CC BY-NC
22
СЕКЦИЯ 1.
Кораблестроение. Судостроение. Робототехника
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-7-16 УДК 629.584:007.52
В.В. Воробьев , В.В. Карпов , A.C. Наседкин
НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия
ОБ ОДНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СТАЙНОГО ПОВЕДЕНИЯ В ГРУППЕ ПОДВОДНЫХ РОБОТОВ
Объектом исследования является групповая подводная робототехника, а предметом исследования - решение задачи скрытного наблюдения с использованием биоинспирированного подхода при создании групп АНПА. Суть подхода заключается в том, что при создании робота различные аппаратные, программные и технические решения имеют под собой биологическую основу, т.е. опираются на исследования в области этологии и морфологии живых организмов.
В подводной робототехнике этот подход позволяет создавать роботов, которые морфологически и с поведенческой точки зрения менее заметны как для средств подводной разведки, так и для обитателей водоемов, что позволит успешнее решать задачи разведки акватории и осуществлять наблюдение за фауной в исследовательских целях. Целью научной работы является создание и отработка ряда базовых групповых поведенческих механизмов для такого рода роботов. Это необходимо, чтобы поведение группы роботов при выполнении поставленных задач отличалось как можно меньше от поведения животных в этой среде, тем самым снижая один из факторов своей заметности.
Базовые алгоритмы поведения роботов разрабатывались на основе исследований в области ихтиологии и этологии с использованием положений из теории автоматов. Ряд функций системы управления (СУ) нижнего уровня были отработаны с помощью имитационного моделирования. Основные опыты проводились в испытательном бассейне лаборатории робототехники НИЦ «Курчатовский институт» на реальной группировке подводных роботов, разработанной в процессе работ по этой теме. По результатам исследования разработан один из базовых механизмов стайного поведения роботов - движение в группе за динамическим лидером, т.е. когда лидерство в группе неустойчиво. Для тестирования механизма в реальной среде созданы три подводных робота, конструкционно имитирующих рыб, с двухуровневой системой управления. Разработана система сигнальной коммуникации ближнего радиуса действия на основе ИК-канала для ограниченного обмена данными между аппаратами. Используя данную систему и механизм движения в группе за динамическим лидером, который работает на верхнем уровне системы управления, были проведены опыты, подтверждающие работоспособность предлагаемых решений. Разработанный механизм, а также полученные в процессе работы технические и технологические решения являются основой для дальнейших работ по созданию биоподобного подводного робота. Алгоритм движения за динамическим лидером является базовым для дальнейшей разработки механизмов группового поведения, в т.ч. движения в стае роботов. Ключевые слова: биоподобный подводный робот, групповая подводная робототехника, сигнальная подводная связь, элементы стайного поведения подводных роботов, скрытное наблюдение и разведка. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SECTION 1.
Shipbuilding. Marine robotics
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-S-I-7-16 UDC 629.584:007.52
V. Vorobyev , V. Karpov , A. Nasedkin
Kurchatov Institute National Research Centre, Moscow, Russia
ON ONE IMPLEMENTATION OF COLLECTIVE BEHAVIOR IN A SHOAL OF UNDERWATER ROBOTS
Для цитирования: В.В. Воробьев, В.В. Карпов, А.С. Наседкин. Об одной реализации стайного поведения в группе подводных роботов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 2: 7-16. For citations: V. Vorobyev, V. Karpov, A. Nasedkin. On one implementation of collective behavior in a group of underwater robots. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Issue 2: 7-16 (in Russian).
This paper discusses underwater robotic networks from the standpoint of stealthy surveillance by means of bio-inspired drones. "Bio-inspired" means that various hardware, software and technology solutions implemented in a robot have biological basis and rely on the studies in ethology and morphology of living organisms.
In underwater robotics, this approach makes it possible to develop the vehicles that resemble sea life in terms of appearance and behavior and therefore are harder to detect for both animal and human observer, which facilitates the tasks of water area surveillance and fauna research observations. This work is meant to develop and refine a number of basic collective behavior patterns for this kind of robots, which is necessary to make robots as similar to the sea life in their operation area as possible to reduce their chances of being detected.
Basic behavior algorithms for robots were developed as per the findings of ichthyological and ethological studies and also relying on certain points of the automata theory. A number of functions for the lower-level control systems were developed through simulation. The experiments were mostly performed in Robotic Test Tank of the Kurchatov Institute on a real shoal of underwater robots developed under this project.
