Интеллектуальная система диалогового управления автономными роботами, оснащенными многозвенными манипуляторами
Название проекта:
Интеллектуальная система диалогового управления автономными роботами, оснащенными многозвенными манипуляторами
Номер соглашения:
22-21-00630
Руководитель проекта:
Филаретов Владимир Федорович
Сроки выполнения:
28.12.2021-31.12.2023
Основные полученные результаты:
Проект посвящен разработке методов синтеза интеллектуальных систем автономного, супервизорного, диалогового и полуавтоматического управления мобильными роботами различного вида и назначения, которые оснащаются многозвенными манипуляторами (ММ) и имеют резервные каналы связи с операторами. В рамках Проекта были получены следующие новые научные результаты. - Разработаны подходы и методы синтеза комбинированного автономного и диалогового управления автономными необитаемыми подводными роботами (АНПР), использующего базу экспериментальных опытных данных, собранных подводными аппаратами в глубоководных экспедициях. При этом создан набор команд, позволяющих АНПР переключаться между этапами выполнения всей операции по команде оператора. Используя базу данных и учитывая особенности задания операций, функциональные возможности АНПР и его ММ, а также зону действия системы навигации и связи, созданная система позволяет вырабатывать предупреждения и рекомендации для операторов АНПР. Эта же система использует алгоритмы выявления предпосылок к аварийным ситуациям и предотвращения этих ситуаций, исключая незапланированные силовые контакты с объектами работ. Предложенная система исследована с помощью полунатурных испытаний на основе данных, полученных в глубоководной научно-исследовательской экспедиции. - Разработаны методы обеспечения интеллектуальной и информационной поддержки деятельности операторов АНПР, позволяющие повысить эффективность и безопасность выполнения подводных работ с помощью роботов различных типов во время проведения особо ответственных и точных операций. Используя целеуказания операторов, передаваемые по гидроакустическим каналам связи, предложенные методы способны обеспечивать построение траекторий движения рабочих инструментов ММ по любым поверхностям объектов работ, идентифицируемым бортовыми системами технического зрения (СТЗ). С помощью графического интерфейса реализован диалоговый режим, позволяющий оператору проверять правильность наложения траекторий на поверхности объектов и давать команды для автоматической отработки рабочими инструментами ММ построенных траекторий. Для успешной автоматической отработки манипуляторами АНПР произвольных построенных траекторий в проекте предложен подход к синтезу систем автоматической стабилизации этих роботов в водной среде в режиме зависания над или вблизи объектов работ. Этот подход предполагает установку на АНПР дополнительного движителя, расположенного выше центра величины робота на выносном штоке таким образом, чтобы упор, формируемый движителем, был направлен вдоль его поперечной горизонтальной оси. В результате чего значительно расширяются функциональные возможности движительно-рулевого комплекса, обеспечивая компенсацию воздействий со стороны ММ, приводящих к смещениям АНПР по углу крена. - Создан метод автоматического управления ММ на основе целеуказаний операторов, передаваемых по мало информационным гидроакустическим каналам связи. На основе этого метода синтезирована система автоматического управления скоростью движения схвата ММ, установленного на удерживающимся в режиме зависания АНПР. За счет использования дополнительного контура управления обеспечивается автоматическое снижение скорости движения схвата, когда робот из-за его конструктивных особенностей не может эффективно стабилизировать свое положение по некоторым степеням подвижности. При этом указанная скорость автоматически увеличивается на тех участках траекторий, при движении по которым и системы управления приводами ММ, и система стабилизации АНПР способны обеспечивать желаемую точность движения схвата ММ в абсолютной системе координат. - Разработан метод синтеза и алгоритм работы системы полуавтоматического позиционного телеуправления ММ, установленным на одном из двух мобильных роботов (МР) в сложной и непрерывно изменяющейся окружающей обстановке. Причем СТЗ МР с манипулятором при наличии препятствий не имеет возможности наблюдать объект работ. Но этот объект с различных ракурсов может наблюдаться СТЗ второго малогабаритного и маневренного МР. Причем последняя СТЗ может непрерывно изменять пространственную ориентацию своей оптической оси, наблюдая за объектом работ с помощью различных ракурсов. Получаемые с помощью этой СТЗ координаты указанного объекта в связанной с основанием малогабаритного МР системе координат через абсолютную систему координат с неминуемыми ошибками, включая ошибки измерительных систем, передаются в связанную систему координат манипуляционного МР. После устранения указанных ошибок в этой системе координат специальными предложенными в проекте средствами предложенный метод телеуправления ММ, учитывая текущую пространственную ориентацию оптической оси используемой СТЗ позволяет оператору точно управлять ММ, перемещая вспомогательный робот в доступное для наблюдения место рабочего пространства. - Разработаны методы, обеспечивающие согласованную работу двух АНПР, один из которых – основной оборудован ММ и СТЗ, а второй - вспомогательный – только СТЗ. Эти методы обеспечивают совместную работу двух АНПР как в режиме полуавтоматического позиционного телеуправления манипулятором, так и в режиме автоматического выполнения ими операций с различными объектами. При этом в обоих режимах рассматривается работа в ситуациях, когда видеокамера из-за возможных препятствий к перемещению основного АНПР не позволяет наблюдать объект работ, который тем не менее находится в рабочей зоне манипулятора. В этом случае для наблюдения за объектом используется вспомогательный осмотровый АНПР со своей СТЗ. В режиме полуавтоматического телеуправления манипулятором автоматически учитывается текущая пространственная ориентация оптической оси СТЗ осмотрового АНПР, а также пространственные ориентации обоих роботов по углам рыскания в абсолютной системе координат. А в автоматическом режиме дополнительно обеспечивается точная передача пространственного расположения и ориентации объекта, которые определяются с помощью СТЗ осмотрового АНПР в его системе координат, в связанную систему координат основного АНПР с использованием абсолютной системы координат. При этом удается определить и устранить погрешности, возникающие при работе СТЗ и навигационных систем обоих АНПР. - Выполнены разработка, апробация и тестирование программных средств, реализующих разработанные методы и подходы. При этом использовался разработанный и реализованный в Matlab/Simulink модуль цифрового двойника АНПР, оснащенного ММ, предназначенный для моделирования и визуализации в симуляторе CoppeliaSim процессов выполнения операций, а также предварительной апробации новых методик и моделей использования АНПР. Проведенные математическое моделирование и экспериментальные исследования созданных систем полностью подтвердили их более высокую эффективность работы по сравнению с существующими системами. Созданные теоретические методы построения указанных систем позволят резко увеличить сложность и расширить номенклатуру манипуляционных операций, выполняемых в полностью автономном или полуавтоматическом (супервизорном) режимах и, тем самым, удешевить (упростить) практическое использование мобильной наземной и подводной робототехники в непрерывно изменяющихся сложных производственных или подводных условиях за счет резкого повышения ее эффективности.
