CC BY
21
УДК 004.896
ЧАСТИЧНО АВТОНОМНЫЙ РОБОТ-ТЕЛЕПРИСУТСТВИЯ КАК ЭЛЕМЕНТ МУЛЬТИАГЕНТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
А.Ю. Соловьев, М.А. Цуканов
Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова (филиал)
Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»,
г. Старый Оскол, Россия
Аннотация: рассматриваются задача наделения робота-телеприсутствия функциями частичной автономности, сфера применения роботов-телеприсутствия, делается анализ текущих решений на рынке подобных роботов. Приводится классическая схема управления роботами-телеприсутствия, и на основе представленной схемы выделяются основные недостатки подобных решений, а именно - большая нагрузка на оператора в процессе управления роботом, а также сложность процесса обучения оператора. На основании выявленных недостатков предлагается решение, которое способно наделить роботов-телеприсутствия частичной автономностью. В качестве автономных функций рассматриваются распознавание человека, следование за человеком, огибание препятствий. Данные функции автономности были установлены как приоритетные, которые помогут избежать проблем при управлении роботами-телеприсутствия. Проанализирован рынок подобных решений, в ходе анализа было определено, что большинство решений не обладают даже частичной автономностью. Для реализации решения наделения робота-телеприсутствия функциями автономности авторы предлагают использовать роботизированную платформу, которая была разработана на кафедре автоматизированных информационных систем управления Старооскольского технологического института. Приводятся структурная схема данного решения, также структура мультиагентной системы для решения задач по проведению мероприятий, требующих участия нескольких роботов-телеприсутствия
Ключевые слова: робот-телеприсутствия, функции частичной автономности, мультиагентная система
Введение Проблемы роботов-телеприсутствия
На сегодняшний день все большую популярность приобретают так называемые роботы-телеприсутствия.
Робот-телеприсутствия - это роботизированная конструкция, выполненная, как правило, в антропоморфном форм-факторе, которая управляется человеком и позволяет в интерактивной форме взаимодействовать с людьми. То есть человек при помощи ноутбука или стационарного компьютера при помощи специализированного программного обеспечения взаимодействует с людьми и объектами, имитируя собственное присутствие.
Сфера применения подобных роботов достаточно обширна:
• Развлечения и представления;
• Рекламные акции и промоутинг;
• Помощь в проведении мероприятий различного рода;
• Экскурсионные программы;
• Консультирование людей по различным вопросам.
Как видим, спектр областей применения достаточно широк.
© Соловьев А.Ю., Цуканов М.А., 2018
При анализе различных решений было выявлено, что большинство современных роботов-телеприсутствия обладают рядом недостатков. На рис. 1 приведена типичная схема работы оператора с роботом-телеприсутствия [5-8].
Рис. 1. Схема работы оператора с роботом-телеприсутствия
Исходя из рис. 1, можно выделить основные недостатки работы оператора по приведенной стандартной схеме управления:
1. Управлением и взаимодействием с людьми занимается один оператор. Это приводит к тому, что оператору сложно одновременно решать две совершенно разные задачи.
2. Исходя из сложности решения двух задач, вытекает проблема замедления принятия решений оператором по взаимодействию с объектами и людьми. Например, замедленная скорость ответа при общении с людьми.
3. Оператора необходимо обучать управлению роботом, так как управление роботом является достаточно специфичной задачей.
Предлагаемое решение
В связи с выявленными недостатками возникает задача о наделении робота некоторыми функциями автономности. Авторами были выделены наиболее приоритетные функции, которые помогут избежать, по крайней мере частично, вышеперечисленных проблем:
• Распознавание человека.
• Следование за человеком.
• Огибание препятствий.
• Возвращение на исходную позицию.
При анализе рынка подобных роботов было установлено, что большинство из них управляются по классической схеме [5-8]. Однако есть разработки, в которых в той или иной мере внедрены функции автономности. Так робот-телеприсутствия Promobot [4], по заявлению разработчиков, наделен функционалом распознавания человека и лиц и имеет базу знаний для общения с людьми. По мнению авторов, данный функционал полезен, но в первую очередь робот должен быть полностью автономным, что касается его движения.
