Модели и алгоритмы планирования движений автономных мобильных роботов-ретрансляторов для обеспечения работы подвижной коммуникационной сети тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Собольников, Сергей Александрович

• Собольников, Сергей Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Собольников, Сергей Александрович

Содержание

Введение

Глава 1. Анализ проблем и существующих методов планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов для обеспечения функционирования подвижной коммуникационной сети

1.1. Подвижные коммуникационные сети на базе автономных мобильных роботов-ретрансляторов

1.2. Особенности планирования действий в группах мобильных роботов для обеспечения работы подвижной коммуникационной сети

1.3. Цель и задачи диссертационной работы

Глава 2. Разработка системы планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов

2.1. Методика планирования движений мобильных роботов-ретрансляторов

2.2. Структурно-функциональные модели системы планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов

2.3. Решение задачи распределения группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов по местности

2.4. Решение задачи планирования скоординированных движений автономных мобильных роботов-ретрансляторов в составе группы

2.5. Выводы по второй главе

Глава 3. Разработка программного обеспечения и моделирование системы планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов

3.1. Описание разработанного программного обеспечения для

моделирования работы ПКС

3.2. Результаты моделирования

3.3. Выводы по третьей главе

Глава 4. Разработка экспериментального образца и исследование подвижной коммуникационной сети на базе автономных мобильных роботов-ретрансляторов

4.1. Описание разработанного экспериментального образца подвижной

коммуникационной сети

4.2. Результаты натурного эксперимента

4.3. Выводы по четвертой главе

Выводы и заключение

Список сокращений

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и алгоритмы планирования движений автономных мобильных роботов-ретрансляторов для обеспечения работы подвижной коммуникационной сети»

ВВЕДЕНИЕ

Беспроводные коммуникационные сети играют важную роль в современной жизни, с их помощью обеспечивается связь удаленных объектов, работа телевизионной аппаратуры, доступ к интернету. Актуальность создания таких сетей определяется важной ролью, которую играют коммуникации во всех областях народного хозяйства, а также в обеспечении обороноспособности и безопасности граждан. Решением этой задачи занимаются во многих странах, и дальнейшее развитие данного направления имеет широкие перспективы.

В основе функционирования коммуникационных радиосетей лежит принцип ретрансляции сигнала, для реализации этого принципа требуются специальные узлы связи (ретрансляторы). В роли таких узлов обычно выступают стационарные радиостанции. Однако решение ряда специальных задач, например проведение военных или аварийно-спасательных операций, требует создания подвижных коммуникационных сетей (ПКС), способных не просто обеспечивать коммуникационное соединение, но и изменять форму области покрытия в ходе выполнения задачи путём изменения конфигурации мобильных узлов связи. Для построения таких сетей необходимо иметь мобильные узлы связи, в качестве которых применяют переносные радиостанции, специально оборудованные автомобили, самолеты и т.д. Пример осуществления реконфигурируемой тактической оперативной связи представлен на рисунке 1. Между тем подобные средства имеют общий недостаток - присутствие человека - оператора. Использование же в качестве мобильных узлов связи автономных мобильных роботов-ретрансляторов (АМРР) позволит минимизировать участие человека в создании коммуникационной сети и сосредоточиться на выполнении основных задач, а также снизить риск потери мобильных узлов связи и повысить незаметность средств связи и уровень защиты от несанкционированного доступа [4].

Зоново-трассоеь* ретранслятор

Зои оео-трассовый ретранслятор

Ретрансляция с временным делением

10-15 КМ

10-15 км

Абоненте

(5 ^-телефоном

Рис. 1. Осуществление реконфигурируемой тактической оперативной связи [4]

Под подвижными коммуникационными сетями ПКС в данной работе понимается группа автономных мобильных узлов связи (ретрансляторов), работающих совместно, для создания на местности непрерывной устойчивой радиосвязи в области, конфигурация которой может изменяться во времени.

Как уже отмечалось, возможный пример использования ПКС - это обеспечение тактической связи в зонах проведения военных операций. Для этого необходима высокая мобильность средств связи, которые должны быстро реагировать на изменение обстановки, обеспечивая военные соединения устойчивым радиосигналом и одновременно ограничивая доступ к оперативной связи со стороны противника.

ПКС должны оперативно развертываться на местности, меняя топологию сети в зависимости от условий среды с учетом обеспечения защиты от несанкционированного доступа. Это требует от мобильных роботов наличия

развитой системы очувствления, налаженного взаимодействия с другими роботами группы и с человеком-оператором. Кроме того, сеть должна поддерживать высокую степень живучести, отказ одного или нескольких роботов, не должен влиять на выполнение основной задачи.

Следует отметить, что подобные группы мобильных роботов могут быть полезны не только для решения военных задач, но и в целом ряде других случаев, таких как: аварийно-спасательные операции, освоение новых территорий, обеспечение временной связи в местах, где стационарные узлы связи были повреждены, проведения различных массовых мероприятий, например выставок и т.д.

Для того чтобы создавать коммуникационную сеть сложной конфигурации на обширной территории необходимо иметь группу из большого количества мобильных роботов. Организация управления такими большими группами требует большого количества специалистов, обслуживающих такие сложные системы, что негативно сказывается на качестве управления, из-за увеличения времени принятия решений и ошибок, присущих человеку-оператору. Поэтому мобильные роботы, входящие в состав сети, должны обладать высоким уровнем автономности [5, 2], при котором оператор принимает минимальное участие в процессе управления.

