авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Методы построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Чинь Суан Лонг

Методы поСТРОЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ
СИСТЕМ ПЛАНИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Мобильного РОБОТА В НЕИЗВЕСТНОЙ СРЕДЕ

Специальность 05.02.05. – «Роботы, мехатроника

и робототехнические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Булгаков Алексей Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пятибратов Георгий Яковлевич

доктор технических наук, профессор

Савин Леонид Алексеевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Донской государственный технический университет» (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится 19 марта 2010 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д.212.304.04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 107 глав. корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехн-ического института). С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru

Автореферат разослан « 17 » 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В.С. Исаков

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Мобильные роботы находят все более широкое применение для выполнения различных задач в условиях, когда  присутствие человека в зоне их работы или невозможно по соображениям безопасности, либо же нежелательно из-за ограничения производительности обслуживаемого технологического оборудования. В виду своей оперативности мобильные роботы широко используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека, особенно в военных и промышленных областях, а также, например, при исследовании других планет. Планирование перемещения мобильного робота является важнейшей проблемой функционирования автономных робототехнических систем и одной из наиболее активно исследуемых областей современного научно-практического знания. Решение задачи планирования перемещения робота охватывает вопросы, связанные с такими научными областями, как искусственный интеллект, вычислительная геометрия, компьютерное моделирование и теория автоматического управления. Автоматизация процесса планирования перемещения, при минимизации затрат времени на подготовительно-заключительные операции и ускорении процесса переключения робота с одного производственного задания на другое, является основой для организации гибкого производства.

Целью планирования перемещения мобильного робота является обеспечение желаемой траекторию его движения робота, когда он следует по планируемому пути в соответствии с управляющими воздействиями. Большинство исследований, посвященных проблеме планирования перемещения робота без столкновения с препятствиями на его пути на основе применения нейронных сетей и нечеткой логики, проводились в условиях известной окружающей среды. Решение рассматриваемой проблемы с помощью нечеткой логики является общепризнанным, так как в этом случае механизм принятия решения всегда позволяет генерировать ответные движения робота, вызванные появлением препятствия на его пути. В свою очередь, эффективность использования в рамках данной проблемы нейронных сетей в основном зависит от степени обученности конкретной сети, тогда как самая простейшая модель нечеткой логики вырабатывает требуемый выходной сигнал без какого-либо обучения. Дальнейший поиск решения задачи планирования перемещения робота в режиме реального времени в неизвестной среде с использованием нечеткой логики реализуется посредством применения нейронной сети, обученной правилам нечеткой логики. В этом случае комбинированная нейро-нечеткая система способна более эффективно обучаться и решать проблемы, связанные с нелинейными системами. Это отражено лишь в небольшом количестве научных работ. Таким образом, решение этих проблем является весьма актуальной научно-технической проблемой.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГТУ (НПИ) «Теория и принципы создания робототехнических и мехатронных систем и комплексов», соответствует госбюджетной теме П.3.837 «Разработка принципов и средств автоматизации и роботизации производства на основе мехатронных технологий и систем» (2004-2008 гг.) и П.3.865 «Разработка теории и принципов построения интеллектуальных мехатронных и робототехнических систем» (2009-2013 гг.).

Целью исследований является разработка методов построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота, обеспечивающих выполнение им планируемой и уточняемой непосредственно в процессе движения безопасной траектории в окружающей среде с неизвестными препятствиями.

Достижение поставленной цели требует решения следующих исследовательских задач:

анализ современных концепций и методов разработки систем планирования

перемещения мобильного робота в неизвестной среде;

разработка интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной статической среде и выполнение ее моделирования;

разработка интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной динамической среде и моделирование полученной системы;

проведение экспериментальных исследований интеллектуальной системы оперативного управления перемещением мобильного робота в неизвестной среде.

Идея работы заключается в разработке методов построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде на базе применения аппарата мультиагентов, нечеткой логики и искусственных нейронных сетей, обеспечивающих выполнение им планируемой и уточняемой непосредственно в процессе движения безопасной траектории в окружающей среде с неизвестными препятствиями.

В качестве методов исследования использованы методы математического моделирования, аналитической геометрии, кинематического и динамического анализа, нечеткой логики, нейронных сетей, робототехники, мехатроники, дискретного интегрирования и прикладного программирования. Аналитические исследования проведены на ЭВМ, а экспериментальные ­– с использованием модели мобильного робота.