Для решения поставленных проблем, а также отработки научных решений предлагается использовать роботизированную платформу «Айтишка». Данный робот является классическим роботом-телеприсутствия, он был создан на кафедре автоматизированных информационных систем управления в Старооскольском технологическом институте (филиале МИСиС). На рис. 2 приведен общий вид разработанного робота.
Рис. 2. Общий вид робота-телеприсутствия для реализации функций автономности
Как было сказано выше, робот является классическим роботом-телеприсутствия, то есть полностью управляется оператором. На рис. 3 приведена структурная схема данного робота.
Рис. 3. Структурная схема существующего робота-телеприсутствия
Как видим из рис. 3, робот состоит из двух независимых модулей: модуль управления и модуль связи. Модуль управления построен на базе микроконтроллера Atmega и связан с аппаратурой управления по радиоканалу 2,4 ГГц. Через аппаратуру управления оператор управляет двигателями, приводя робота в движение.
Модуль связи представляет собой мини-компьютер с веб-камерой и аудиосистемой. При помощи камеры оператор на своем компь-
ютере или ноутбуке ориентируется при движении робота, а также определяет местоположение объектов и людей для дальнейшего взаимодействия. Связь с миникомпьютером и оборудованием оператора осуществляется по стандартным каналам связи либо с использованием оборудования Wi-Fi, либо с использованием стандартов мобильного интернета 3G или 4G.
Отметим, что во время эксплуатации данного робота-телеприсутствия были выявлены недостатки в каналах связи:
• Неполное покрытие местности сетями 3G, 4G.
• Не всегда качественная мобильная связь в зданиях.
• Оборудование, сертифицированное Wi-Fi, работает только в зонах прямой видимости, а также в местах массовых скоплений людей и при наличии стороннего оборудования беспроводной связи, канал связи между роботом и оператором становится сильно зашумленным, что ведет к некачественному видеоизображению и невозможности вести диалог.
На рис. 4 приведена схема предлагаемой модификации робота-телеприсутствия. Модификация представляет собой наделение робота функциями автономности.
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Модуль
1 1 управления
Управление \ , 1 !
^ Телеметрия |
Двигатели
Датчики (измерители расстояния)
Индикация
Оператор J
Рис. 4. Структурная схема предлагаемого к разработке робота-телеприсутствия
Исходя из рис. 4, можно выделить несколько ключевых моментов:
• К модулю управления добавляются датчики, позволяющие ориентироваться роботу на месте, например ультразвуковые или инфракрасные датчики расстояния.
• Канал передачи данных вместо сотовой связи или связи стандарта Wi-Fi заменяется на систему FPV (единую систему управления и
получения аудио-, видеосигналов в реальном времени). Данная система более устойчива к расстоянию и помехам, нежели сотовая связь или Wi-Fi.
• Модуль связи и модуль управления объединяются, что позволит модулю связи получать телеметрию и осуществлять управляющее воздействие на двигатели робота.
Как видим, оператор при внедрении данной схемы избавляется от одной из своих задач, а именно управления роботом. Конечно же, робот сможет переходить на режим ручного управления при возможном возникновении различных сбоев или дезориентации робота в пространстве.
Теперь рассмотрим более подробно схему автономного движения. На рис. 5 приведена схема автономного движения робота.
Камера, подключенная к миникомпьютеру raspberry pi, фиксирует видеоизображение и посредством открытой библиотеки обработки видеоизображений распознает человека, далее по протоколу UART компьютер на основе телеметрии, полученной с модуля управления, а также на основе распознанного изображения с камеры управляет двигателями, приводя робота в движение.
Обработка изображения
о
OpsnW ^-К,
Протокол UART
Скорость
Рис. 5. Схема автономного движения робота
Применение мультиагентного подхода при работе нескольких роботов-телеприсутствия
Как уже было упомянуто, при использовании разработанного робота в качестве гида или экскурсовода необходимо повышать его автономность. Проведенная модернизация робота-телеприсутствия позволит решить задачи движения по заданной траектории и распознавания человека.