Повышение автономности также ведет к увеличению экономической эффективности применения подобных систем за счет уменьшения затрат на содержание большого штата специалистов и на организацию сложных интерфейсов между ПКС и человеком-оператором, равно как и за счет улучшения качества управления и снижения риска потери оборудования вследствие ошибок, присущих человеку. Также применение большого количества простых по своим функциональным возможностям и конструктивно одинаковых роботов ведет к удешевлению их производства.

Для повышения автономности подобных робототехнических комплексов должны широко использоваться преимущества мехатронного подхода к

проектированию [26], в первую очередь - это интеллектуализация управления и планирования движений группы АМРР. При этом важной частью системы группового управления должен быть механизм планирования совместных действий, направленных на выполнение задач, стоящих перед ПКС. Среди них можно выделить задачу распределения группы АМРР для покрытия коммуникационной сетью заданной на карте области. В этом случае система планирования должна производить расчет необходимого количества АМРР и координаты целевых позиций, которые роботам нужно занять, чтобы обеспечить коммуникационную связь в заданной области. Однако, в связи с тем, что в процессе работы ПКС меняет свою конфигурацию, т.е. осуществляет переход от одной области покрытия к другой, возникает необходимость в решении задачи планирования скоординированных движений группы роботов между несколькими заданными областями. Эта задача предполагает обеспечение перемещения роботов с учетом обхода препятствий и предотвращения столкновений между членами группы, а также поддержание радиосвязи между АМРР во время перемещения. Решению этих задач и посвящена настоящая диссертация.

Научным руководителем работы выступил д.т.н. доц. И.Л. Ермолов (МГТУ «СТАНКИН»).

Диссертационная работа основывается на результатах исследований в области робототехники и мехатроники, отраженных в трудах И.М. Макарова, Д.Е. Охоцимского, И.А. Каляева, Ю.М. Соломенцева, В.Г. Градецкого, С.Г. Капустяна, В.М. Лохина, C.B. Манько, Е.И. Юревича, Р. Аркина, Т. Балча, В. Кумара, М. Матарик и других отечественных и зарубежных ученых.

Основные результаты данной работы были реализованы в рамках государственного контракта от «19» апреля 2011 г. № 16.513.11.3052 «Разработка принципов построения подвижных реконфигурируемых коммуникационных сетей» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по

приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса на 2007-2013 годы».

Автор хочет выразить благодарность Е.В. Алпатовой, Борисову А.Д., Кузину H.A., Чеканину В.А, оказавшим в различной форме помощь в работе над диссертацией.

Цель исследования - создание методики, моделей, алгоритмического и программного обеспечения для планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов, входящих в состав подвижной коммуникационной сети.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведение анализа современных методов и средств построения подвижных коммуникационных сетей.

2. Построение методики планирования движений в группе роботов-ретрансляторов, обеспечивающей функционирование подвижной коммуникационной сети.

3. Построение структурно-функциональной модели системы планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов, для обеспечения работы подвижной коммуникационной сети.

4. Разработка алгоритмов распределения роботов-ретрансляторов на местности для создания коммуникационной сети в заданной области, минимизирующих количество используемых роботов-ретрансляторов, площадь избыточного перекрытия заданной области и время выполнения задачи.

5. Разработка алгоритма скоординированного перемещения группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов, реализующих движение роботов без столкновений с поддержанием коммуникационного соединения.

6. Создание программного обеспечения, которое реализует предложенную систему планирования групповых действий, а также обеспечивает проведение компьютерного моделирования.

7. Разработка экспериментального образца и исследование системы планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов для создания подвижной коммуникационной сети.

Постановка цели и задач исследования подробно рассмотрена в первой главе диссертационной работы.

В ходе работы над диссертацией были использованы следующие методы исследований: методы системного анализа, теории графов, анализа и проектирования алгоритмов и компьютерных программ, вычислительной математики. Создание программных приложений велась с использованием технологий объектно-ориентированного программирования в средах Visual С++ и Delphi. Исследование работоспособности предлагаемых решений проводилось путем математического и имитационного моделирования с использованием разработанного автором программного обеспечения и натурных экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в:

1. методике планирования движений группы роботов-ретрансляторов, которая заключается в последовательном решении задач определения границ зоны покрытия, нахождения и назначения целевых позиций для роботов-ретрансляторов на местности, перемещения в целевые позиции с поддержанием коммуникационного соединения;

2. структурно-функциональной модели системы комбинированного планирования движений автономных мобильных роботов - ретрансляторов, обеспечивающей распределение функциональных задач между центральным вычислительным устройством и мобильными роботами группы;

3. алгоритме гексагонального покрытия для решения задачи распределения роботов на местности, особенностью которого является коррекция расположения целевых позиций для роботов на границах зоны, что позволяет снизить площадь избыточного перекрытия.

4. алгоритме распределения роботов-ретрансляторов на основе кластеризации к-средних, который отличается выбором начального распределения и итерационной процедурой добавления целевых позиций, что обеспечивает возможность полного коммуникационного покрытия заданной области.

5. комбинированном алгоритме распределения, основанном на совместном использовании алгоритмов гексагонального покрытия, кластеризации к-средних, а также процедуре исключения избыточных целевых позиций, который позволяет уменьшить количество требуемых целевых позиций, площадь избыточного перекрытия, а также сократить вычислительное время;

6. алгоритме переключения режимов управления, обеспечивающем локальное планирование перемещения робота-ретранслятора в составе группы, обеспечивающей работу ПКС, с учетом обхода препятствий, предупреждения столкновений и поддержания коммуникационного соединения.

Практической ценностью обладают следующие результаты.

1. Подход к созданию подвижных коммуникационных сетей путем использования автономных мобильных роботов-ретрансляторов в качестве подвижных узлов связи.

