Роботы и робототехника: Дайджест Университета ИТМО
Широкое использование роботов во всех сферах науки и повседневной жизни привлекает внимание ученых со всего мира. В частности, сотрудники Университета ИТМО, недавно ставшего одним из лидеров Проекта 5–100, известны научными достижениями в этой области. В этом дайджесте — статьи о последних исследованиях и разработках в сфере робототехники, опубликованные в журналах Университета ИТМО, начиная от стабилизации двуногих роботов и заканчивая внедрением технологии дополненной реальности в пилотируемые космические комплексы.
2011 г.
Программно-аппаратный комплекс для исследования автоматного управления мобильными роботами
(С.А. Алексеев, В.О. Клебан, А.А. Шалыто)
Эта работа представляет собой краткое описание комплекса, состоящего из мобильного робота на платформе Arduino, системы управления для проектирования конечных автоматов и протокола для связи контроллеров реального и виртуального роботов. Модель робота спроектирована в САПР Solidworks, и с ней можно работать в среде эмуляции Webots. Статья будет полезна начинающим и опытным разработчикам, которым интересно применение автоматного подхода к управлению роботами.
Алгоритм управления автономным двухколесным мобильным роботом «Мотобот»
(А.А. Бобцов, А.С. Боргуль, К.А. Зименко, А.А. Пыркин)
Актуальным в последнее время становится решение задач, связанных с движением автономных мотоциклов, которые способны перемещаться практически по любой местности. В этой работе проведен анализ математической модели движения автономного робота «Мотобот», представляющего собой миниатюрный двухколесный мотоцикл. Также в ней показано, как стабилизировать вертикальное положение этого робота и реализовать дистанционное управление.
Технология Lego Mindstorms NXT в обучении студентов основам адаптивного управления
(А.А. Бобцов, Ю.А. Капитанюк, А.А. Капитонов, С.А. Колюбин, А.А. Пыркин, С.А. Чепинский, С.В. Шаветов)
Современная молодежь, как правило, не представляет, где могут пригодиться знания математики, физики и информатики. Авторы этой статьи предлагают образовательную технологию, в рамках которой студенты должны собрать робота из конструктора Lego Mindstorms NXT и, зная законы адаптивного управления, запрограммировать контроллер, заставляющий робота передвигаться и обходить препятствия. В статье приведены четыре примера лабораторных работ, которые повысят внимание и интерес учащихся к теории управления.
Анализ эффективности использования GPU для автоматического синтеза системы управления мобильным роботом
(А.А. Сергеев, В.О. Клебан, А.А. Шалыто)
На сегодняшний день известно множество методов синтеза систем автоматического управления (САУ). Авторы статьи впервые решают задачу синтеза САУ мобильного робота с помощью генетических алгоритмов (ГА). Для эксперимента была выбрана задача «Сумо роботов». В работе приводится модель САУ робота-сумоиста и сравнивается эффективность различных ГА.
2012 г.
Исследование пьезоэлектрических актюаторов микроробота
(П.Ю. Гедько, А.Б. Смирнов, С.И. Пугачев, Е.Ю. Рытов)
В робототехнике все большую актуальность приобретают миниатюрные исполнительные устройства ввиду экономии материалов, а также надежности и точности выполняемых ими операций. Авторы статьи рассматривали движение микроробота со сферическим шарниром, который состоит из шарика и трубчатого актюатора. Изучив особенности изготовления таких актюаторов, авторы доказали эффективность технологии ультразвукового формообразования.
Беспилотные летательные аппараты в лесопромышленном комплексе: возможности новых технологий
(С.П. Присяжнюк)
Одним из приоритетных направлений в приборостроении является разработка беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В сфере лесной промышленности БПЛА, собирающие фото- и видеоинформацию, позволяют решать задачи, связанные с охраной леса, предотвращением пожаров и поиском пропавших. В статье подробно описано, какие проблемы может решить внедрение БПЛА в работу лесопромышленного комплекса и в чем основные достоинства использования этих устройств.
Оптико-электронное устройство автоматической посадки автономного летающего робота
(В.О. Иванов)
Большое число авиакатастроф возникает из-за неправильной посадки летательного аппарата (ЛА). Автоматизация процесса посадки актуальна и вместе с тем сложна в реализации. В качестве возможного решения предлагается использовать бортовые телекамеры, которые играют роль датчиков навигации малогабаритными автономными БПЛА. Автор приводит результаты эксперимента с макетом поворотной камеры, а также оценку погрешностей разработанного устройства.
Особенности разработки пользовательского интерфейса мобильного информационного робота
(М.В. Прищепа, К.Ю. Баранов)
Многие организации ищут новые способы автоматизации процессов передачи и получения информации. Актуальным в этом плане является создание мобильного робота, способного обрабатывать, озвучивать и выводить на экран нужные пользователю данные. В этой статье приводятся особенности человеческого восприятия, на основании которых предлагается разработка информационного робота. Также показано, как этот робот можно использовать для оказания услуг в торговом центре и других учреждениях.