Научные положения, выносимые на защиту:

  • метод построения интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной статической среде с помощью аппарата мультиагентов, включающий создание четырех агентов: обхода препятствий, слежения по стене, движения к цели, управления скоростью и соответствующих им нечетких блоков;

метод построения модели нейронных сетей для классификации окружающей среды на агенты и последовательности переключения между ними, отражающий все возможные местоположения препятствий, возникающих на пути робота;

метод построения интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной динамической среде с помощью аппарата мультиагентов, включающий комбинацию нейронных сетей и нечетких блоков, с целью обеспечения перемещения мобильного робота без столкновений с препятствиями;

метод построения алгоритма оперативного управления перемещением мобильного робота в неизвестной среде с помощью аппарата мультиагентов на базе разработанной интеллектуальной системы.

Научная новизна работы состоит в разработке:

  • метода построения интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной статической среде с помощью аппарата мультиагентов, отличающегося использованием нечетких блоков, соответ-ствующих каждому из агентов, и локализацией решения задачи планирования перемещения робота в каждой возникающей конкретной ситуации, позволяющего повысить точность и эффективность планирования перемещения;

метода построения модели нейронных сетей для классификации окружающей среды на агенты и последовательности переключения между ними, на базе разработанной классификационной таблицы, позволяющей сократить количество подлежащих распознаванию ситуаций неизвестной среды;

метода построения интеллектуальной системы планирования перемещения
мобильного робота в неизвестной динамической среде с помощью аппарата мультиагентов, включающего комбинацию нейронных сетей и нечетких блоков, отличающегося использованием модели нейронных сетей для классификации окружающей среды, с целью обеспечения перемещения мобильного робота без столкновений с препятствиями.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается кор-ректным использованием фундаментальных законов физики, теории автомати-ческого управления, моделирования, выполненными с использованием совреме-нных ЭВМ и программных пакетов для проведения расчетов и обработки результатов экспериментов; применением современных апробированных методов исследований; удовлетворительной сходимостью результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования.

Значение работы. Научное значение работы состоит в развитии и соверш-енствовании методов построения интеллектуальных систем, основанных на сочетании возможностей нечеткой логики и искусственных нейронных сетей и реализующих процессы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде.

Практическое значение полученных в работе результатов заключается в разработке:

  • метода построения интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде с помощью аппарата мультиагентов, позволяющего эффективно решать проблему использования роботов в ситуациях отсутствия информации об окружающей среде, обеспечивая их безопасное перемещение по траектории, свободной от столкновений с неизвестными препятствиями;
  • метода построения алгоритма оперативного управления перемещением мобильного робота в неизвестной среде с помощью аппарата мультиагентов на базе разработанной интеллектуальной системы, обеспечивающего своевременную реакцию робота на появляющиеся на его пути непредвиденные препятствия;
  • пакета программ, обеспечивающих возможность моделирования окружающей среды движения мобильного робота в условиях вероятности появления на его пути неизвестных препятствий, а также функционирования интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде, применяемых в различных сферах производства, при проведении научных исследований и в учебном процессе.

Внедрение результатов диссертационного исследования. Разработанные методы построения интеллектуальных систем планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде внедрены в ООО «ПК «НЭВЗ» (г. Новочеркасск Ростовской обл.). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Автоматизация производства, робототехника и мехатроника» ЮРГТУ (НПИ) для студентов специальности 22040265 «Роботы и робототехнические системы» и 22040165 «Мехатроника».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы излагались в научных статьях и докладывались на международной научно-технической конференции «Проблемы мехатроники 2006» (Новочеркасск, 2006 г.), международной научно-практической конференции «Мехатроники 2008» (Новочеркасск, 2008 г.), 2-й Российской мультиконференции по проблемам управления (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор», 2008), 58-й научной конференции ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2009 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе в 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также получен патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Общий объем работы составляет 123 страниц машинописного текста, содержит 60 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 79 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертационного исследования, представлены идея работы и методы исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, раскрыта научная новизна работы, подтверждены обоснованность и досто-верность полученных результатов, а также показано их научно-практическое значение.

В первой главе проанализированы современные концепции и методы планирования перемещения мобильного робота и выделены используемые при-нципы для неизвестной среды. Подробно приведены достоинства и недостатки методов построения систем планирования с использованием искусственного интеллекта. Проанализированы аппарат мультиагентов в планировании переме-щения и реактивное управление перемещением мобильного робота. Сделаны выводы о том, что решение задач планирования перемещения мобильного робота в неизвестной среде посредством разработки методов построения нейро-нечетких систем является перспективным, особенно с использованием аппарата мультиагентов, который, однако, до сих пор еще не нашел соответствующего его возможностям достойного применения. Поэтому исследования в рассма-триваемой проблемной области требуют дальнейшего развития.

Рассмотренные проблемы и возможные направления их решения научно обосновывают актуальность и важность поставленных в диссертационной работе целей и задач.