2. Разработана методика планирования движений группы роботов-ретрансляторов, которая заключается в последовательном решении задач распределения роботов-ретрансляторов на местности, назначения целевых позиций для роботов на карте и их скоординированного перемещения.

3. Создано программное обеспечение, реализующее методику планирования движений группы мобильных роботов-ретрансляторов на основе разработанных моделей и алгоритмов.

4. Построен экспериментальный образец подвижной коммуникационной сети на базе автономных мобильных роботов-ретрансляторов с использованием разработанного программного обеспечения.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата и подтверждается согласованностью теоретических выводов с результатами, полученными при моделировании и путем экспериментальных. исследований, а также положительным опытом внедрения.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты работы использованы при выполнении НИР «Проведение проблемно-ориентированных исследований по созданию подвижных реконфигурируемых информационных коммуникационных сетей на основе автономных мобильных мехатронных агентов» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса на 2007-2013 годы».

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная научная конференция «Robotics for risky interventions and Environmental Surveillance-Maintenance 5th IARP RISE'2011», 2011 год, Левен, Бельгия.; XXI Международная научно-техническая конференция «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА», 2010, Москва; Международная научно-техническая конференция «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА», 2011, Санкт-Петербург; Международная научно-техническая конференция «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА», 2012, Санкт-Петербург; Международная научно-техническая интернет-конференция молодых ученых «Автоматизация, мехатроника, информационные технологии», 2010, Омск; XV научная конференция «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИНФОРМАТИКА», 2013, Москва.

Внедрение результатов исследования. Ряд теоретических и практических результатов, полученных в диссертации, внедрены в МФ ФГУП АТЦ СПб Инженерно-Техническом и Учебном Центре Робототехники (ИТУЦР) и в

учебном процессе МГТУ «СТАНКИН», что подтверждается соответствующими актами о внедрении приведенными в приложениях 1 и 2.

Публикации. По тематике диссертации автором опубликовано 10 печатных трудов, из них 5 работ опубликовано в журналах из перечня ВАК РФ. По результатам работы получено 5 свидетельств на владение правами интеллектуальной собственности.

Изложение материалов диссертации построено следующим образом. В первой главе представлены принципы функционирования подвижных коммуникационных сетей. Проведен обзор существующих способов организации ПКС, по итогам которого сформулированы предпосылки создания таких сетей на базе АМРР. Также рассмотрены особенности планирования движений группы АМРР для обеспечения функционирования ПКС. В последнем пункте главы ставятся цель и задачи диссертации

Вторая глава посвящена разработке системы планирования движений группы автономных мобильных роботов-ретрансляторов. В первом разделе главы сформулирована методика планирования действий АМРР. Во втором пункте на основании сформированной методики предложены структурно-функциональные модели систем планирования, основанные на различных стратегиях управления. Далее приводится алгоритмическое обеспечение для реализации моделей планирования. В третьем пункте рассмотрено решение задачи распределения мобильных роботов для поддержки функционирования подвижной коммуникационной сети. Разработаны алгоритмы на основе гексагонального покрытия плоских фигур и метода кластеризации к-средних, позволяющие решать задачу распределения мобильных роботов по местности. В четвертом пункте приведены методы планирования скоординированного движения группы мобильных роботов на основе метода потенциалов и методов нахождения кратчайшего пути на графе.

Третья глава посвящена созданию программного обеспечения системы планирования действий в группе мобильных роботов-ретрансляторов,

позволяющих проводить анализ моделей и алгоритмов, представленных в главе 2, а также приведены результаты компьютерного моделирования.

Четвертая глава содержит материалы, полученные при экспериментальных исследованиях разработанных алгоритмов. В первом пункте главы представлено описание разработанных экспериментальных установок, далее приведено описание проведенных испытаний и полученные результаты.

В заключении работы приведена общая характеристика выполненных исследований и основные выводы по результатам диссертации.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ И СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПЛАНИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЙ ГРУППЫ АВТОНОМНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ-РЕТРАНСЛЯТОРОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОДВИЖНОЙ КОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ

1.1. Подвижные коммуникационные сети на базе автономных мобильных роботов-ретрансляторов

В первой главе представлены принципы функционирования подвижных коммуникационных сетей. Проведен обзор существующих способов организации ПКС, по итогам которого сформулированы предпосылки создания таких сетей на базе АМРР. Также рассмотрены особенности планирования движений в группе АМРР для обеспечения функционирования ПКС. В последнем пункте главы ставятся цель и задачи диссертации

1.1.1. Основные принципы ретрансляции

Основой для обеспечения связи в подвижных коммуникационных сетях служат ретрансляторы. В этом разделе кратко рассмотрим основные принципы ретрансляции.

Ретрансляция - прием сигналов на промежуточном пункте, их усиление и передача в прежнем или другом направлении (рис. 2). Ретрансляция предназначена для увеличения дальности связи. Может осуществляться мгновенно или с задержкой (сигнал запоминается в специальном устройстве и передается далее в предусмотренное время).[51]

Рис. 2. Ретрансляция радиосигнала

Ретрансляторы разделяют на активные и пассивные.

Ретранслятор активный — приёмо-передающее радиотехническое устройство, располагающееся на промежуточных пунктах линий радиосвязи, усиливающее принимаемые сигналы и передающее их дальше [33].

В качестве промежуточного пункта может использоваться как неподвижный объект (башня радиорелейной линии, здание), так и подвижный объект (например, спутник связи). Применяются в основном для увеличения площади распространения радиосигналов различного назначения.