The results of this study made it possible to develop one of the basic patterns in shoaling behavior of robots, i.e. schooling after a non-established leader whose position is disputed. In real environment, this pattern was tested on three fish-like underwater robots with two-level control system. Another output of the study is a short-range infrared communication system for limited data exchange between drones. Experimental validation of this system and the pattern of schooling after a non-established leader implemented at the top level of robot control system have confirmed the viability of suggested solutions. This mechanisms, as well as technical and technological solutions yielded by this work will become the basis for further efforts towards development of a bio-inspired underwater robot. The algorithm of schooling after a non-established leader plays a key role in further improvement of collective behavior patterns for drones, like shoaling.
Keywords: bio-inspired underwater robot, underwater robotic network, underwater communications, schooling behavior elements for underwater drones, stealthy intelligence, surveillance and reconnaissance. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Задача скрытного наблюдения за акваторией является одной из приоритетных задач, решаемых в рамках подводной робототехники [1]. Одним из путей ее решения, а также повышения степени незаметности робототехнических устройств, является использование биоинспирированного подхода, который все активнее применяется в робототехнике [2-3]. Его основная идея не нова, берет свое начало с фундаментальных работ [4-6] и заключается в применении наработок в области биологии, этологии, ихтиологии и др. в робототехнике. Особый интерес в применении этого подхода на практике отмечается в подводной робототехнике и имеет как минимум тридцатилетнюю историю, начиная с робота-сома, созданного в США в 1990 гг. под руководством ЦРУ [7] для задач военной разведки.
Помимо задач разведки и охраны определенной акватории [1] есть и другая сфера применения био-инспирированных подводных роботов - научно-исследовательская, где они применяются для изучения морской и речной фауны [8]. Здесь тоже очень важна способность робота маскироваться под животное так, чтобы не испугать объект исследования. Более экзотическими и менее актуальными задачами, которые решаются такими роботами, являются задачи спасения морских животных при техногенных катастрофах [9] и демонстрации био-
подобных роботов в аквапарках вместо настоящих животных [10].
Таким образом, во-первых, задачи, решаемые биоподобными подводными роботами, актуальны, а во-вторых, подход, в рамках которого эти устройства разрабатываются, позволяет эти задачи успешно решать. Это обусловлено тем, что биоинспирирован-ный подход требует проработки всех аспектов комплексной задачи создания биоподобного автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) для скрытного подводного наблюдения:
1. Морфология робота. В целом отражает внешнее сходство аппарата с реальным животным, его кинематическую модель, а также пространственную компоновку узлов робота, сенсорную и эффекторную начинку.
2. Материалы. Проблема касается магнитометрической, тепловой и оптической заметности материалов, из которых сконструирован робот, их коррозиестойкости, а также соотношений «вес/объем», «вес/прочность» и др.
3. Сенсорика. В современной подводной технике широко развиты различного рода акустические средства обнаружения и каналы связи. В животном мире аналогичными средствами пользуются ластоногие; рыбы, если и используют этот канал связи, то делают это неявно [11, 12]. В связи с этим есть необходимость в развитии чувствительных сенсоров давления в виде тонкого покрытия - «кожи», видеокамер, для работы в сильно затемненных местах, коммуника-
ционной подсистемы и др., а также в решении вопросов их герметизации.
4. Эффекторы. Аспект касается разработки новых движителей для биоподобного робота. На текущий момент для этих целей в основном используются сервоприводы, например, проекты Марии Л. Кастаньо [13] и Лианга Ли [14]. Есть и другие, более экзотические решения (см. работы Чжуна Юна [15] и Роберта К. Кацшманна [16]). Вместе с тем такие эффекторы крайне негативно влияют на акустическую заметность устройства, т.к. очень шумны.
5. Аппаратная часть СУ. Поток данных от различных сенсоров и, в перспективе, необходимость обработки потока видеоданных требуют компактного, энергоемкого вычислителя на борту. Возможно использование нейроморфных вычислителей или вычислителей на основе ПЛИС, т.к. стандартные аппаратные средства не всегда подходят из-за большой энергоемкости и необходимости особой конструкции системы охлаждения, которая не будет негативно влиять на морфологию робота.
6. Биоэнергетика. В рамках этого направления прорабатывается возможность единовременной энергетической подпитки отдельных узлов робота, например, для отправки сигнала SOS или инициации программы самоуничтожения, когда остальная энергетическая система выведена из строя. Сама установка должна работать в режиме сборщика энергии - харвестера.
7. Индивидуальное движение. Касается проработки нижнего уровня управления роботом, создание «библиотеки» двигательно-реактивных функций, которые будут инициированы верхних уровнем управления.
8. Индивидуальное поведение. Верхний уровень системы управления роботом, где требуется проработка поведенческих функций робота, которые были бы идентичны, в разумных пределах, аналогичным у некоторых гидробионтов, например рыб. Создание такого верхнего уровня системы управления частично позволяет говорить о поведенческом биоподобии робота -это ситуация, когда набор паттернов поведения робота и правил их применения его СУ для внешнего наблюдателя является неотличимым от таковых у реальных животных.