Решение задачи распознавания человека необходимо для инициализации начала работы робота по проведению экскурсии по заданному маршруту среди конечного набора точек маршрута (экспонатов). При этом можно осуществлять настройку проведения индивидуальных или групповых экскурсий. Во втором случае движение робота будет привязано к распознаванию группы, количество элементов которой нужно будет определить у него в настройках.
Однако, что в первом, что и во втором случаях возможны ситуации, когда необходимо использовать несколько роботов для обслуживания экскурсий.
В такой ситуации недостаточно научить роботов определять человека или группу лиц, необходим механизм коммуникации между ними. Изучив современный опыт решения подобных задач [1-3], мы приняли решение об использовании мультиагентной платформы как средства интеграции роботов. Данный подход также не исключает наличия оператора в общей системе, но значительно облегчает его работу при управлении парком роботов. Наделение робота-телеприсутствия частичными функциями автономности позволяет рассматривать его как автономного агента в мультиагентной среде.
Рассмотрим функционал составных частей мультиагентной системы, представленной на рис. 6.
Агент-робот - основной компонент реализуемой системы, который решает задачи распознавания человека (группы лиц), движения по заданной траектории и связи с другими активными компонентами системы (роботами и оператором).
Агент-оператор - человеко-машинный интерфейс, который решает задачу мониторинга состояния агентов-роботов и предоставляет человеку оператору средства удаленного управления роботами.
Активная внешняя среда (АВС) - распознанный человек (группа лиц), на основании наблюдения за которыми действуют агенты-роботы. При обнаружении активного элемента внешней среды на траектории движения роботом выполняется корректировка изначальной траектории.
Статичная внешняя среда (СВС) - недвижимые элементы помещения (ЭСВС), ориентируясь на которые агенты-роботы строят маршрут движения.
Движение каждого агента-робота по маршруту описывается уравнением:
^Х ГСОБ^Л
У,
А
у, у
0
V +
Г о ^
V1 у
а.
(1)
где х, у, ф, - координаты и угол поворота 1-ого агента-робота в пространстве, являются известными в каждый момент времени;
VI, а, - скорость и ускорение 1-ого агента-робота, определяются агентами-роботами на основе анализа активной и статичной внешней среды, а также расположения других агентов-роботов.
Основным ограничением (1) такого движения будет являться условие того, что в один момент времени на одной позиции не могут находиться два агента робота:
Г (X,, у, )* Г (X,, у,).
Заключение
(2)
Рис. 6. Структурная схема мультиагентной системы взаимодействия роботов
Рассмотренные в статье технические принципы являются базой для построения платформы, повышающей качество взаимодействия в таких сферах, как рекламные акции и промоутинг, экскурсионные программы, кон-
0
сультирования в различных государственных и частных организациях.
Несомненно, тема внедрения частичных функций автономности в подобных роботов является актуальной и достаточно сложной задачей.
Решение данной задачи требует дальнейших исследований.
Литература
1. Управление роем динамических объектов на базе мультиагентного подхода / В. Ерофеева и др. // Компьютерные инструменты в образовании. 2015. №. 6. С. 34-42.
2. Управление группировками киберфизических объектов в среде облачных вычислений / В.С. Заборов-ский и др. // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2015. №. 10 (171). С. 45-60.
3. Назарова А.В., Рыжова Т.П. Система управления коллективом мобильных роботов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 4. С. 45-50.
4. Промобот [Электронный ресурс]: сайт. URL: https://promo-bot.ru/ (дата обращения: 04.04.2018).
5. Робот PadBot сайт. URL: http://padbot.ru/ (дата обращения: 04.04.2018).
6. Робот BotEyes [Электронный ресурс]: сайт. URL: https://boteyes.ru (дата обращения: 04.04.2018).