Ретранслятор пассивный — устройство, определённой формы механическая конструкция, электропроводящая среда или небесное тело заранее известной или специально созданной формы, способное рассеивать или направленно отражать электромагнитное излучение рабочего диапазона частот линии связи и используемое в качестве промежуточного пункта этой линии [33].

В отличие от активных устройств, пассивные ретрансляторы успешно обслуживают сети связи из практически неограниченного числа линий с различными частотами радиосигналов, так как взаимные помехи на отражателе с линейными характеристиками отсутствуют. Применяются для обеспечения

радиосвязи (в том числе телевизионного сигнала) на местности со сложным рельефом, а также для космической связи.

1.1.2. Основные принципы функционирования подвижных коммуникационных сетей

Сформулируем основные принципы функционирования подвижных коммуникационных сетей на базе мобильных ретрансляторов.

По итогам исследования последних достижений в области создания и применения подвижных коммуникационных сетей, можно обозначить следующие основные принципы: автономность; подвижность; реконфигурируемость; малозаметность;

адаптируемость к изменениям окружающей среды; экономическая целесообразность; защищённость канала связи; робастность.

Рассмотрим эти принципы функционирования более подробно.

Автономность - это способность объекта существовать и выполнять свое функциональное предназначение в протяженных времени, пространстве, а также изменяющихся задачах и условиях окружающей среды, без необходимости взаимодействия с другими дружественными субъектами или субъектами высшего уровня иерархии [5, 6].

Для подвижной коммуникационной сети высокая степень автономности необходима по ряду причин:

организация ручного управления большим количеством роботов затруднительна;

ошибки, присущие человеку-оператору, часто ведут к выходу оборудования из строя;

присутствие временных задержек при телеуправлении, отсутствие сложного человеко-машинного интерфейса в системах с высоким уровнем автономности.

Принцип подвижности определяется, как возможность объекта перемещаться на расстояние, значительно превышающее размеры самого объекта.

В контексте коммуникационных сетей под подвижностью понимают способность сети перемещаться в рамках географических координат, то есть, в отличие от обычных стационарных сетей, изменять местоположение зоны покрытия коммуникационной сетью.

Под реконфигурируемостью понимают возможность перенастройки, изменения конфигурации аппаратных и/или программных средств коммуникационной сети. Очевидно, что для коммуникационной сети важным является возможность подключения новых ретрансляторов, применение различных протоколов информационного обмена, изменение формы зоны коммуникационного покрытия.

Для многих специальных задач является ключевым принцип малозаметности. Ещё со времён Первой мировой войны известно, что средства связи являлись одной из первых целей подавления. Эта тенденция наблюдается и в современных боевых действиях. Таким образом, малозаметность является важным принципом функционирования сети.

Адаптируемость к изменениям окружающей среды. В ходе функционирования коммуникационной сети возможны изменения параметров среды, которые могут оказать значительное влияние на такие показатели функционирования сети, как размеры и форма зоны покрытия сети, качество передачи информации, заметности (демаскировочные свойства) и другие.

Экономическая целесообразность определяется как результат деятельности, экономических программ и мероприятий, характеризуемый отношением полученного экономического эффекта, к затратам факторов, ресурсов, обусловившим получение этого результата, достижение наибольшего объема производства с применением ресурсов определенной стоимости. В ряде случаев экономическая целесообразность является важным определяющим фактором.

Экономическая эффективность применения ГЖС заключается в уменьшении количества персонала, обслуживающего ПКС и увеличении качества управлении за счет повышения автономности таких систем. А также при построении ПКС требуется большое количество простых по своим функциональным возможностям и конструктивно одинаковых роботов, что ведет к удешевлению их производства.

Защищённость канала связи определяется как защищённость канала от несанкционированного доступа к передаваемой информации. Помимо этого некоторые источники отдельно рассматривают защищённость в контексте помехозащищённости. В данной работе усиленное внимание уделяется именно защищённости от несанкционированного доступа к передаваемой информации. При этом увеличение диапазона радиосигнала ведет к повышению вероятности доступа к этому сигналу извне [32], поэтому для улучшения защищенности связи необходимо снизить площадь избыточного перекрытия области, в которой необходима коммуникационная связь.

Под робастностью в случае обеспечения работы коммуникационной сети понимается снижение влияния повреждения одного или нескольких мобильных ретрансляторов на функционирование сети в целом. Может осуществляться за счет возможности замены вышедшего из строя объекта или произведения перестроений сети для компенсации потери аппарата.

1.1.3. Мобильные средства ретрансляции

Для реализации одного из основных принципов подвижности коммуникационной сети в настоящее время используют различные мобильные средства размещения ретрансляторов. Проанализируем основные характеристики таких средств.

1. Ретрансляторы воздушного базирования. В качестве таких средств применяют: дирижабли, аэростаты, самолеты, вертолеты и беспилотные летательные аппараты (БПЛА) (рис. 3). Используются для приема, регистрации и ретрансляции различных видов радиосообщений на удаленные наземные и воздушные узлы связи, также применяются для разведки, радиолокационного дозора и патрулирования. Воздушное базирование этих аппаратов обеспечивает достаточно большую зону покрытия радиосигнала. Однако, например, в условиях проведения военных действий это зачастую является негативным фактором, поскольку в этом случае сигнал легко перехватить. Также следует отметить повышенную степень заметности средств воздушного базирования и их слабую защищенность от средств ПВО.