2013 г.
Алгоритм управления движением мобильного колесного робота в задаче слежения за экзосистемой
(Г.И. Болтунов, А.В. Лямин, А.И. Петрик)
Важной задачей робототехники является слежение за подвижным объектом, параметры движения которого неизвестны. Решением этой задачи может стать построение системы-наблюдателя, способной оценить состояние объекта. В работе приводится математическая модель колесного робота, на основе которой строятся законы управления в динамично меняющемся окружении.
Анализ влияния ветровых возмущений на систему стабилизации курса летательных аппаратов
(В.В. Григорьев, А.Б. Бушуев, А.Н. Коровьяков, Ю.В. Литвинов)
Системы автоматического управления ЛА подвергаются влиянию большого объема случайных возмущений, учет которых требует громоздких вычислений. Для упрощения вычислений в работе вводится скалярная характеристика системы — объем эллипсоида правдоподобия. С течением времени характер изменения этого значения будет определять динамические свойства системы стабилизации курса ЛА.
Синтез системы управления квадрокоптером с использованием упрощенной математической модели
(А.А. Пыркин, Т.А. Мальцева, Д.В. Лабадин, М.О. Суров, А.А. Бобцов)
В процессе стабилизации БПЛА возникает много трудностей, одной из которых является сложность вычислений. В работе исследуется задача синтеза алгоритма управления мультироторным ЛА с целью его стабилизации в пространстве. Авторы предлагают разложить сложную динамическую систему на более простые независимые компоненты, чтобы упростить анализ замкнутой системы.
2014 г.
Совершенствование Police Office Model для обеспечения безопасности роевых робототехнических систем
(И.А. Зикратов, А.В. Гуртов, Т.В. Зикратова, Е.В. Козлова)
Police Office Model — это модель обеспечения информационной безопасности особыми структурами, которые носят название полицейских участков. В рамках этой работы был разработан защитный механизм на базе POM, который способен выявлять и нейтрализовывать информационные атаки. Также в среде V-REP был проведен численный эксперимент с использованием муравьиного алгоритма для защиты роя роботов.
Построение модели доверия и репутации к объектам мультиагентных робототехнических систем с децентрализованным управлением
(И.А. Зикратов, Т.В. Зикратова, И.С. Лебедев, А.В. Гуртов)
Мультиагентные робототехнические системы имеют ряд недостатков — децентрализованное управление, непредсказуемость и удаленность расположения агентов — которые делают ее уязвимой для атак роботов-диверсантов. В работе рассмотрены методы «мягкой» защиты с целью выявления и нейтрализации роботов, снижающих эффективность системы. В предложенной модели вводятся понятия доверия и репутации, которые помогают вычислить роботов-диверсантов.
Архитектура системы удаленного управления робототехническими объектами
(C.В. Шаветов, А.А. Ведяков, А.А. Пыркин)
Рост числа облачных сервисов сегодня позволяет управлять практически любым устройством, имеющим выход в Интернет. В статье описана разработанная архитектура, которая управляла роботами Lego Mindstorms TXT и Parallax Boe-Bot. Авторы статьи решали две задачи — передачи данных между объектом и пользователем и мониторинга положения удаленного объекта. В итоге была разработана универсальная архитектура удаленного управления, которая не зависит от объекта управления и работает без длительных задержек.
Адаптивное управление двухзвенным роботом-манипулятором на базе метода последовательного компенсатора
(А.А. Маргун, К.А. Зименко, Д.Н. Базылев, А.А. Бобцов, А.С. Кремлев)
Достаточно важным является вопрос о способе управления роботом-манипулятором, так как от него во многом зависит качество всей системы управления. Немногие из методов управления учитывают такие особенности системы, как нестационарность ее параметров и внешние возмущения. Описанный в статье адаптивный метод прост в реализации, и результаты моделирования указывают на его эффективность.
Система управления беспилотным летательным аппаратом, оснащенным робототехническим манипулятором
(А.А. Маргун, К.А. Зименко, Д.Н. Базылев, А.А. Бобцов, А.С. Кремлев, Д.Д. Ибраев, М. Чех)
Интерес к БПЛА, способным переносить строительные блоки или протягивать кабель, в последнее время заметно вырос, однако число исследований в области стабилизации и управления этими устройствами остается невысоким. В этой работе предлагается метод управления комбинированным роботом, состоящим из квадрокоптера и прикрепленной к нему роботизированной руки-манипулятора. Кроме того, в ней решена задача синтеза системы управления беспилотником, в которой компенсируется реактивный момент, создаваемый манипулятором.