Научная и практическая значимость:
Созданная в рамках Проекта теоретическая основа и новые технологические решения найдут практическое применение в проектировании АНПР, а также непосредственно при выполнении технологических, аварийно-спасательных, поисковых и обследовательских операций существующими глубоководными комплексами. Предложенные решения позволят быстро и эффективно выполнять многие (в том числе и сложные) подводные операции, исключая опасный труд водолазов и расширяя круг работ, выполняемых с помощью АНПР практически на любой глубине. Результаты выполнения исследования будут не только востребованы в будущем, но и существенно расширят область своего применения особенно в сложной ледовой обстановке в условиях арктической зоны и северных морей. Потребителями результатов исследования будут являться многочисленные организации, занимающиеся добычей и исследованием природных и биологических ресурсов в глубинах Мирового океана, МЧС и Министерство обороны России, институты Академии наук и университеты. Учитывая потребность Минобрнауки, нефтедобывающих компаний, Роснедр, Росгидромета и др., потенциал подводных работ, при выполнении которых может быть использована создаваемая система, можно оценить в 40 морских экспедиций в год. А обслуживание подводных гидросоооружений, также потребностей МЧС и Минобороны– круглогодично.
Список основных публикаций:
1. Коноплин А.Ю., Юрманов А.П., Панчук М.О. (Konoplin. A.Yu., Yurmanov A.P., Panchuk M.O.) Development of System for Tracking of AUV in HANS-USBL Operation Area 2023 International Russian Automation Conference (RusAutoCon) С. 616-620. https://doi.org/10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272808 (2023 г.)
2. Коноплин А.Ю., Красавин Н.А., Василенко Р.П. (Konoplin. A.Yu., Krasavin N.A., Vasilenko R.P.) Stabilization System of AUV for Implementation of Contact Manipulation Operations 2023 International Russian Automation Conference (RusAutoCon) С. 335-339. https://doi.org/10.1109/RusAutoCon58002.2023.10272944 (2023 г.)
3. Коноплин А.Ю., Красавин Н.А. (Konoplin A.Yu., Krasavin N.A.) Automatic Speed Control System for Manipulator Mounted on Underwater Vehicle Proc. of IEEE 2022 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). Sochi. 04–10 September 2022 Konoplin A.Yu., Krasavin N.A. Automatic Speed Control System for Manipulator Mounted on Underwater Vehicle // Proc. of IEEE 2022 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). Sochi. 04–10 September 2022. P. 205–209. https://doi.org/10.1109/RusAutoCon54946.2022.9896343 (2022 г.)
4. Филаретов В.Ф., Кацурин А.А. (Filaretov V.F., Katsurin A.A.) The System of Coordinated Operation of Two Underwater Vehicles in a Complex Environment 2023 International Conference on Ocean Studies (ICOS) (2023 г.)
5. Филаретов В.Ф., Кацурин А.А. (Filaretov V.F., Katsurin A.A.) Система согласованной работы двух подводных аппаратов в сложной окружающей обстановке Робототехника и техническая кибернетика № 2, Т. 11, С. 124-132. https://doi.org/10.31776/RTCJ.11206 (2023 г.)
6. Филаретов В.Ф., Кацурин А.А. (Filaretov V.F., Katsurin A.A.) Согласованная работа двух мобильных роботов при автоматическом выполнении операций в сложной окружающей обстановке ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ Т. 65, № 9. С. 656—667. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2022-65-9-656-667. (2022 г.)
7. Филаретов В.Ф., Кацурин А.А., Коноплин А.Ю. (Filaretov V.F., Katsurin A.A., Konoplin. A.Yu) Система согласованного полуавтоматического телеуправления двумя мобильными роботами ИЗВЕСТИЯ ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА Номер: 9 (268), Страницы: 79-85 https://doi.org/10.35211/1990-5297-2022-9-268-79-85 (2022 г.)
8. Коноплин А.Ю., Красавин Н.А. (Konoplin A.Yu., Krasavin N.A.) Система управления скоростью движения манипуляторов, установленных на необитаемых подводных аппаратах Подводные исследования и робототехника №2 (40). С. 29–38. https://doi.org/10.37102/1992-4429_2022_40_02_04 (2022 г.)