Самыми экономичными средствами воздушного базирования являются аеростаты, они способны длительное время находиться в воздухе, но такие аппараты обладают низкой скоростью, маневренностью и сильно зависят от погодных условий. Самолеты обладают большими скоростями, обеспечиваемыми мощными двигателями, что ведет к большому расходу топлива и соответственно увеличивает затраты на его использование. Особенностью вертолёта-ретранслятора является возможность зависания над определённой географической точкой и нахождение над ней в течение продолжительного времени, также они обладают лучшей маневренность по сравнению с самолетами. Неоспоримым преимуществом БПЛА является отсутствие пилота на борту, что уменьшает риск потери аппарата, а также значительно снижает его массогабаритные показатели.

Рис. 3. Ретрансляторы воздушного базирования, расположенные на: а)самолете; б)аэростате; в)вертолете; г)БПЛА [63]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Собольников, Сергей Александрович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Астраков С.Н., Ерзин А.И., Залюбовский В.В. Сенсорные сети и покрытие плоскости кругами, Дискретный анализ и исследование операций, Том 16, № 3. С. 3-19, Май-июнь 2009.

2. Баранов Д.Н., Ермолов И.Л., Плешаков Р.В., Подураев Ю.В. Повышение автономности мобильного робота "Вездеход-ТМЗ" на основе бортовой системы навигации, "Мехатроника, автоматизация, управление" №5. 2008.

3. Бурдаков С. Ф., Мирошник И. В., Стельмаков Р. Э., Системы управления движением колесных роботов. - СПб.: Наука, 2001.

4. Градецкий В.Г., Ермолов И.Л., Князьков М.М., Собольников С.А., Построение подвижных коммуникационных сетей на базе наземных автономных мобильных роботов, "Мехатроника. Автоматизация. Управление", № 11,2011.

5. Ермолов И.Л., Автономность мобильных роботов, её меры и пути её повышения. "Мехатроника, автоматизация, управление" №6,2008.

6. Ермолов И.Л., Повышение автономности мобильных роботов, как важнейшее направление развития современной робототехники, Вестник МГТУ "СТАНКИН", №2,2010.

7. Ермолов И.Л., Подураев Ю.В., Собольников С.А. Система планирования действий в группе мобильных роботов при создании подвижной коммуникационной сети// Труды международной научно-техническая конференция «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА», Санкт-Петербугр. 2012.

8. Ермолов И.Л., Илюхин Ю.В., Собольников С.А. Планирование траекторий движения в группе автономных мобильных коммуникационных роботов. "Вестник МГТУ "Станкин"" №4, 2012.

9. Ермолов И.Л., Собольников С.А. Решение задачи планирования скоординированных движений группы мобильных роботов для обеспечения работы подвижной коммуникационной сети. "Вестник МГТУ "Станкин"" №4, 2012.

Ю.Ермолов И.Л., Собольников С.А. Решение задачи распределения группы мобильных роботов для обеспечения работы подвижной коммуникационной сети. "Вестник МГТУ "Станкин"" №4,2012.

П.Ермолов И.Л., Собольников С.А. Программа коммуникационного покрытия произвольных областей мобильными роботами. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615241. 2012 Д.

12.Ермолов И.Л., Собольников С.А. Программа распределения целей в группе мобильных роботов. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615248. 2012.

13.Ермолов И.Л., Собольников С.А. Программа моделирование движения мобильных роботов. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615249. 2012.

14.Изюмов Н.М., Линде Д.П., Основы радиотехники. ГОСЭНЕРГОИЗДАТ, 1959,512 с.

15.Каляев И.А., Гайдук А.Р., Капустян С.Г., Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009, - 280 с. - ISBN 978-5-9221-1141-6.

16.Капустян С.Г. Метод организации мультиагентного взаимодействия в распределенных системах управления группой роботов при решении задачи покрытия площади // Искусственный интеллект. №3. 2004.

17.Кузнецов В.Ю., Задачи покрытия ортогональных многоугольников с запретными участками, Вестник УГФТУ, Т. 10, №2 (27). С. 177-182 , Уфа. 2008.

18.Кристофидес Н. Теория графов. Аналитический подход. М.:Мир. 1978.

19.Ласло М. Вычислительная геометрия и компьютерная графика на С++, Бином, 301 е., 1997.

20.Макаров И. М., Лохин В. М., Манько С. В., Романов М. П., Крюченков Е. Н., Кучерский Р. В., Худак Ю.И., Модели и алгоритмы планирования действий и распределения заданий в мультиагентных робототехнических системах // Мехатроника, автоматизация, управление, №5, 2012.

21.Макаров И. М., Рахманкулов В.З. Групповое управление роботами-манипуляторами с распределенно-централизованной организацией обработки информации // Микропроцессорные системы управления в радиотехнике. - М.: Наука, 1984.

22.Мартыненко Ю. Г. Управление движением мобильных колёсных роботов. Фундаментальная и прикладная математика том 11, №8, 2005.

23 .Минин А. А. Навигация мобильным роботом, оснащенным лазерным дальномером: диссертация кандидата технических наук: 50.02.05, Москва, 2008.

24.0хоцимский Д.Е., Павловский В.Е., Плахов А.Г., Туганов А.Н. Моделирование игры роботов-футболистов и базовые алгоритмы управления ими // Искусственный интеллект. №3. 2000.

25.Павловский В.Е., Плахов А.Г., Туганов А.Н. Моделирование игры роботов-футболистов в пакете «Виртуальный футбол» // Интеллектуальные и микропроцессорные системы -2001: Таганрог. 2001.

26.Подураев Ю.В., Мехатроника: основы, методы, применение: учеб. Пособие для студентов ВУЗов. - М.: Машиностроение, 2006.

27.Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия: Введение. — М.: Мир, 295 е., 1989.