9. Групповое поведение. Является частью верхнего уровня управления, однако требует выделения в отдельную группу задач, т.к. касается проработки широкого круга вопросов группового
и стайного поведения: реакции на соседей, движение за временным лидером, совместная «охота» и «защита» и др. Эта часть СУ нацелена на достижение максимального поведенческого биоподобия робота. Кроме того, группа взаимодействующих друг с другом роботов решает задачу разведки и наблюдения, как правило, более эффективно, а сама группа более ро-бастна по сравнению с отдельным роботом. Очевидно, что проработка одних аспектов повлияет и на другие: например, исследования в области новых материалов могут ускорить разработку искусственных мышц в качестве эффекторов. При этом все эти факторы так или иначе влияют на за-метность биоподобного робота, как на морфологическую, так и на поведенческую, и требуют всесторонней и комплексной проработки. Поскольку тематика создания биоподобного подводного робота не нова, рассмотрим эту предметную область, учитывая те аспекты его создания, которые были показаны выше.
В работе [17] описана группа из 16 роботов, проводящая измерения на разных глубинах. Задачей проекта был замер изменений траекторий дрейфующих аппаратов на разной глубине, а также описание проектирования, строительства, управления и подводной навигации M-AUE. Система предназначена для измерения временных рядов трехмерных окружающих течений или для имитации поведения планктона в вертикальном плавании. Система состоит из двух основных компонентов: небольших, свободно дрейфующих подводных аппаратов, которые могут регулировать свою плавучесть для контроля глубины и чьи трехмерные траектории могут быть измерены под водой, и набора заякоренных систем глобального позиционирования (GPS).
В проекте MONSUN [18] описана текущая концепция разработки и дизайна подводного робота, основанная на высокой надежности и модульности, позволяющей получить подводную платформу для использования в роях роботов. Количество роботов в рое ограничивается пропускной способностью канала связи, который способен обслуживать 63 члена роя, но на данный момент существует два действующих АНПА. Роботы способны узнавать друг друга визуально и плыть на заданном расстоянии друг от друга.
Проект CoCoRo [19] направлен на создание разнородного роя АПА, который используется для мониторинга окружающей среды. Система состоит из нескольких подсистем: «плавающая базовая станция», которая передает глобальную информацию (например, GPS), «наземный рой», который выпол-
няет главную задачу, и «релейный рой», отвечающий за связь между агентами. Данные аппараты являются исследовательской платформой для разработки локальных алгоритмов стайного поведения.
В работе [20] описывается группа подводных аппаратов, похожих на рыб. Данные аппараты оснащены тремя синими светодиодами и двумя камерами, при помощи которых они могут опознать соседнего агента, его скорость и направление движения, и поплыть за ним при помощи движителей, имитируя при этом движение косяка рыб. Используя информацию о местоположении, рассчитанную с камер, косяк может рассредоточиться, сгруппироваться, плавать по кругу или найти объект, а затем приблизиться к нему.
В работе коллектива НИЦ «Курчатовский институт» [21] представлен инфраструктурный комплекс для создания биоподобного подводного робота. Он состоит из подводной лабораторной платформы для исследований в области создания новой сенсорики и биоэнергетики, полноразмерного погружного макета робота-рыбы, на котором отрабатываются элементы конструкции и система управления, и два робота-мишени для отработки принципов движения биоподобного робота и тестирования средств обнаружения.
Анализ предметной области показывает, что в большинстве исследований разработанные авторами роботы схожи по строению и внешнему виду с рыбами. Это связано с тем, что зона их обитания очень широка и покрывает большинство водоемов, где может понадобиться скрытное наблюдение. Также можно отметить определенную фрагментарность работ, которые посвящены теме создания биоподобного подводного робота. В основном речь идет о различных технических решениях, которые касаются морфологических и некоторых поведенческих аспектов создания подводного биоподобного робота. Вопросы индивидуального, и особенно группового поведения, освещены гораздо слабее, в связи с чем есть необходимость в создании моделей и механизмов, реализующих это поведение, опираясь на ихтиологические исследования в этой области.
Рыбы не являются эусоциальными, т.е. истинно социальными животными. Однако они проявляют некоторые элементы стайного поведения, которое является важным адаптивным свойством вида. Преимущества, приобретаемые рыбами в результате стайного образа жизни, многообразны и касаются многих важнейших аспектов их жизни. Например, затрачивается меньше энергетических ресурсов на защиту, обнаружение пищи,
успешную ориентацию, точность определения направления миграции и для осуществления других важных биологических функций.
