Васильев Иван Анатольевич

Санкт-Петербург, ЦНИИ РТК, нач. лаб., к.т.н

Вопросы управления группой роботов

Введение

В задачах управления мобильным роботом, перемещающимся в двумерном пространстве, есть три проблемы: локализация робота (определение текущих координат), построение траекторий движения и построение карты окружающего пространства. Для группировки роботов актуальны как эти три основные проблемы (разумеется, с учетом группы), так и проблема совместного движения роботов.

Типичная гетерогенная группировка состоит из следующих мобильных роботов:

1. Робот-лидер. Этот робот снабжён либо мощным набором сенсоров, либо мощными вычислительными ресурсами, а чаще всего, и тем и другим. Этот робот выполняет функции основного диспетчера группировки, который принимает решение о тактике и стратегии движения группы;

2. Робот-разведчик. Снабжён довольно слабыми сенсорами и вычислительными возможностями. Имея малые размеры, требуется для проезда в неизвестные области рабочей зоны для выяснения условий проезда;

3. Роботы-рабочие. Требуются для выполнения тех операций, для которых создана группировка. Снабжены специальными исполнительными устройствами и некоторым минимальным набором сенсоров, необходимых для безопасного движения в группе.

Методы исследований

Пусть гетерогенная группа роботов состоит из пяти роботов, параметры и назначение которых сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – состав группировки роботов.

Номер робота	Тип шасси	Состав	Назначение в группе
1	Шестиколёсный малый робот (характерный размер <0.3 м и масса <5 кг)	Одометры БИНС Телекамера Радиоканал Вычислитель Маяк	Разведка и построение грубой карты помещения
2
3	Шестиколёсный малый робот (характерный размер <0.3 м и масса <5 кг)	Одометры БИНС Стереозрение Подсветка Радиоканал Вычислитель Маяк	Построение точной трёхмерной модели помещения
4	Трёхколёсный средний робот, типа робота Pioneer (характерный размер 0.5 м и масса 15 кг)	Одометры УЗ-дальномеры Телекамеры Радиоканал Вычислитель	Наблюдение за роботами 1,2,3 для их локализации в группе Имитация радио-транслятора
5	Шестиколёсный большой робот (характерный размер 1 м и масса 100 кг)	Одометры ЛСД Радиоканал Вычислитель Телекамера	Лидер группы Строит маршруты движения группы и роботов Строит точную карту по показаниям других роботов и своего ЛСД Общается с членами группы через робота № 4

Типичный набор технологических операций (ТОПов) группировки роботов выглядит следующим образом:

1. ТОПы отдельных роботов:

a. Движение в целевое положение с объездом препятствий;

b. Построение карты;

c. Локализация на неизвестной карте;

d. Связь с другими объектами;

2. Совместные ТОПы :

a. ТОП «PING» - опрос роботов на предмет работоспособности (осуществляется от каждого робота к каждому в полном графе):

i. Работоспособность радиоканала/бортового вычислителя (отличить одно от другого не представляется возможным). Если неработоспособен, робот выбывает из группировки и далее в работе не учитывается;

ii. Работоспособность датчиков робота. Если какой-либо датчик робота неисправен, требуется это учесть и далее на этот датчик не рассчитывать;

iii. Работоспособность движителя робота. Если движитель неисправен, то можно использовать, лишь бортовой вычислитель и некоторые датчики робота;

b. Определение взаимного положения роботов и их положение на местности. Уточнение положений роботов на местности, зная положения других роботов;

c. ТОП «ОПАСНОСТЬ № n». При этом производится приостановка выполнения всех перемещений и всего радиообмена на n секунд;

d. ТОП «ПАУЗА» приостановка выполнения ТОПа до тех пор, пока не придёт команда «РАБОТА». Обмен по радиоканалу при этом не прекращается. Это может быть нужно для производства каких-либо ресурсоёмких вычислений всеми компьютерами группировки;

e. ТОП «СТОП». Прекращение выполнения любого ТОПа и перемещение всех роботов к роботу-лидеру;

f. ТОП «СТОП № n». Прекращение выполнения ТОПа роботом с № n. При этом робот временно не учитывается в составе группы;

g. ТОП «СМЕНА ЛИДЕРА на № n». Передача функций лидера роботу с № n. Возможно, с потерей качества. При этом номера роботов в группе не меняются!