28.Све Лин Хту Аунг. Навигация и управление движением мобильного робота в городских условиях: диссертация... кандидата технических наук: 50.02.05, Москва, 2011.

29.Станкевич JI.A. Мультиагентная технология в когнитивных системах управления автономными роботами // Экстремальная робототехника: Материалы XI науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГТУ, 2001.

30.Старченков А. Защищенная связь шестого поколения, Национальная оборона № 6,2012

31.Тот, Л. Ф. Расположения на плоскости, на сфере и в пространстве. М. : Физматлит, 1958.

32.Хорев А.А. Способы и средства защиты информации. М.: МО РФ, 1996.

33.Чистяков Н. И., Основы радиосвязи и радиорелейные линии, Связь, М., 184 е., 1979.

34.Юревич Е.И. О проблеме группового управления роботами. "Мехатроника, автоматизация, управление" №2,2004.

35. Юревич Е.И., Каляев И.А., Лохин В.М., Макаров И.М., Манько С.В.,. Романов М.Л. Интеллектуальные роботы: учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 360 с: ил. 2007.

36.Amit Patel, Amit's A* Pages: http://theory.stanford.edu/~amitp/GameProgramming/

37.Balch Т., Arkin R.C. Behavior-based Formation Control for Multirobot Teams // IEEE Transaction on Robotics and Automation. No 6. 1998.

38.Breitenmoser A., Schwager M., Metzger J., Siegwart R., Rus D. Voronoi Coverage of Non-Convex Environments with a Group of Networked Robots", Proc. of The IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), May 2010.

39.Cheng Yang, Maimone Mark W., Matthies Larry M. Visual Odometry on the Mars Exploration Rovers // IEEE Robotics & Automation Magazine.-2006.

40.Desai J.P., Ostrowski J.P., Kumar V. Modeling and control of formations of nonholonomic robots. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 17(6):905-908,2001.

41.Esposito J. M., Kumar V., A method for modifying closed-loop motion plans to satisfy unpredictable dynamic constraints at runtime, in: Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics Automation, p. 1691-1696,2002.

42.Gage D.W. Command Control for Many-Robot Systems, in the Nineteenth Annual AUVS Technical Symposium AUVS-92, reprinted in Unmanned Systems Magazine, vol. 10, no. 4, p. 28-34,1992.

43.Guo Y., Qu Z. Coverage Control for a Mobile Robot Patrolling a Dynamic and Uncertain Environment. In Proceedings of World Congress on Intelligent Control and Automation, pages 4899-4903, China, June 2004.

44.Hsieh M.A., Kumar V. Pattern generation with multiple robots, IEEE Int'l Conf. on Robotics and Automation, Orlando, 2006.

45.Kozlowski K., Pazderski D. Modeling And Control Of A 4-wheel Skid-Steering Mobile Robot. Int. J. Appl. Math. Comput. Sci., Vol. 14, № 4,477-496,2004.

46.Kumar V., Pereira G.A.S., Das A.K., Campos M.F.M., Decentralized Motion Planning for Multiple Robots Subject to Sensing and Communication Constraints // In Multi-Robot Systems: From Swarms to Intelligent Automata, Volume II, pages 267-278, 2003.

47.LaValle S. M., Planning Algorithms. Part II. Motion Planning, Cambridge University Press, 2006.

48.Lloyd S., "Least Squares Quantization in PCM", IEEE Trans. On Information Theory, vol. 28, no. 2, pp. 129-137,1982.

49.Mataric M J. Issues and approaches in the design of collective autonomous agents, Robot. Auton. Syst. 16, 321-331.1995.

50.Mataric M.J., Howard A., Sukhatme G.S., Mobile Sensor Network Deployment Using Potential Fields: A distributed, scalable solution to the area coverage problem // Proceeding of the International Symposium on Distributed Autonomous Robotic Systems, p. 299-308,2002.

51.Payne Kevin M. Broadband To The Battlefield Using Tactical Radio Relays, Maxwell Air Force Base, Alabama April 2006.

52.Pimenta L. С. A., Fonseca A. R., Pereira G. A. S., Mesquita R. C., Silva E. J., Caminhas W. M., Campos M. F. M., On computing complex navigation functions, in: Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics Automation, 2005, pp. 3463-3468.

53.Renzaglia A., Martinelli A. Distributed Coverage Control for a Multi-Robot Team in a Non-Convex Environment., Iros, 3rd Workshop: Planning, Perception and Navigation for Intelligent Vehicles. 2009.

54.Rimon, E. and Koditschek, D. E. Exact Robot Navigation Using Artificial Potencial Functions. IEEE Trans, on Robotics and Automation, 8(5):501-517. 1992.

55.Siciliano Bruno, Khatib Oussama. Springer Handbook of Robotics. SpringerVerlag Berlin Heidelberg. 2008. 1611c.

56.Simmons R., Singh S., Hershberger D., Ramos J., Smith T. First results in the coordination of heterogeneous robots for large-scale assembly, Proc. ISER 7th Int. Symp. Exp. Robot. Springer, New York, 2000.

57.Schwager M., Rus D., Slotine J. Decentralized, Adaptive Coverage Control for Networked Robots", International Journal of Robotics Research, vol. 28, № 3, p. 357-375, 2009.

58.Tanner H.G., Jadbabaie A., Pappas G.J. Stable flocking of mobile agents, part ii: Dynamic topology. In IEEE Conference on Decision and Control, 2003.

59.Wattenhofer R., Bahl L. Li, P., Wang Y.M. A cone-based distributed topology-control algorithm for wireless multi-hop networks, IEEE/ACM Trans. Netw. (2005).