В осуществлении рыбами стайного поведения важную роль играет оптомоторная реакция - основной механизм ориентации рыб в потоке. Зрительными ориентирами для проявления двигательной реакции служат соседние особи. Важную роль в процессе распознавания соседей рыбами является окраска. Рефлекс следования обеспечивает сохранение рыбами единой стаи в водоемах. Синхронность реагирования стаи достигается благодаря быстрому распространению в ней волны возбуждения, передаваемой от особи к особи благодаря безусловному имитационному рефлексу.
Лидеры в социальных группировках животных выполняют важную сигнальную функцию. Несмотря на то, что в стаях рыб долговременное лидерство отсутствует, отдельные группы особей в стаях также выполняют сигнальную роль и своим поведением влияют на поведение всей стаи. Кратковременную лидирующую функцию будут выполнять те индивиды, которые первыми или с большей интенсивностью проявят поведенческую реакцию на какой-либо значимый для них стимул. Такие особи могут отличаться от других рыб в стае повышенной возбужденностью или реактивностью [22].
Таким образом, базовым механизмом группового поведения рыб является повторение поведенческих реакций соседей, частным случаем которого является следование за локальным лидером.
Постановка задачи
Formulation of task
Необходимо разработать программно-аппаратный комплекс, реализующий базовый механизм группового поведения у рыб - движение за соседом - локальным лидером. Для этого требуется разработать систему подводной коммуникации ближнего радиуса действия. При этом рыбы явно не используют гидроакустический канал связи, и исходя из соображений биоподобия, необходимо придерживаться этого же принципа. Использование широкоформатных видеокамер для этого было бы наиболее приемлемо с точки зрения биологии, однако сопутствующие технические проблемы, касающиеся необходимости достаточно мощного вычислителя для обработки видеопотока и, следовательно, отвода сопутствующего тепла, делает эту задачу крайне трудоемкой.
Применение электромагнитного (ЭМ) излучения в видимом спектре для коммуникации также
является демаскирующим фактором. Поэтому было принято решение остановиться на ЭМ излучении в ИК-спектре, близком к видимому спектру. С одной стороны оно менее демаскирует робота, а с другой -ИК-излучение с длиной волны 900-950 нм достаточно хорошо пропускается водой (рис. 1).
Кроме того, необходимо разработать механизм изменения степени «возбуждения» робота, которая будет транслироваться по каналу связи другим роботам. Этот механизм является частью СУ верхнего уровня и позволит менять динамического лидера в группе, имитируя элементы социального поведения. Нижний уровень СУ отвечает за управление эффекторами робота. Также требуется провести эксперименты на реальной группе роботов в реальной среде.
Система управления
Control system Нижний уровень
Нижний уровень СУ уже был разработан в лаборатории робототехники в рамках более ранних работ по этой теме [21]. Он предназначен для управления эффекторами робота, где каждый из них отрабатывает программу действий T = < A1, A2, V12, V21, T1, T2 > по алгоритму, представленному в виде конечного автомата Мили на рис. 2.
Здесь A1, A2 - минимальный и максимальный углы поворота эффектора; V12, V21 - скорости движения в прямом и обратном направлении; T1 , T2 - задержки в начальной и средней фазах движения, т.е. время паузы в тактах автомата. Также на нижнем уровне происходит обработка сигналов от бамперов, которые позволяют избегать столкновения с препятствием.
Верхний уровень
На этом уровне управления реализуются функции движения в плоскости, всплытия и погружения, а также групповое поведение. Двигательные функции, в т.ч. функции погружения и всплытия задаются для каждого эффектора в виде его программы действий Т, которые передаются на нижний уровень для их отработки. При этом всплытие и погружение определяются с помощью сигналов от датчика давления и внутреннего таймера соответственно.
Упрощенная схема работы верхнего уровня представлена в виде таблицы переходов конечного автомата. Число в формате T{TrBiBr кодирует состояния датчиков: Tl, Tr - левый и правый коммуника-
Рис. 1. Поглощение электромагнитного излучения водой. По оси абсцисс длина волны (мкм), по оси ординат - коэффициент поглощения. Рисунок взят из журнала Journal of Biomedical Optics 12(4), 044012 (July/August 2007)
Fig. 1. Water absorption of electromagnetic signals. X axis -wave length, |jm; Y axis - absorption coefficient. Courtesy of the Journal of Biomedical Optics 12(4), 044012 (July/August 2007)
a>A2
Рис. 2. Алгоритм управления эффектором в виде конечного автомата Мили
Fig. 2. Effector control algorithm: a finite-state Mealy machine
ционный сенсоры, а Bl, Br - левый и правый бампер соответственно. 1 означает, что либо сенсор, либо бампер сработали, 0 - ничего не видят. F - состояние, в котором робот движется прямо, L, R, U -влево, вправо, всплытие соответственно.
