.
  2. Медведев М.Ю. Метод оптимизации траектории мобильного робота в поле источников-репеллеров / М.Ю. Медведев, В.А. Костюков, В.Х. Пшихопов // Информатика и автоматизация. – 2021. – Т. 20. – № 3. – C. 690 726. – DOI: 10.15622/ia.2021.3.7 (дата обращения: 03.06.2022). – Текст: электронный.
  3. Метод оценки времени беспроводной передачи энергетических ресурсов между двумя роботами / А.А. Ерашов [и др.] // Информатика и автоматизация. – 2021. – Т. 20. – № 6. – С. 1279-1306. – DOI: 10.15622/ia.20.6.4 (дата обращения: 03.06.2022). – Текст: электронный.
  4. Adaptive Multi-Agent Coverage Control With Obstacle Avoidance / Y. Bai [et al.] // IEEE Control Systems Letters. – 2022. – Vol. 6. – Pp. 944-949. – DOI: 10.1109/LCSYS.2021.3087609 (дата обращения: 08.06.2022). – Text: electronic.
  5. A fault-tolerant method for motion planning of industrial redundant manipulator / Z. Li [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Informatics. – 2019. – Vol. 16. – № 12. – Pp. 7469-7478. – DOI: 10.1109/TII.2019.2957186 (accessed: 08.06.2022). – Text: electronic.
  6. Iakovlev R. Approach to Implementation of Local Navigation of Mobile Robotic Systems in Agriculture with the Aid of Radio Modules / R. Iakovlev, A. Saveliev // Telfor Journal. – 2020. – Vol. 12. – № 2. – Pp. 92-97. – DOI: 10.5937/telfor2002092I (дата обращения: 08.06.2022). – Text: electronic.
  7. Инновационный подход к автоматизированной фотоактивации посевных площадей посредством БпЛА с целью стимуляции роста культур / Н.Н. Севостьянова [и др.] // Информатика и автоматизация. – 2021. – Т. 20. – № 6. – С. 1395-1417. – DOI: 10.15622/ia.20.6.8 (дата обращения: 09.06.2022). – Текст: электронный.
  8. Comparing Fiducial Markers Performance for a Task of a Humanoid Robot Self-calibration of Manipulators: A Pilot Experimental Study / K. Shabalina [et al.] // Lecture Notes in Computer Science (incl. subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics). – 2018. – Vol. 11097. – Pp. 249-258. – DOI: 10.1007/978-3-319-99582-3_26 (дата обращения: 09.06.2022). – Text: electronic.
  9. Балабанов А.Н. Управление манипулятором подводного робота / А.Н. Балабанов, А.Е. Безуглая, Е.А. Шушляпин // Информатика и автоматизация. – 2021. – Т. 20. – № 6. – С. 1307-1332. – DOI: 10.15622/ia.20.6.5 (дата обращения: 09.06.2022). – Текст: электронный.
  10. Gao Y. Review on space robotics: Toward top-level science through space exploration / Y. Gao, S. Chien // Science Robotics. – 2017. – Vol. 2. – № 7. – DOI: 10.1126/scirobotics.aan5074 (дата обращения: 09.06.2022). – Text: electronic.
  11. Павлов И.Ю. Анализ централизованных и децентрализованных систем автоматизированного управления «Интеллектуальным» домом / И.Ю. Павлов, В.Л. Колосков, Е.Б. Иванов // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. – 2016. – № 19. – С. 338-340. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-tsentralizovannyh-i-detsentralizovannyh-sistem-avtomatizirovannogo-upravleniya-intellektualnym-domom (дата обращения: 10.06.2022). – Текст: электронный.
  12. Bakule L. Decentralized control: Status and outlook // Annual Reviews in Control. – 2014. – Vol. 38. – № 1. – Pp. 71-80. – DOI: 10.1016/j.arcontrol.2014.03.007 (дата обращения: 09.06.2022). – Text: electronic.
  13. Design of a low-latency, high-reliability wireless communication system for control applications / M. Weiner [et al.] // In 2014 IEEE International conference on communications (ICC). – 2014. – Pp. 3829-3835. – DOI: 10.1109/ICC.2014.6883918 (дата обращения: 09.06.2022). – Text: electronic.