60.Ye F., Zhong G., Cheng J., Zhang L., Lu S. Peas A robust energy conserving protocol for long-lived sensor networks, International Conference on Distributed Computing Systems. 2003.

61.Zhang H., Hou J.C. On deriving the upper bound of alphalifetime for large sensor networks, ACM Trans. Sensor Netw. (2005).

62.Интернет 1: http://en.wikipedia.org/wiki/Hungarian_algorithm (дата обращения 12.10.2011)

63.Интернет 2: http://sdelanounas.ru/blogs/7261/ (дата обращения 15.10.2013)

64.Интернет 3: http://m.wikipedia.org/wiki/Лyч-5Б (дата обращения 15.10.2013)

65.Интернет 4: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Космонавт_Юрий_Гагарин (дата обращения 15.10.2013)

66.Интернет 5: http://www.unmanned.vt.edu/news/robocup2010.html (дата обращения 15.10.2013)

67.Интернет 6: http://ш.wikipedia.org/wiki/Aлгopитм_Джapвиca(дaтa обращения 17.10.2013)

68.Интернет 7: http://ru.wikipedia.org/wiki/Aлгopитм_Гpэxeмa(дaтa обращения 17.10.2013)

69.Интернет 8: http://ш.wikipedia.org/wiki/Aлгopитм_быcтpoй_oбoлoчки(дaтa обращения 17.10.2013)

Проршор по наукой работе,, у и „

СПРАВКА

о внедрении результатов диссертационной работы , , ..СобЬльшковаС^' ^;, «Модели и алгоритмы планирования движений автономных р мобильных роботов-ретрансляторов для обеспечения работы подвижной ^¡фи^ац^^хт/^^^ представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук ^ по специальности: 05.13.01 - Системный анализ, управление иг обработка информащш

Результаты диссертационной работы Собольникова Сергея Александровича."Модели, и алгоритмы "планирования' движений автойош1Й|*мобильнйх роботов-ретрахюляторов ' для обеспечения работы подвижной коммуникационной = сети" использованы^ в г учебной деятельности федерального государственного,» бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНЮШ»)^в; ра^к^образовательиой программы для подготовки бакалавров и магастров по направлению 221 ООО "Мехатроникаи робототехника" и подготовке дипломированных специалистов! по1гаправлен1Ш -:652000 "Мехатроникаиробототехника". - 4 I, , '*'

В том числе, при чтении учебных дисциплин "Проектирование' мобильных роботов", "Управление роботов и РТС", "Математические методы обработки экспериментальных данных"," а также при подготовке дипломных проектов и магистерских диссертаций использованы следующие материалы, полученные при выполнении исследований в рамках диссертационной работы Собольникова С.А.: ,

• Методика планирования движений группы мобильных роботов,

• Алгоритмы распределения и перемещения группы мобильных роботов,

• Программное обеспечение и экспериментальные образцы автономных мобильных роботов для создания подвижной коммуникационной сети.

Начальник учебного управления ФБГОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН"

. 1

Заведующий каф. Робототехника и мехатроника,__ ✓ е?

ФБГОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН", д.т.н., профессо'р^^" Подураев Ю.В.

Зиневич Н.Н.

Директор МФ ФГУГТ

ПГЕДПГИЯТНЕ ГОСКОРПОРАЦНИ -ГОСАТОЧ»

МОСКОВСКИЙ ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИТАРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ "АВАРИЙНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР МИНАТОМ РОССИИ" (г. Сашгг-Пггсрбург)-

Поморскаа ул, а. 48. г. Москва, 127410, тел/факс: [phone], E-mail: mslt^nwaN>m.ra OKTIO 34367284, огрн 1027801552790, ИНШКЛП 7802145892/780201001

СПРАВКА о внедрении результатов диссертационной работы Собольникова С.А.

"Модели и алгоритмы планирования движений автономных мобильных роботов-ретрансляторов для обеспечения работы подвижной коммуникационной сети", представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации.

ЕРЖДАЮ СПб-ИТУЦР Гойдин О.П.

Результаты диссертационной работы Собольникова Сергея Александровича "Модели и алгоритмы планирования движений автономных мобильных роботов-ретрансляторов для обеспечения работы подвижной коммуникационной сети" использованы в научно-технической деятельности Московского филиала ФГУП АТЦ СПб - ИТУЦР (Инженерно-технический и учебный центр робототехники).

В том числе, при создании новых образцов мобильных роботов, робототехгаческих комплексов и систем интерактивного обучения (компьютерных тренажеров) были использованы следующие материалы, полученные при выполнении исследований в рамках диссертационной работы Собольникова С.А.:

• Алгоритмы и методы планирования движений группы мобильных роботов для расширения функциональных возможностей программного комплекса Робсим-5, на базе которого были в 2012-2013 г. разработаны, изготовлены и поставлены компьютерные тренажеры для обучения операторов на три робототехнических комплекса для разведки (РТК-Р2) и три робототехнических комплекса для дезактивации (РТК-Д1).

• Подходы к применению мобильных роботов для ретрансляции коммуникационного сигнала при проектировании робототехнических комплексов с расширенными возможностями организации радиосвязи. В частности, разработка аппаратных и программных средств, а также технологии размещения

ретрансляторов на пути следования мобильного робота в средах с препятствиями, создающими радиотень или затухание радиосигнала. Это необходимо для увеличения дальности и поддержания непрерывной связи с постом управления в случае удаления мобильного робота при проведении аварийно-спасательных работ.