h. ТОП «В ЦЕЛЬ x, y». Перемещение всей группировки в позицию, с координатами x, y. Реально лишь лидер должен находиться в целевой точке, другие роботы – рядом с ним. Понятие «рядом» определяется текущей конфигурацией препятствий вокруг целевого положения;

Здесь требуется пояснение п. 2.а.ii, в котором сказано: «Если какой-либо датчик робота неисправен, требуется это учесть и далее на этот датчик не рассчитывать». Одно из главных достоинств группы роботов по сравнению с одним роботом состоит в том, что, чаще всего, в группировке есть избыточность сенсоров. То есть, выход из строя одного сенсора не приводит к невозможности выполнить задачу - скорее всего он заменяем (видимо, с потерей качества) набором сенсоров других роботов группы.

Описание взаимозаменяемости датчиков

Для примера рассмотрим ситуацию группировки из пяти роботов. Два робота-разведчика (№1 и 2), один робот-рабочий (в данном случае для построения точных карт посредством прецизионных СТЗ, №3), один - наблюдатель, для контроля положения всех роботов группировки, №4 и робот-лидер с номером 5. Пусть слева в таблице приведен датчик, вышедший из строя, а правее те датчики, которые могут его заменитьДля проведения экспериментов создан макет группы, выполняющей задачи патрулирования помещений, обнаружения опасных объектов и т.п.

Таблица 2 – взаимозаменяемость сенсоров

Что сломано	Чем заменить сломанное
	№ робота		1			2			3			4			5
		дат.	ОМ	ИН	ТК	ОМ	ИН	ТК	ОМ	ИН	СТЗ	ОМ	УЗ	ТК	ОМ	ЛД	ТК
	1	ОМ		1										2
		ИН			1									2			3
		ТК						1			2			3			4
	2	ОМ					1							2
		ИН						1						2			3
		ТК			1						2			3			4
	3	ОМ								1				2
		ИН									1			2			3
		СТЗ			1			1						2			2
	4	ОМ			1			2			3			4			5
		УЗ
		ТК			1			1			1						1
	5	ОМ			2			2			2			2		1	2
		ЛД
		ТК												1

В таблице 2 сенсоры обозначены: ОМ – одометры (датчики колёс); ИН – бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС); ТК – телекамера; СТЗ – система технического зрения (телекамера(ы) и система обработки телеизображения); УЗ – ультразвуковые одометры; ЛД – лазерный сканирующий дальномер. Во второй строке сверху и во втором столбце таблицы слева номерами обозначены роботы. Цифрами обозначены те датчики, которыми можно заменить вышедший из строя датчик. К примеру, у робота №2 отказал ОМ (одометр), перемещаемся правее по строке и видим, что его можно заменить показаниями ИН (БИНС) того же робота, либо телекамерой робота-наблюдателя (робот №4). Если для замены датчика требуется несколько датчиков других роботов, то в соответствующей строке несколько ячеек будут обозначены одинаковыми цифрами (для удобства выделены жирным шрифтом). Например, ТК (телекамера) у робота-наблюдателя (№4) может быть заменена набором всех телекамер у всех других роботов.

Здесь видно, что дальномеры (как ультразвуковые, так и лазерные) одного робота нельзя впрямую заменить датчиками других роботов. Но это можно сделать «виртуальным», т.е. расчётным, датчиком (в таблице не приведён).

Исходя из вышеприведённого, получаем те Задачи, которые должна решать группировка роботов:

1. Построение карты помещения. Малые роботы осуществляют перемещение по заданному алгоритму в пределах рабочей зоны. При этом происходит построение карт. Эти карты сшиваются, и получается предварительная карта помещения. Затем на этой карте строится маршрут для движения робота с прецизионной СТЗ. Маршрут строится такой, чтобы робот мог обозреть всю карту, исключая те места, где он не сможет проехать. По показаниям СТЗ лидер строит детальную трёхмерную карту.

2. Патрулирование помещений. Малые роботы производят патрулирование, т.е., объезд помещений на предмет выявления изменений. Если таковые выявлены, то производится вызов робота с СТЗ для того, чтобы можно было детально проанализировать изменения.

3. Поиск объектов. Группировка производит объезд всей рабочей зоны для поиска либо определённого объекта (параметры которого заранее известны), либо потенциально интересных объектов, которые могут представлять интерес