Обобщенно модель группового поведения описывается простым правилом: если по ИК-каналу получен сигнал, который сильнее излучаемого роботом, и в стороне источника сигнала нет препятствия, то двигаться в сторону источника сигнала; в противном случае продолжать выполнять последнее действие.
Упрощенная таблица переходов конечного автомата верхнего уровня системы управления робота Simplified table of transitions for the finite-state machine: top level of robot control system
State / X TTBBr TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
F F L R U R F R U
L F L R U R F R U
R F L R U R F R U
U F L R U R F R U
State /X TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr TlTrBlBr
1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
F L L F U F L R U
L L L F U L L R U
R L L F U R L R U
U L L F U F L R U
Аппаратная часть
Сконструировано 3 робота-рыбы (см. рис. 3) для тестирования элементов группового поведения.
Эффекторная часть сделана с использованием сервоприводов TowerPro mg946r для хвостового элемента, имеющего два звена сочленения - ServoO и Servo 1, и одного сервопривода TowerPro mg 90s для привода грудных плавников - Servo2. Условная структурная схема робота с расположенными сервоприводами представлена на рис. 4.
Рис. 3. Роботы-рыбы Fig. 3. Fish-like robots
Рис. 4. Условная структурная схема робота Fig. 4. Structural layout of robot (example)
Аппаратная часть системы управления представлена в виде двух контроллеров Atmega328, один из которых отвечает за работу системы управления, а другой - за обработку данных от четырех ИК-приемников TSOP1736 с несущей в 36 КГц. Контроллеры соединены друг с другом по протоколу RS232. Также есть контроллер Attiny85, отвечающий за ИК-передатчик в виде 20 параллельно соединенных друг с другом ИК-диодов с длиной излучаемой волны в 920 нм, которые работают в импульсном режиме.
Сенсорная система состоит из трех цифровых ИК-бамперов с дальностью работы в воде около 150 мм, один из которых направлен вниз, а два других - вправо и влево соответственно. Также в спинном плавнике расположен датчик влажности, играющий роль датчика всплытия. Питание осуществляется от аккумулятора 7,4 В, покрытого пластиком для герметизации. Сервоприводы покрыты морской смазкой, датчики находятся внутри корпусных элементов, сделанных, как и плавники робота, с помощью отливки из формовочного силикона FlexilisJ40. Силовые каркасные элементы сделаны из оргстекла и с использованием ABS-пластика с помощью 3Б-печати.
Подводная локальная связь
Short-range underwater communications
Принцип работы
Контроллер передатчика Attiny85 генерирует пачку импульсов определенной численности
и скважности, также задается скважность между пачками. В силу особенностей работы приемников и таймера контроллера приемника Atmega328 необходимо представить задаваемую длину пачки в виде численного кода в диапазоне от 1 до 15, где на единицу кода приходится 8 выходных импульсов, что дает доступный диапазон от 8 до 120 импульсов в пачке. График зависимости длины огибающей от количества импульсов в пачке со скважностью между пачками, равной 1, представлен на рис. 5.
Эксперименты со связью
Experiments with communications
Стенд представляет собой 4 ИК-датчика, которые подключены к контроллеру Atmega328 приемника, и пучок ИК-диодов (рис. 6), подключенных к аналогичному контроллеру передатчика.
Излучатель на рис. 6а представляет собой 12 ИК-диодов, подключенных последовательно по 4 в 3 группы, соединенных параллельно. С контроллером соединен через транзисторный ключ. Излучатели на рис. 66 - параллельная схема подключения 24 (слева) и 9 ИК-диодов. Транзисторный ключ вынесен на отдельную плату.
Структурная схема стенда изображена на рис. 7.
Датчики расположены таким образом, чтобы имитировать их расстановку на голове робота. Чтобы регулировать мощность излучения с целью установить уровень сигнала, пригодный для работы системы, в схеме присутствует переменный резистор R. Прежде всего были определены
W S
н" «
Ю
Е
о
cd »
IS
а
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
24 40 56 72 88 104 120 Количество импульсов в пачке
Рис. 5. График зависимости длины огибающей от количества импульсов в пачке
Fig. 5. Envelope curve length versus pulse number in the pack
а)
Рис. 6. Разные типы ИК-излучателей Fig. 6. Various types of infrared emitters
позиции на голове робота, где должны располагаться ИК-приемники. Варьируя сопротивление излучателя R1 в пределах от 150 до 590 Ом, перемещая датчики на голове и саму голову вокруг излучателя, мы получили оптимальные позиции
Рис. 7. Структурная схема ИК-стенда
Fig. 7. Structural layout of infrared test facility
ATMega328
ATMega328
TSOP2
GND | 5V | SIG
г1 С
№
TSOP3
GND 5V SIG
(GND)(VCC)
а) б)
Рис. 8: а) оптимальные позиции ИК-приемников, помеченные кружками; б) зоны их приема
Fig. 8. Optimal positions of IR receivers, marked by circles (a); their reception ranges (b)
Рис. 9. Заготовка для ИК-излучателя, который устанавливается на робота
Fig. 9. A workpiece of IR emitter to be installed on robot
датчиков (рис. 8a). При этом они должны быть расставлены попарно, слева-справа и сверху-снизу для возможности поворота аппарата в нужном направлении и иметь пересечение углов приема для определения находящейся впереди цели (рис. 86, зона 10).
