Применение сквозных технологий мягких вычислений в задаче интеллектуального робастного управления одноколесным роботом-велосипедом

Ульянов Сергей Викторович
д.ф.-м.н., Лаборатория информационных технологий объединенного института ядерных исследований (ЛИТ ОИЯИ), профессор, 141980, Московская область, г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6; OOO «Инновационные энергетические системы» (ООО ИНЭСИС (ГК ЭФКО)), 115035, Москва, Овчинниковская наб., д. 20, стр. 1; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ МИСиС), лаборатория ИЭС, 119991, Москва, Ленинский пр., д. 4, тел.: +7(49621)6-40-19, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Ульянов Виктор Сергеевич
к.т.н., ООО ИНЭСИС (ГК ЭФКО), 115035, Москва, Овчинниковская наб., д. 20, стр. 1; НИТУ МИСиС, лаборатория ИЭС, 119991, Москва, Ленинский пр., д. 4, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Материал поступил в редакцию 30 декабря 2019 года.

Аннотация
Рассматривается концепция интеллектуальной системы управления для сложной нелинейной биомеханической системы автономного одноколесного робота-велосипеда. Использован термодинамический подход для исследования оптимальных процессов управления в сложных нелинейных динамических системах. Приведены результаты стохастического моделирования нечеткой интеллектуальной системы управления при различных видах внешних/внутренних воздействий для динамического, глобально неустойчивого объекта управления – одноколесного робота-велосипеда на основе технологии мягких вычислений (Soft Computing – Computational Intelligence Toolkit). Разработан новый подход к проектированию интеллектуальной системы управления, основанный на принципе определения минимума производства энтропии (минимум потери полезного ресурса) объектом управления и в системе управления. Данное определение является функцией пригодности генетического алгоритма, которое позволяет достичь робастности управления одноколесным роботом-велосипедом. Приводится алгоритм вычисления производства энтропии и установление ее взаимосвязи с функцией Ляпунова (мера стохастической робастной устойчивости).

Ключевые слова
Робототехника, интеллектуальные системы управления, существенно нелинейная модель, глобально неустойчивая модель, стохастическое моделирование, мягкие вычисления.

https://doi.org/10.31776/RTCJ.8204 

Индекс УДК 
004.89:681.511:007.52

Библиографическое описание
Ульяннов С.В. Применение сквозных технологий мягких вычислений в задаче интеллектуального робастного управления одноколесным роботом-велосипедом / С.В. Ульянов, В.С. Ульянов // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 8. - №2. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2020. – С. 119-138. – Текст : непосредственный.