• Алгоритмы автономного перемещения подвижных аппаратов мобильных роботов с поддержанием радиосвязи для создания систем управления специализированных роботов-ретрансляторов. Такие подвижные аппараты, выполняя вспомогательные функции в технологическом процессе и имея на своем борту комплект ретрансляторов, обеспечивают связь с робототехническими комплексами разведки, демонтажа и дезактивации посредством своего перемещения или размещения стационарных ретрансляторов в зоне проведения аварийно-спасательных работ.

Внедрение данных результатов позволяет расширить области применения мобильных роботов и робототехнических комплексов, разрабатываемых МФ ФГУП АТЦ СПб - ИТУЦР.

Председатель секции НТС ФГУП АТЦ СПб "Робототехнические комплексы и технологии их применения при производстве аварийно-спасательных и других работ при ликвидации

Начальник учебно-методической группы

последствий аварий с радиационным фактором'

.н

ттшйтАш фвдиращшш

НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

№ 125005

№ . .

РИДНАЯ ПОДВИЖНАЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМАЯ КОММУНИКАЦИОННАЯ СЕТЬ

щ^Ш в! 1 ^

Патентообладателе ли): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИ1Г (ФГБОУВПО МГТУ "СТАНКЯН") (Ш)

Автор(ы): см. на обороте

Заявкам 2012133183

Приоритет полезной модели 02 августа 2012 г.

Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 20 февраля 2013 г. Срок действия патента истекает 02 августа 2022 Г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

БЛ. Симонов

ЖЕЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖЖГЖЖ

2'

2 <>

2 2

¡5:

2 22 222

2

СВИДЕТЕЛЬСТВО

о государственной регистрации программы для ЭВМ

№ 2012615241

Программа коммуникационного покрытия произвольных областей мобильными роботами

V

5 2 2 2 2 2 2 2 2' 2:

ГI ра вообл адате л ь( л и): федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет <СТАНКИН» (111')

Авгир(ы) Ермолов Иван Леонидович, Соболышков Сергей Александрович (НII)

Заявка > 2012612821 Дата поступления 12 апреля 2012 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9 июня 2012 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

Б.П Симонов

2 и

12

С

22222222222222222222222222222222

1PDCCSlIС25АЯ ШДЖР^ЦЖЯ

2ИМ1

2 2 2 2 2 2

|2 |а Is

i СВИДЕТЕЛЬСТВО

«I о государственной регистрации программы i.ih ЭВМ

5*: №2012615248

Программа распределения целей в группе мобильных роботов

Правое,бладатсль(ли). федеральное государственное бюджетное ~ образовательное учреждение высшего профессионального 2 образования «Московский государственный технологический 2 университет сСТАНКИН*■ (Яи)

Ш

2 п

2 2 22 2 2 2 2 к

Автор(ы) Ермолов Иван Леонидович, Собольников Сергей Александрович (1Ш)

I* If.;-,;)^,^. ;'•».

Заявка N»2012612850

Лага поступления 12 апреля 2012 г.

Зарегистрировано п Реестре программ для ,'ЖМ

9 июня 2012 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

li.ll. Симонов

¡я

1 IS

2 2 2 2

2 2 12 ¡2 ¡2

22222222 2 222 2 22222222 "Йл

^222222222

-уО С 0Ж$1 ОТъАШ ШДЖ^АЦЛШ

3

/

2 i

СВИДЕТЕЛЬСТВО

о государственной регистрации программы для ЭВМ

№ 2012615249

Программа моделирования движения мобильных роботов

2

— ! 11 равообладак-.!ь(лн) федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТЛНКИН» (НИ)

Авгор(ы): Ермолов Иван Леонидович, Собольников Сергей Александрович (Ли)

Заявка N» 2012612851

Дата поступления 12 апреля 2012 г.

Зарегистрировано в Реестре программ для .')ИМ

9 июня 2012 г.

Руководитель Федеральной службы но интеллектуальной собственности

/1 II Симонов

2 ш

222222-222 2 2223?

2

_

2 2 2 'Ш.

\ 2 2 2 2 2 2 2 i

ТООТИЙЮЖАЖ ФЗДШРАЩШШ

СВИДЕТЕЛЬСТВО

о государственной регистрации программы для ЭВМ

№ 2012660448

Многофункциональный компьютерный тренажер «Робсим-5*

Г1 равоо&ладател ь( л и): Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии •«Росатом(Я11)

Автор(ы): Агапов Дмитрий Геннадьевич,

Никитин Валерий Николаевич, Омельченко Денис Викторович, Погорелое Дмитрий Юрьевич, Рослякова Надежда Алексеевна, Ковалев Роман Васильевич, Кузнецов Александр Михайлович, Михайлюк Михаил Васильевич, Михеев Геннадий Викторович, Собольников Сергей Александрович, Торгашев Михаил Александрович, Чулкова Ирина Григорьевна (ЯИ)

Заявка №2012618400

Дата поступления 4 октября 2012 Г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 20 ноября 2012 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

Б.П. Симонов

Расчет радиуса области коммуникационного покрытия мобильного робота с учетом влияния параметров ретранслятора и среды производится по формуле: Яр = Кт • Кв • К3 • Кн • Кч ■ Я, где Я радиус границы диаграммы направленности штыревой антенны в горизонтальной плоскости в нормальных условиях, а поправочные коэффициенты располагаются в таблице:

№ Параметр среды Поправочный коэффициент Значение коэффициента

1 Температура < 0°С КТ 0,9

2 Относительная влажность атмосферы более 90%, осадки КВ 0,8

3 Плотная высокоэтажная застройка КЗ 0,7

4 Тёмное время суток КН 0,9

5 Частота радиосигнала ретранслятора КЧ по таблице соответствия

В остальных случаях принимаем коэффициенты равные 1