Во второй главе разработан ме-тод построения интеллектуальной сис-темы планирования перемещения моб-ильного робота в неизвестной статиче-ской среде с помощью аппарата мульт-иагентов, назначение которого состоит в разработке системы планирования на основе трехэтапного процесса обрабо-тки информации о роботе и окружаю-щей его неизвестной среде. Примене-ние метода показано на примере трех-колесного мобильного робота (рис. 1).

Рис. 2. Функциональная схема интеллектуальной системы планирования перемещения мобильного робота в неизвестной статической среде с помощью аппарата мультиагентов

Функциональная схема интеллектуальной системы планирования переме-щения мобильного робота в неизвестной статической среде с помощью аппарата мультиагентов представлена на рис. 2.

Входы интеллектуальной системы (хg, уg) представляют собой коорди-наты целевой точки. Выходы интеллектуальной системы (хt, уt) – координаты текущей точки мобильного робота. На базе значений отклонения координат хg и уg определяются расстояние dцель и угол отклонения между роботом и целевой точкой. Углы µ1, µ2 и µ3 являются углами поворота мобильного робота в агентах обхода препятствий, слежения по стене и движения к цели, соответствено. VL, VR – скорость левого и правого колеса мобильного робота.

Первый этап заключается в определении расстояния между роботом и препятствиями (dSi) и построении блока переключения, который непрерывно определяет ситуации по каждому из агентов и осуществляет активацию и переключения между ними. Для выполнения этой задачи на основании информации, вырабатываемой ультразвуковыми датчиками расстояния, формируется база данных состояния окружающей неизвестной статической среды. Агент обхода препятствий определяется, когда один из трех датчиков S3, S4 и S5 обнаруживает препятствие. Агент слежения по стене актитвируется при обнаружении препятствий парами датчиков S1 и S2 или S6 и S7, которые находятся на левой или правой стороне мобильного робота. Агент движения к цели формируется при отсутствии препятствий вокруг робота в области обнаружения датчиков дистанционного измерения. Режимы работы блока динамического переключения описаны в табл. 1, где приняты следующие обозначения: «0» - нет препятствий в области действия датчиков; «1» - препятствие обнаружено; «2» - не имеет значения.

На втором этапе осуществляется разработка трех нечетких блоков НБ-1, НБ-2 и НБ-3 для определения углов поворота мобильного робота µ1, µ2, µ3, соответственно, с агентами обхода препятствий, слежения по стене и движения к цели.

Входы в НБ-1 описываются четырьмя функциями принадлежности (ФП): Б (близко от робота), Д (далеко от робота), С (на среднем расстоянии от робота) и СД (на средне-дальнем расстоя-нии от робота). Выход в НБ-1 определяется с помощью семи ФП: БШП (большой шаг вправо), БШЛ (большой шаг влево), СШП (средний шаг вправо), МШП (малый шаг вправо), Н (ноль), МШЛ (малый шаг влево), СШЛ (средний шаг влево). На рис. 3 показаны графики ФП входов и выхода НБ-1 для агента обхода препятствий.

Нечеткие базы правил НБ-1 представлены в табл. 2.

Для определения угла поворота µ2 в агенте слежения по стене используется НБ-2. Входами в НБ-2 являются сигналы dS1 и dS2 или dS6 и dS7 от датчиков S1 и S2 или S6 и S7. Они описываются аналогично предыдущему случаю. На рис. 4 приведены графики ФП входов и выхода НБ-2. Нечеткие базы правил НБ-2 представлены в табл. 3.

Третий нечеткий блок НБ-3 используется для определения угла поворота µ3 в агенте движения к цели. Входом в НБ-3 является – угол между направлением движения мобильного робота () и целевой точкой () (на рис. 5).

Вход в НБ-3 описывается семью ФП, измеряемыми в градусах: ДПЦ (далеко справа от цели), ДЛЦ (далеко слева от цели), СПЦ (средний угол справа от цели), БПЦ (близко справа от цели), Н (ноль), БЛЦ (близко слева от цели), СЛЦ (средний угол слева от цели). Выход µ3 НБ-3 также описывается с помощью семи ФП, значения которых лежат в пределах от -120 до +120 градусов.

На рис. 6 показаны графики ФП входа и выхода НБ-3 для агента движения к цели. Нечеткие базы правил ФП НБ-3 представлены в табл. 4.

на третьем этапе выполн-яется разработка агента управл-ения скоростью с использ-ованием НБ-4. На основе резул-ьтирующих параметров первого и второго этапов определяется окончательное значение измен-ения угла поворота мобильного робота - µ, зависящего от соот-ветствующего агента.

Таблица 4

Нечеткие базы правил НБ-3 для агента движения к цели

ДПЦ СПЦ БПЦ Н БЛЦ СЛЦ ДЛЦ
µ3 БШЛ СШЛ МШЛ Н МШП СШП БШП


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.