  14. Крестовников К.Д. Масштабируемая архитектура и структура модулей распределенной системы управления процессами промышленных тепличных комплексов / К.Д. Крестовников, А.А. Ерашов, А.Н. Быков // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2021. – Т. 22. – № 10. – С. 527-536. – DOI: 10.17587/mau.22.527-536 (дата обращения: 10.06.2022). – Текст: электронный.
  15. A distributed control architecture for autonomous mobile robots-implementation of the Karlsruhe Multi-Agent Robot Architecture (KAMARA) / T. Laengle [et al.] // Advanced Robotics. – 1997. – Vol. 12. – № 4. – Pp. 411-431. – DOI: 10.1163/156855398X00271 (дата обращения: 09.06.2022). – Text: electronic.
  16. Brooks R.A. Asynchronous distributed control system for a mobile robot / R.A. Brooks, J.H. Connell // Mobile Robots I. – 1987. – Vol. 727. – Pp. 77-84. – DOI: 10.1117/12.937785 (дата обращения: 10.06.2022). – Text: electronic.
  17. Vlasov A. Distributed control system in mobile robot application: general approach, realization and usage / A. Vlasov, A. Yudin // In International Conference on Research and Education in Robotics, Springer, Berlin, Heidelberg. – 2010. – Pp. 180-192. – DOI: 10.1007/978-3-642-27272-1_16 (дата обращения: 10.06.2022). – Text: electronic.
  18. Design and Development of the Humanoid Robot BHR-5 / Z. Yu [et al.] // Advances in Mechanical Engineering. – 2014. – Vol. 6. – Pp. 852937. – DOI: 10.1155/2014/852937 (дата обращения: 13.06.2022). – Text: electronic.
  19. Development of a new humanoid robot WABIAN-2 / Y. Ogura [et al.] // In Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation. – 2006. – Pp. 76-81. – DOI: 10.1109/ROBOT.2006.1641164 (дата обращения: 10.06.2022). – Text: electronic.
  20. Lohmeier S. Design and realization of a humanoid robot for fast and autonomous bipedal locomotion. Technische Universität München. – 2010. – URL: https://mediatum.ub.tum.de/doc/980754/file.pdf (дата обращения: 13.06.2022). – Text: electronic.
  21. Sercos technology: Prove, easy, fast, open. – URL: https://www.sercos.org/technology/sercos-i-and-ii/ (дата обращения: 15.06.2022). – Text: electronic.
  22. Ziebinski A. Distributed control architecture for the autonomous mobile platform / A. Ziebinski, R. Cupek, A. Piech // In AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2040. – № 1. – Pp. 080012. – DOI: 10.1063/1.5079146 (дата обращения: 13.06.2022). – Text: electronic.
  23. Андреев В.П. Аппаратно-программный фреймворк для разработки модульных мобильных роботов с иерархической архитектурой / В.П. Андреев, В.Л. Ким, С.Р. Эприков // Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2020. – №1(211). – С. 199-218. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/apparatno-programmnyy-freymvork-dlya-razrabotki-modulnyh-mobilnyh-robotov-s-ierarhicheskoy-arhitekturoy (дата обращения: 15.06.2022). – Текст: электронный.
  24. Wołoszczuk A. Architecture of mobile robotics platform planned for intelligent robotic porter system-IRPS project / A. Wołoszczuk, M. Andrzejczak, P. Szynkarczyk // Journal of Automation Mobile Robotics and Intelligent Systems. – 2007. – Vol. 1. – Pp. 59-63. – URL: https://yadda.icm.edu.pl/yadda/element/bwmeta1.element.baztech-article-BUJ6-0014-0024/c/httpwww_jamris_org032007saveas_phpquestjamrisno032007p59-63.pdf (дата обращения: 15.06.2022). – Text: electronic.
  25. Quince: A collaborative mobile robotic platform for rescue robots research and development / E. Rohmer [et al.] // In The Abstracts of the international conference on advanced mechatronics: toward evolutionary fusion of IT and mechatronics. – 2010. – Pp. 225-230. – DOI: 10.1299/jsmeicam.2010.5.225 (дата обращения: 13.06.2022). – Text: electronic.

Полный текст статьи (pdf)