Авторы: Гданский Н.И., Карпов А.В.
Источник: Научная электронная библиотека Киберленинка
Гданский Н.И., Карпов А.В. Принципы построения самоорганизующихся систем управления мобильными роботами. В статье рассмотрены возможные принципы построения самоорганизующихся систем управления автономными мобильными роботами, на основе мультиагентных технологий, с использованием динамических языков программирования.
Ключевые слова: мобильный робот, автоматизированная транспортно-накопительная система, адаптивное управление
Мобильные роботы (МР) в настоящее время широко применяются в различных отраслях машиностроения, приборостроении, в областях, связанных с космической техникой, атомной энергетикой, логистикой и т. д.
Наибольшее распространение в АТНС ГПС нашли безрельсовые грузонесущие (тянущие) транспортные (мобильные) роботы. Большинство существующих мобильных роботов способны функционировать только в строго детерминированной среде и с заранее заданными алгоритмами движения и (или) под непосредственным контролем оператора.
В настоящее время создано много систем для слежения за маршрутом движения транспортных роботов. Наибольшее распространение получили транспортные роботы с индуктивной системой слежения за маршрутом и с использованием светоотражающей полосы.
В последнее время разработаны активные индуктивные системы, где информация о направлении движения, поворотах и остановках передается от управляющей ЭВМ по индукционному кабелю, вдоль которого движется робот.
Оптоэлектронная система слежения за маршрутом состоит из световых маяков, расположенных в строгой последовательности на потолке цеха, и датчиков на приборах с зарядовой связью, установленных на роботе. Робот ориентируется во время движения на световые маяки, а при точном позиционировании – на специальные метки, нанесенные на оборудование (станки, склад, станцию контроля и т. д.), у которого робот останавливается.
Радиотелевизионные системы применяются редко из-за помех от большого количества стальных сооружений [1].
Однако непрерывно расширяющийся круг задач, решаемых автономными мобильными роботами, и возрастающие требования к их функциональным возможностям вызывают необходимость разработки систем автоматического управления, сочетающих в себе возможность самостоятельного принятия решений при изменении параметров среды и отвечающих требованиям быстрого, многократного изменения технологических заданий мобильных роботов.
Создание систем управления мобильных роботов, которые бы не только гарантировали требуемое движение мобильного робота при выполнении своей технологической миссии в условиях неформализованной внешней среды, но и обеспечивали максимально эффективное использование конструктивных особенностей робота, приводит к необходимости решения целого комплекса разнообразных взаимосвязанных задач. Основными из них являются следующие:
Несмотря на большой спрос и значительную численность занятых в этой области специалистов, проблема создания адаптивных систем управления мобильными роботами, отвечающих перечисленным выше требованиям, пока не имеет практически значимых решений, сочетающих необходимый уровень выполнения функций с коммерчески допустимой стоимостью.
Отмеченные выше характерные особенности требуют перехода на новые концептуальные основы проектирования систем управления мобильных роботов. Такой фундаментальной направляющей концепцией, на наш взгляд, является концепция самоорганизующихся систем, в основе которой лежат работы У. Р. Эшби [2], Н. Винера [3] и др.
Самоорганизующиеся системы предназначены для управления процессами в сложных объектах (нестационарных нелинейных со случайными внешними воздействиями), математические модели которых неизвестны. Принципиальное отличие этих систем управления от существующих самонастраивающихся систем состоит в том, что они построены на сочетании, прежде всего, алгоритмов структурной (функциональной) адаптации с алгоритмами параметрической адаптации и оптимальностью. Такие системы в полной мере отвечают указанным современным требованиям. В частности:
высокое качество и точность управления процессами на всех режимах работы нестационарного объекта, а также при их изменении обеспечивается наличием одновременно алгоритмов структурной и параметрической адаптации, а также оптимального управления. Влияние факторов, связанных с изменением состояния и свойств объекта, внешних условий и нарушающих заданные технологические процессы, компенсируется автоматически этой системой до пределов, отведенных управляющим воздействиям;
для разработки и настройки системы не требуется знание математических моделей объекта, т. е. не требуется не только информация о параметрах, но и о структуре модели управляемого объекта и внешних воздействий [4].
Основным недостатком современных самонастраивающихся систем управления является невозможность добавления у них новых алгоритмов и других программных компонент к системе управления после завершения ее проектирования. При таком подходе можно менять параметры или заставить систему управления следовать какой-либо иной из имеющихся стратегий, но добавлять новые стратегии нельзя.
Самоорганизующаяся система управления предполагает замену каких-либо алгоритмических или структурных компонентов системы другими, позволяющими этой системе быть адекватной конкретным условиям ее рабочей среды. Самоорганизующаяся система управления способна использовать новые алгоритмы для решения задач, которые не были заложены в нее при разработке. Благодаря структурной адаптации можно выполнять динамическую реорганизацию системы управления во время ее исполнения – например, для того, чтобы разместить компоненты системы, изъять их из устройства с ограниченной емкостью памяти или обеспечить новые функции в уже установленных устройствах.
Одна из проблем, требующих решения на первом этапе, состоит в выборе средств создания программного обеспечения для самоорганизующейся системы управления. Наиболее перспективным в настоящее время представляется использование для этой цели динамических языков программирования (Python, Dylan, Common Lisp Object System (CLOS) и др.), которые позволяют создавать приложения, способные изменяться в процессе эксплуатации. В отличие от статических языков (например, Си), динамические языки допускают возможности переопределения структуры программ и данных, модификации кода.
Основной архитектурой при реализации самоорганизующегося программного обеспечения могут стать мультиагентные системы.
Мультиагентные системы созданы для решения различных задач искусственного интеллекта, в которых присутствует несколько участников (агентов).
Агент способен воспринимать свое окружение через сенсоры и изменять его своими действиями. Агент функционирует в сложной среде, доступной ему лишь частично, не имеет над ней полного контроля и, соответственно, ограничен в возможностях.
В мультиагентных системах нет центрального агента, который контролирует, что делает каждый агент в каждый момент времени. Каждый агент сам решает, какое действие он совершит. Координация реализуется с помощью распределения агентов по ролям. То есть агент, понимая, что он наиболее подходит для выполнения определенной роли, присваивает ее себе. Кроме того, может существовать заранее определенный набор правил, которыми должны руководствоваться агенты.
Агент на каждом шаге выбирает наилучшее действие, исходя из того, что ему известно об окружающем мире. Имеется мера полезности действий агента (рациональный агент), которую он постоянно пытается оптимизировать.
Подобные самоорганизующиеся системы управления мобильным роботом будут иметь возможность реагировать на меняющийся окружающий мир, добавляя новые виды сенсоров и компоненты, которые реализуют корректирующие действия. Они должны действовать автономно, модифицируя структуру системы управления в соответствии с конкретной средой, предотвращая сбои и перерывы в работе.
Для широкого распространения, универсализации и коммерческой успешности такого рода систем в перспективе необходима разработка специальных стандартов для реализации аппаратного и программного обеспечения, позволяющих за счет унифицированного входного и выходного интерфейсов соединять между собой отдельные компоненты, созданные различными группами разработчиков.
В условиях необходимости регулярного переоснащения промышленного производства и ограниченности финансовых средств создание самоорганизующихся систем управления мобильными роботами и промышленным оборудованием позволит существенно упростить и удешевить процесс включения их в АТНС, а сами АТНС становятся функционально более гибкими и надежными, упрощается работа с ними.
Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике. – Новочеркасск, 2003.