Также проводились испытания коммуникационной системы в воде для всех типов излучателей. По итогам проведенных экспериментов принято решение увеличить скважность излучаемых импульсов с 2 до 4, что позволило увеличить дальность излучения в бассейне для параллельных схем до 400 мм при R1 = 0. От последовательно-параллельной схемы пришлось отказать-
ся, т.к. дальность ее излучения при таких же параметрах не превышала 100-150 мм в воде. После стендовых испытаний разработана итоговая схема ИК-излучателя, который устанавливался на робота в заднюю часть корпуса (рис. 9).
Кружками помечены места установки ИК-диодов. Излучатель двухсторонний, т.е. всего на нем установлено 20 ИК-диодов, по 10 с обеих сторон, подключенных параллельно, через транзисторный ключ.
Экспериментальная часть
The experimental part
Суть экспериментов заключалась в следующем: каждому роботу аппаратно задавалась величина его «возбуждения» с помощью делителя напряжения, подключенного к контроллеру излучателя (рис. 10).
Более возбужденные особи становятся локальными лидерами в стае, и их стараются держаться менее активные роботы. Эта величина программно меняется с течением времени: величина излучаемого сигнала растет от минимальной, равной 2, до максимальной, равной 10, в течение 2 мин. Это позволяет динамически менять лидера в группе роботов.
Наблюдения показали, что группа роботов старается двигаться за наиболее возбужденным в данный момент роботом. Начальные величины, характеризующие активность роботов, подбирались таким образом, чтобы в любой момент эта величина одного робота не была равна аналогичной величине любого другого робота. Этим исключались моменты неопределенности, когда менее активным роботам приходилось выбирать, за кем двигаться. Эксперименты по тестированию элементов группового поведения роботов проводились в бассейне лаборатории робототехники НИЦ «Курчатовский институт».
5V
J Signal 1 L R2 г
] Gnd L яз г
Основной контроллер ATMega328
Рис. 10. Схема соединения делителя напряжения. Регулируя сопротивления R2 и R3, устанавливается начальный уровень возбуждения робота
Fig. 10. Wiring diagram of bolt box. Initial excitation level of the robot is set through adjustment of R2 and R3 resistances
Заключение
Conclusion
В исследовании представлены результаты по разработке базового элемента стайного поведения в группе подводных роботов, а именно - движения за локальным лидером. Для этого была создана система локальной коммуникации ближнего радиуса действия для подводных биоподобных роботов, основанная на сигнальной коммуникации по ИК-каналу в спектре излучения, близком к видимому.
В рамках работ сконструированы 3 АНПА для тестирования элементов группового поведения. Проведены натурные эксперименты в лабораторном бассейне, где подтверждена работоспособность предлагаемого механизма. Разработанный программно-аппаратный комплекс является основой для дальнейших работ по тематике индивидуального и группового поведения подводных биоподобных роботов.
Список использованной литературы
1. Tingley B. The Navy is Developing "Bio-Inspired" Drones That Transition Between Air And Water [Electronic resource]. 2021. URL: https://www.thedrive.com/the-war-zone/41044/the-navy-is-developing-bio-inspired-drones-that-transition-between-air-and-water.
2. Карпов В.Э., Карпова И.П., Кулинич А.А. Социальные сообщества роботов. М.: УРСС, 2019. 352 с.
3. Kernbach S. Handbook of Collective Robotics: Fundamentals and Challenges. Singapore: Pan Stanford, 2013. 962 p.
4. Цетлин М.Л. Исследования по теории автоматов и моделированию биологических систем. М., 1969. 316 с.
5. Варшавский В.И. Коллективное поведение автоматов. М.: Наука, 1973. 408 с.
6. Варшавский В.И., Поспелов Д.А. Оркестр играет без дирижера: размышление об эволюции некоторых технических систем и управление ими. М.: Наука, 1984. 208 с.
7. Marsh A. Meet Catfish Charlie, the CIA's Robotic Spy [Electronic resource]. 2021. URL: https://spectrum.ieee.org/ tech-history/silicon-revolution/meet-catfish-charlie-the-cias-robotic-spy.