Литература

1. Schoonwinkel A. Design and test of a computer stabilized unicycle // Ph. D. dissertation of Stanford Univ. – 1987. – USA. – Text: unmediated.
2. David William Vos. Nonlinear control of an autonomous unicycle robot: practical issues // Ph. D. dissertation of Massachusetts Institute of Technology. – 1992. – Text: unmediated.
3. Ulyanov S.V. Fuzzy Intelligent control of robotic unicycle: A New benchmark in nonlinear mechanics / S.V. Ulyanov, Sheng Z.Q. and Yamafuji K. // Proc. Intern. Conf. on Recent Advanced Mechatronics, Istanbul, Turkey. – 1995. – Vol. 2. – Text: unmediated.
4. Ulyanov S.V. Self-organization fuzzy chaos intelligent controller for a robotic unicycle: A New benchmark in AI control / S.V. Ulyanov, S. Watanabe and T. Ohkura // Proc. of 5th Intelligent System Symposium: Fuzzy, AI and Neural Network Applications Technologies (FAN Symp,’95), Tokyo, Japan. – 1995. – Text: unmediated.
5. Sheng Z.Q. Study on the stability and motion control of a unicycle. Pts 3,4,5 / Sheng Z.Q., Yamafuji K. and S.V. Ulyanov // JSME International Journal. – 1996. – Vol. 39. – No. 3 // Journal of Robotics & Mechatronics. – 1996. – Vol. 8. – Text: unmediated.
6. Robust Fuzzy Control of Non-Linear Dynamic Systems Based on Soft Computing with Minimum of Entropy Production Rate / S.A. Panfilov [et al.] // Proc. Int. Conf. ICAFS 2000, Siegen, Germany. – 2000. – Text: unmediated.
7. Rouch N. Stability Theory by Lyapunov's Direct Method / Rouch N., Habets P., Laloy M. // Berlin, Springer. – 1977. – Text: unmediated.
8. Principle of minimum entropy production in applied soft computing for advanced intelligent robotics and mechatronics / V.S. Ulyanov, S.A. Panfilov, S.V. Ulyanov etc. // Soft Computing. – 2000. – Vol. 2. – Text: unmediated.
9. Computational intelligence with new physical controllability measure for robust control algorithms of extension-cableless robotic unicycle / V.S. Ulyanov [et al.] // Journal of Advanced Computational Intelligence. – 1999. – Vol.3. – No.2. – Text: unmediated.
10. Ulyanov S.V. Fuzzy Intelligent emotion and instinct control of a robotic unicycle / S.V. Ulyanov and Yamafuji K. // Proc. 4th Intern. Workshop on Advanced Motion Control. Mie, Japan. – 1996. – Vol. 1. – Text: unmediated.
11. A new physical measure for mechanical controllability and intelligent control of a robotic unicycle on basis of intuition, instinct and emotion computing / S.V. Ulyanov [et al.] // Proc. 2nd Intern. Conf. on Application on Fuzzy Systems and Soft Computing (ICAF’96), Siegen, Germany. – 1996. – Pp. 49-58. – Text: unmediated.
12. Ulyanov S.V., Watanabe S., Ulyanov V.S., Yamafuji K., Litvintseva L.V., and Rizzotto G.G. Soft computing for the intelligent control of a robot unicycle based on a new physical measure for mechanical controllability // Soft Computing. – 1998. – Vol. 2. – No.2.
13. Lauk M., Chow C.C., Pavlik A.E. and Colloins J.J. Human balance out of equilibrium: Non-equilibrium statistical mechanics of posture control // Physical Review Letters. – 1998. – Vol. 80. – No.2.
14. Ulyanov S.V., Yamafuji K., Ulyanov V.S., et.al. Computational intelligence for robust control algorithms of complex dynamic systems with minimum entropy production. Part1: simulation of entropy-like dynamic behavior and Lyapunov stability // Journal of Advanced Computational Intelligence. – 1999. – Vol.3, – No. 2.
15. MURATA GIRL / Murata Manufacturing Company, Ltd. – 2011. – URL: https://www.murata.com/en-sg/about/mboymgirl/mgirl (дата обращения: 01.12.2019). – Text: electronic.
16. Wieser E. Machine learning for a miniature robotic unicycle // Master of science thesis of Cambridge University. – 2017. – UK.
17. De Vries J.F. Redesign & implementation of a moment exchange unicycle robot // Master of science thesis of Twente University. – 2018. – Netherlands.
18. Kim S., Lee J., Hwang J. et all Dynamic modeling and performance improvement of a unicycle robot // J. Instit. of Control, Robotics and Systems. – 2010. –Vol. 16. – No 11. – Pp. 1074-1081.
19. Ulyanov S.V. et al. System and method for stochastic simulation of nonlinear dynamic systems with a high degree of freedom for soft computing applications // USA Patent Application Publication - US 2004/0039555 Al. - 2004
20. Ульянов В.С. Моделирование неголономных, существенно нелинейных динамических систем с использованием методов мягких вычислений, с приложениями: диссертация к.т.н. – 2001. – Текст: непосредственный.
21. Ульянов B.C. Математическая модель интеллектуальной системы управления комплексным, лобально неустойчивым объектом на основе мягких вычислений / B.C. Ульянов, А.В. Язенин // Изв. РАН. ТиСУ. – 2001. – №3. – Текст: непосредственный.
22. Ulyanov S.V. Self-organization quantum robust control methods for situations with uncertainty and risk. – Patent US No 2013 / 0096698 A1 // Application 14.11.2011 (USA), published 18.04.2013 (USA). Priority 14.10.2011(USA). – Text: unmediated.
23. Tribus M. Why thermodynamics is a logical consequence of information theory / Tribus M., Shannon P.T., Evans R.B. // A. I. Ch. E. Journal. – 1966. – Vol. 12. – No 2. – Pp. 244 -248. – Text: unmediated.
24. Bais F.A. Physics of information / F.A. Bais, J.D. Farmer // SFI WORKING PAPER: 2007-08-029. The Handbook on the philosophy of information, Ed by J. van Benthem and P. Adriaans. – 2009. – URL: www.santafe.edu (дата обращения: 11.12.2019). – Text: electronic.
25. Basic relations of quantum information theory Pts 1&2 / S.V. Ulyanov [et al] // System Analysis in Science and Education. – 2018. – No 1. – URL: http://sanse.ru/download/303 (дата обращения: 01.12.2019). – Text: electronic.
26. Cheng H-C. Properties of noncommutative Renyi and Augustin information / Cheng H-C, Gao L., Hsieh M-H. – URL: ArXiv:1811.04218v1 [quant-ph] (дата обращения:01.12.2019). – Text: electronic.
27. Dupuis F. Swiveled Renyi entropies / Dupuis F., Wilde M.M – URL: ArXiv:1506.00981v4 [quant-ph] (дата обращения:01.12.2019). – Text: electronic.
28. Логические и квантовые парадоксы интеллектуальных квантовых и мягких вычислений / С.В. Ульянов [и др.] // Системный анализ в науке и образовании: сетевое научное издание. – Дубна, 2010. – №2. – URL: http:/www.sanse.ru/arch ive/ 5. – 0421000111\0018 (дата обращения:01.12.2019). – Текст: электронный.
29. Wilson S. Pheeno, a versatile swarm robotic research and education platform / S. Wilson [et al.] // IEEE Robotics and Automation Letters. – 2016. – Vol. 1. – № 2. – Pp. 884-891. – Text: unmediated.
30. Safe, remote-access swarm robotics research on the robotarium / Pickem D. [et al]. – URL: ArXiv:1604.00640v1 [cs.RO] (дата обращения: 01.12.2019). – Text: electronic.
31. Ульянов С.В. Технологии интеллектуальных вычислений: Квантовые вычисления и программирование в самоорганизующихся интеллектуальных системах управления / С.В. Ульянов, А.Г. Решетников, Г.П. Решетников. – УНЦ ОИЯИ, Дубна, 2015 (УНЦ-2015-56). – Текст: непосредственный.
32. Проблемы управления квантовыми и релятивистскими динамическими системами / Б.Н. Петров [и др.]. – Москва: Наука, 1982. – Текст: непосредственный.
33. Sagawa T. Erratum: Minimal Energy Cost for Thermodynamic Information Processing: Measurement and Information Erasure (Phys. Rev. Lett.102, 250602 (2009)) / Sagawa T, Ueda M. // Phys. Rev. Lett. – 2011. – Vol. 106. – No 18. – Text: unmediated.
34. Horowitz J.M. Second-law-like inequalities with information and their interpretations / Horowitz J.M., Sandberg H. // New Journal of Physics. – 2014. – Vol. 16. – Pp. 125007. – Text: unmediated.

Полный текст статьи (pdf)