7. Робот R.BOT [Электронный ресурс]: сайт. URL: http://www.rbot.ru/ (дата обращения: 04.04.2018).
8. Робот WeBot [Электронный ресурс]: сайт. URL: https://wicron.com/ (дата обращения: 04.04.2018).
Поступила 11.05.2018; принята к публикации 16.07.2018 Информация об авторах
Соловьев Антон Юрьевич - канд. техн. наук, доцент, Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (309516, Россия, Белгородская обл., г. Старый Оскол, микрорайон Макаренко, 42), e-mail: solovyov.anton@gmail.com
Цуканов Михаил Александрович - канд. техн. наук, доцент, Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (309516, Россия, Белгородская обл., г. Старый Оскол, микрорайон Макаренко, 42), e-mail: tsukanov_m_a@mail.ru
PARTIALLY AUTONOMOUS ROBOT-TELEPRESENCE AS AN ELEMENT OF MULTIAGENT INTERACTION
A.Yu. Solov'ev, M.A. Tsukanov
Stary Oskol Technological Institute n.a. A.A. Ugarov, a branch of National University of Science and Technology "MISiS", Stary Oskol, Russia
Abstract: the article deals with the task of endowing a robot-telepresence with functions of partial autonomy. The sphere of application of robots-telepresence is considered, the analysis of current decisions in the market of similar robots is done. The classical scheme of control of robots-telepresence is presented and on the basis of the resulted scheme the basic lacks of similar decisions are allocated, namely the big loading on the operator in the course of management of the robot, and also complexity of process of training of the operator. Based on the identified shortcomings, a solution is proposed that can provide robots-telepresence with a partial autonomy. As autonomous functions, recognition of a person, following a person, bending obstacles are considered. These autonomy functions were identified as priority, which will help to avoid the identified problems in the management of robots-telepresence. Also, the market for such solutions was analyzed, during the analysis it was revealed that most of the solutions do not even have a partial autonomy. To implement the solution of endowing robots-telepresence with autonomy functions, the authors suggest using a robotic platform that was developed at the Department of Automated Information Control Systems of the Stary Oskol Institute of Technology. A block diagram of the proposed solution is given. The authors also suggest the structure of a multi-agent system for solving tasks for carrying out activities requiring the participation of several robots-telepresence
Key words: robot-telepresence, functions of partial autonomy, multi-agent system
References
1. Erofeeva V. et al. "Control of a swarm of dynamic objects on the basis of a multiagent approach", Computer tools in education (Komp'yuternye instrumenty v obrazovanii), 2015, no. 6, pp. 34-42.
2. Zaborovskiy V.S. et al. "Management of groupings of cyberphysical objects in a cloud computing environment", News of Southern Federal University. Technical science (Izvestiya Yuzhnogo federal'nogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki), 2015, no. 10 (171), pp. 45-60.
3. Nazarova A.V., Ryzhova T.P. "Control system of the collective of mobile robots", Mechatronics, automation, control (Mek-hatronika, avtomatizatsiya, upravlenie), 2014, no. 4, pp. 45-50.
4. Promobot, available at: https: //promo-bot.ru/
5. Robot PadBot, available at: http://padbot.ru/
6. Robot BotEyes, available at: https://boteyes.ru
7. Robot R.BOT, available at: http://www.rbot.ru/
8. Robot WeBot, available at: https://wicron.com/
Submitted 11.05.2018; revised 16.07.2018 Information about the authors
Anton Yu. Solov'ev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Stary Oskol Technological Institute n.a. A.A. Ugarov, branch of National University of Science and Technology "MISiS" (42 Makarenko distr., Staty Oskol 309516, Belgorod region, Russia), e-mail: solovyov.anton@gmail.com
Mikhail A. Tsukanov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Stary Oskol Technological Institute n.a. A.A. Ugarov, branch of National University of Science and Technology "MISiS" (42 Makarenko distr., Staty Oskol 309516, Belgorod region, Russia), e-mail: tsukanov_m_a@mail.ru