8. Li G., Deng Y., Osen O., Bi S., Zhang H. A bio-inspired swimming robot for marine aquaculture applications: From concept-design to simulation // Oceans. 2016. Shanghai, 2016. P. 1-7.
9. Marras S., Porfiri M. Fish and robots swimming together: Attraction towards the robot demands biomimetic locomotion // J. R. Soc. Interface. 2012.
10. Frandino N. The robot dolphin that could replace captive animals at theme parks one day [Electronic resource].
2020. URL: https://www.reuters.com/article/us-tech-conservation-robot-dolphin-idUSKBN26Z 1QV.
11. Астафьев Ю.Ф. В подводном мире. М.: Просвещение. 1977. 176 с.
12. ПротасовВ.Р. Биоакустика рыб. М.: Наука. 1965. 208 с.
13. CastañoM.L., TanX. Model Predictive Control-Based Path-Following for Tail-Actuated Robotic Fish // J. Dyn. Syst. Meas. Control. Trans. ASME. 2019. Vol. 141, No. 7.
14. Li L., Wang C., Fan R., Xie G. Exploring the backward swimming ability of a robotic fish: Combining modelling and experiments // Int. J. Adv. Robot. Syst. 2016. Vol. 13, No. 5.
15. Zhong Y., Du R Design and implementation of a novel robot fish with active and compliant propulsion mechanism // Robotics: Science and Systems. 2016. Vol. 12.
16. Katzschmann R.K., DelPreto J., MacCurdy R., Rus D. Exploration of underwater life with an acoustically controlled soft robotic fish // Sci. Robot. 2018. Vol. 3, No. 16. P. 1-12.
17. Jaffe J.S., Franks P.J.S., Roberts P.L.D., Mirza D, Schurgers C., Kastner R., Boch A. A swarm of autonomous miniature underwater robot drifters for exploring submesoscale ocean dynamics // Nat. Commun. Nature Publishing Group. 2017. Vol. 8.
18. Behrje U., Isokeit C., Meyer B., Maehle E. A robust acoustic-based communication principle for the navigation of an underwater robot swarm // Ocean. 2018. MTS/IEEE Kobe Techno-Oceans. May 2018.
19. Schmickl T., Thenius R., Timmis J., Tyrrell A., Halloy J., Stefanini C., Manfredi L., Campo A., Sutantyo D., Kernbach S. CoCoRo: The self-aware swarm of underwater robots // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2011. P. 120-126.
20. Berlinger F., Gauci M., Nagpal R. Implicit coordination for 3D underwater collective behaviors in a fish-inspired robot swarm // Sci. Robot. 2021. Vol. 6, No. 50. P. 1-15.
21. Карпов В.В., Ханбекян А.Г., Воробьев В.В. О разработке инфраструктуры для создания биоподобного подводного робота // X Международная научно-практическая конференция «Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте», 17-21 мая 2021, Коломна. Т. 2. С. 247-257.
22. Касумян А.О., Павлов Д.С. Стайное поведение рыб. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2018. 274 с.
References
1. Tingley B. The Navy is Developing «Bio-Inspired» Drones That Transition Between Air And Water [Electronic resource]. 2021. URL: https://www.thedrive.com/the-war-zone/41044/the-navy-is-developing-bio-inspired-drones-that-transition-between-air-and-water.
2. V. Karpov, I. Karpova, A. Kulinich. Social communities of robots. Moscow, URSS, 2019. 352 p. (in Russian).
3. Kernbach S. Handbook of Collective Robotics: Fundamentals and Challenges. Singapore: Pan Stanford, 2013. 962 p.
4. M. Tsetlin. Studies on automata theory and simulation of Biosystems. Moscow, 1969. 316 p. (in Russian).
5. V. Varshavsky. Collective behavior of automatons. Moscow, Nauka, 1973. 408 p. (in Russian).
6. V. Varshavsky, D. Pospelov. Orchestra plays without conductor: a reflection upon evolution and control of certain technical systems. Moscow, Nauka, 1984. 208 p. (in Russian).
7. Allison M. Meet Catfish Charlie, the CIA's Robotic Spy [Electronic resource]. 2021. URL: https://spectrum.ieee.org/ tech-history/silicon-revolution/meet-catfish-charlie-the-cias-robotic-spy.
8. Li G., Deng Y., Osen O., Bi S., Zhang H. A bio-inspired swimming robot for marine aquaculture applications: From concept-design to simulation // Oceans. 2016. Shanghai, 2016. P. 1-7.
9. Marras S., Porfiri M. Fish and robots swimming together: Attraction towards the robot demands biomimetic locomotion // J. R. Soc. Interface. 2012.
10. Frandino N. The robot dolphin that could replace captive animals at theme parks one day [Electronic resource]. 2020. URL: https://www.reuters.com/article/us-tech-conservation-robot-dolphin-idUSKBN26Z 1QV.