Задача планирования действий информационного беспилотного летательного аппарата
(Л.М. Неугодникова)
Среди множества подходов к управлению группами БПЛА авторы не нашли ни одного, который учитывал бы разнородность беспилотников в группе, в то время как БПЛА в современных авиационных системах могут выполнять совершенно разные задачи. Для повышения эффективности таких систем предлагается учитывать особенности управления отдельными ее членами. В предложенной статье ставится задача управления траекторией полета БПЛА, выполняющего фотосъемку определенной области.
2015 г.
Способы стабилизации двуногих роботов в положении стоя на подвижной опоре
(Д.Н. Базылев, А.А. Пыркин, А.А. Маргун, К.А. Зименко, А.С. Кремлев, Д.Д. Ибраев, М. Чех)
Большое число исследований и разработок посвящено шагающим роботам, и сегодня многие наслышаны об ASIMO и BigDog. В отличие от прошлых работ, авторы рассматривают задачу стабилизации робота, перемещающегося по поверхности с переменными углом наклона и угловой скоростью. В статье описаны два способа решения задачи: в первом строятся кинематическая и динамическая модели робота, во втором — только кинематическая. Результаты указывают на эффективность каждого из этих способов при определенных условиях.
Алгоритмы управления летающим роботом при слежении за подвижным объектом
(Буй Ван Шон, А.Б. Бушуев, Г.М. Шмигельский, Ю.В. Литвинов, Е.Г. Щаев)
Одной из областей применения БПЛА является слежение за объектами. Квадрокоптеры идеально подходят для решения задач из этой области благодаря своей высокой маневренности и низкой себестоимости. В рамках этой работы был разработан ряд алгоритмов для анализа изображений, получаемых фронтальной камерой, которая крепится к квадрокоптеру. Сравнение снимков, сделанных в разных точках полета, позволяет реализовать метод стереоскопического зрения, с помощью которого можно измерить расстояние от БПЛА до объекта.
Инженерно-психологический анализ технологий дополненной реальности для визуальной поддержки дистанционного управления роботом манипулятором
(В.М. Усов, Ф.М. Кулаков, Б.И. Крючков, С.Э. Чернакова, А.А. Карпов)
Немало исследований проведено на стыке областей робототехники и космонавтики. Несмотря на это, актуальными задачами, по мнению авторов, являются поиск оптимального управления антропоморфным роботом на расстоянии и организация информационной поддержки в процессе взаимодействия с удаленным роботом. В статье предлагается провести инженерно-психологический эксперимент, в котором взаимодействие человека-оператора с манипулятором будет сопровождаться использованием технологии дополненной реальности и метода «обучения показом движения».
Математическое описание работы гидродинамического стенда с системой поддержания давления, содержащей разгруженный клапан
(А.В. Красильников)
Достижения в области робототехники также помогают решать задачи освоения Мирового океана. Для создания пусковых систем, в которых используются подводные роботы, и проведения с их помощью экспериментов требуется специальное оборудование, называемое гидродинамическим стендом (ГДС). Проблема в том, что при запуске робота в камеру стенда давление в ней повышается, и это зачастую мешает точно определить характеристики пускового механизма. Для стабилизации давления в ГДС автор статьи предлагает включить в него разгруженный клапан и приводит математическое описание своей разработки в этой статье.
Прототип алгоритма посадки беспилотного летательного аппарата в условиях сложного рельефа
(Лэй Чжао, А.С. Конев, А.Г. Карманов)
Одна из задач, которую призваны решить БПЛА в целом и мультикоптеры в частности — анализ и съемка горной местности, в которую не может попасть человек. В рамках этой статьи был разработан прототип алгоритма, который анализирует местность и выбирает оптимальную траекторию посадки БПЛА в аварийной ситуации. Этот алгоритм был записан на борт мультикоптера и протестирован в условиях горного рельефа.
Робастная система динамического позиционирования для роботизированного макета надводного судна
(С.М. Власов, О.И. Борисов, В.С. Громов, А.А. Пыркин, А.А. Бобцов)
В целях экономии средств и снижения риска поломки физического судна авторы статьи предлагают проводить эксперименты на специальной робототехнической установке, оснащенной системой технического зрения. На одной из таких установок ими была апробирована система динамического позиционирования. Помимо результатов этого эксперимента, в статье также приведено математическое описание движения роботизированного макета.
Управление квадрокоптером с компенсацией ветровых возмущений
(И.В. Петраневский, О.И. Борисов, В.С. Громов, А.А. Пыркин)
В статье описано разложение математической модели БПЛА, а также проведен синтез регулятора для управления этой моделью. Благодаря методу последовательного компенсатора, ветровыми возмущениями, которые в этой работе принимаются за неизвестные константы, можно пренебречь.
P.S. Если наш дайджест оказался для вас полезным, подписывайтесь на наш блог на Хабре. Это лучший способ поддержать нас в работе по его наполнению интересными материалами, друзья :)
