Разработка и исследование алгоритмов управления многозвенными колесными мобильными роботами с применением методов искусственного интеллекта

Рассмотрены уравнения движения мобильных колесных роботов, в том числе состоящих из нескольких звеньев. На основании кинематических уравнений движения колесных роботов разработаны алгоритмы формирования оптимальных управлений по различным критериям оптимальности. Проведены экспериментальные исследования по оценке алгоритмов управления вдоль оптимальных траекторий движения. Разработаны методики по оценке экспериментальных данных, а также верификации реальных геометрических размеров мобильного робота по экспериментальным данным ввиду их существенного влияния на траекторию движения. Разработан алгоритм, обеспечивающий формирование управления для движения вдоль непрерывных траекторий, связывающих начальное и конечное положение колесного робота с любыми ориентациями в данных точках. Выполнен анализ работ, посвященных созданию нейросетевых систем управления По результатам анализа выявлены наиболее перспективные архитектуры и виды искусственных нейронных сетей, имеющие наибольший потенциал развития и использования для задач управления мобильными роботами. Предложена система управления многозвенным колесным роботом в виде искусственной нейронной сети нижнего уровня на базе сверточной нейронной сети, которая обеспечивает получение данных с мультисенсорной информационно-измерительной системы и определение положения, скорости и формы препятствия. Информация о препятствиях передается на верхний уровень - искусственную нейронную сеть, отвечающую за формирование маневра - управляющего воздействия, обеспечивающего объезд препятствия с учетом положения и ориентации каждого из звеньев колесного робота. Обучающие маневры формируются на основании численного решения уравнений движения, обеспечивающих оптимальность управления. В качестве входных данных используются скорость робота в начальный момент времени, координаты препятствия и параметры, определяющие его форму, а на выходе формируются параметры маневра для его объезда. Разработана трехмерная модель натурного образца многозвенного мобильного колесного робота, состоящего из приводной платформы и нескольких прицепов («автопоезд»), создан прототип. Проведены эксперименты по апробации алгоритмов управления, реализующих движение вдоль оптимальных траекторий. Подготовлены программное обеспечение и система захвата движения для восстановления траектории движения мобильного робота и его ориентации. Предложена методика верификации геометрических параметров (размеров) мобильного колесного робота на основании экспериментальных данных ввиду их существенного влияния на траекторию движения при отклонении геометрических размеров от идеальных значений. Разработана мультисенсорная информационно-измерительная система для многозвенного мобильного робота, которая состоит из датчиков ориентации каждого звена, датчиков угловых скоростей управляемых колес, однолучевого лазерного сканера для определения препятствий, окружающих мобильный робот в процессе его движения. Разработаны алгоритмы и программные модули для обработки информации с указанных датчиков. Проведены экспериментальные исследования оптимальных алгоритмов управления прототипом многозвенного мобильного колесного робота, реализующих базовые маневры движения: прямолинейное движение, движение задним ходом, поворот на заданный угол, парковка, «змейка». Получена оценка разработанных алгоритмов оптимального управления движением для различных критериев оптимальности при изменяющейся конфигурации многозвенного мобильного робота. На базе полученных оптимальных управляющих воздействий для многозвенных мобильных роботов при их различных конфигурациях сформирован набор маневров, которые используются при обучении искусственной нейронной сети. Представлен алгоритм управления, реализующий искусственную нейронную сеть для формирования стратегии движения многозвенного мобильного робота в недетерминированной среде (в том числе в присутствии человека) на основании информации с мультисенсорной измерительной системы, в том числе алгоритм определения появления человека в зоне видимости сенсоров и алгоритм управления движением мобильного робота для исключения столкновения с человеком или безопасного взаимодействия с ним. Представлены результаты экспериментальных исследований по оценке работоспособности искусственной нейронной сети для движения мобильного робота в недетерминированных условиях окружающей среды (в том числе в присутствии человека) при различных конфигурация многозвенного мобильного робота. Полученные результаты подтвердили гипотезу о возможности использования базовых маневров, полученных с помощью моделирования, для обучения искусственной нейронной сети, которая в дальнейшем может быть использована для управления реальным прототипом мобильного колесного робота. По результатам работы сделано 10 докладов на конференциях, опубликовано 2 статьи в журналах, входящих в базу данных WoS.