11. Yu. Astafyev. In the underwater world. Moscow, Pros-vescheniye, 1977. 176 p. (in Russian).
12. V. Protasov. Bioacoustics of fishes. Moscow, Nauka, 1965. 208 p. (in Russian).
13. Castaño M.L., Tan X. Model Predictive Control-Based Path-Following for Tail-Actuated Robotic Fish // J. Dyn. Syst. Meas. Control. Trans. ASME. 2019. Vol. 141, no. 7.
14. Li L., Wang C., Fan R., Xie G. Exploring the backward swimming ability of a robotic fish: Combining modelling and experiments // Int. J. Adv. Robot. Syst. 2016. Vol. 13, no. 5.
15. Zhong Y., Du R. Design and implementation of a novel robot fish with active and compliant propulsion mechanism // Robotics: Science and Systems. 2016. Vol. 12.
16. Katzschmann R.K., DelPreto J., MacCurdy R., Rus D. Exploration of underwater life with an acoustically controlled soft robotic fish // Sci. Robot. 2018. Vol. 3, no. 16. P. 1-12.
17. Jaffe J.S., Franks P.J.S., Roberts P.L.D., Mirza D., Schurgers C., Kastner R., Boch A. A swarm of autonomous miniature underwater robot drifters for exploring submesoscale ocean dynamics // Nat. Commun. Nature Publishing Group. 2017. Vol. 8.
18. Behrje U., Isokeit C., Meyer B., Maehle E. A robust acoustic-based communication principle for the navigation of an underwater robot swarm // Ocean. 2018. MTS/IEEE Kobe Techno-Oceans. May 2018.
19. Schmickl T., Thenius R., Timmis J. [et al.]. CoCoRo: The self-aware swarm of underwater robots // IEEE/RSJ In-
ternational Conference on Intelligent Robots and Systems. 2011. P. 120-126.
20. Berlinger F., Gauci M., Nagpal R. Implicit coordination for 3D underwater collective behaviors in a fish-inspired robot swarm // Sci. Robot. 2021. Vol. 6, no. 50. P. 1-15.
21. V. Karpov, A. Khanbekyan, V. Vorobyev. Infrastructure development for a bio-inspired underwater drone // X International Conference Integrated Models and Soft Computing in Artificial Intelligence (IMSC-2021). May 17-21, 2021, Kolomna. Vol. 2, p. 247-257 (in Russian).
22. A. Kasumyan, D. Pavlov. Collective behaviour of fishes. Moscow, Partnership of Scientific Publications KMK, 2018. 274 p. (in Russian).
Сведения об авторах
Воробьев Виталий Владимирович, заместитель начальника лаборатории робототехники НИЦ «Курчатовский институт». Адрес: 123182, Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, 1. Тел.: +7 (499) 196-71-00, доб. 3138. E-mail: Voro-bev_VV@nrcki.ru. https://orcid.org/0000-0002-4629-6017. Карпов Валерий Валерьевич, инженер-исследователь лаборатории робототехники, НИЦ «Курчатовский институт». Адрес: 123182, Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, 1. Тел.: +7 (499) 196-71-00, доб. 3138. E-mail: kvv96@mail.ru. https://orcid.org/0000-0001-5066-3177. Наседкин Александр Сергеевич, лаборант-исследователь НИЦ «Курчатовский институт». Адрес: 123182, Россия, Москва, пл. Ак. Курчатова, 1. Тел.: +7 (499) 196-71-00, доб. 3138. E-mail: alec96@inbox.ru. https://orcid.org/0000-0002-9895-9011.
About the author
Vitaly V. Vorobyev, Deputy Head of Robotics Laboratory, NRC Kurchatov Institute. Address: 1, Akademika Kurchato-va Square, Moscow, Russia, post code 123182. Tel.: +7 (499) 196-71-00, ext. 3138. E-mail: Vorobev_VV@nrcki.ru. https://orcid.org/0000-0002-4629-6017. Valery V. Karpov, Engineer-Researcher, Robotics Laboratory, NRC Kurchatov Institute. Address: 1, Akademika Kurcha-tova Square, Moscow, Russia, post code 123182. Tel.: +7 (499) 196-71-00, ext. 3138. E-mail: kvv96@mail.ru. https://orcid.org/0000-0001-5066-3177. Alexandr S. Nasedkin, Lab Assistant-Researcher, NRC Kurcha-tov Institute, address: 1, Akademika Kurchatova Square, Moscow, Russia, post code 123182. Tel.: +7 (499) 196-71-00, ext. 3138. E-mail: alec96@inbox.ru. https://orcid.org/0000-0002-9895-9011.
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 22.11.21 © Коллектив авторов, 2021
