CC BY
7
УДК 007.52; 681.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-413-416
ПОДХОД К АВТОНОМНОМУ ВОЗВРАЩЕНИЮ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО МОБИЛЬНОГО РОБОТА В СЛУЧАЕ ПОТЕРИ СВЯЗИ С ОПЕРАТОРОМ
С.И. Плаксин
Рассматривается подход, позволяющий мобильному интеллектуальному роботу при потере связи с оператором автоматически возвращаться, для восстановления связи. Это достигается за счёт переключения робота в режим автоматического перемещения к последним известным точкам, где была связь со станцией управления. В результате повышается надёжность, за счёт уменьшения риска потери мобильного робота при потере связи и снижения возможного сопутствующего ущерба.
Ключевые слова: мобильный робот, автономное возвращение, потеря связи.
При столь широком применении мобильных роботов в современном мире важным является повышение их надёжности в полевых условиях. Одной из распространённых причин потери роботов является потеря с ним связи [1-2], что обычно приводит к его остановке или столкновению. Результатом этого может являться:
- повреждение или полное уничтожение мобильного робота;
- побочный ущерб окружающему имуществу;
- травмы или летальный исход среди окружающих людей;
- потеря ценных собранных данных или невозможность выполнения поставленной задачи.
Причинами потери связи могут являться состояние окружающей среды (погода и молнии), повреждение или неисправность части станции управления или части самого роботе, аппаратное ограничение дальности беспроводной связи или её пропускной способности. Распространение подавителей сигналов для борьбы с дронами [3] также повышает вероятность потери связи при использовании.
Управление мобильными роботами можно разделить на три типа:
- Ручное, когда пользователь лично управляет роботом.
- Планируемое, когда пользователь определяет и корректирует траекторию, по которой робот будет автоматически перемещаться.
- Автоматическое, когда пользователь изначально вводит минимально необходимые данные, с помощью которых робот будет строить маршрут и самостоятельно перемещаться, следуя определённому алгоритму для выполнения поставленной пользователем задачи.
Потеря связи является наибольшей опасностью для роботов с ручным управлением из-за необходимости в постоянном потоке команд. Для таких роботов потребуется добавить базовый алгоритм [4] для планируемого движения в зоне без связи. Алгоритм может отличаться в зависимости от типа роботов, а для летающих роботов потребуется дополнения к алгоритму для поддержания текущей высоты при отсутствии такой функции.
Потеря связи определяется мобильным роботом при:
- отсутствии обратных сигналов об успешной передаче данных на станцию управления [5];
- низкий уровень сигнала [6-7];
- наличии множественных помех в сети [8].
При обнаружении потери связи мобильный робот переключается в режим планируемого управления для возврата из этой мёртвой зоны. Для выбора траектории перемещения используются очередь точек 0> и запасная точка Рх.
Очередь Q1,Q2,—, QN получается из траектории перемещения робота до момента потери связи. В процессе движения мобильного робота в его память в виде очереди йРэ заносятся замеры его текущих координат, равноудалённых друг от друга на расстоянии Ь, которое может изменяться в зависимости от типа робота. Используются уже пройденные точки, т.к. они не были расположены в мёртвой зоне на момент перемещения через них. Требуется очередь длиной N минимум равной 2 на случай, если мёртвая зона не статична и может двигаться навстречу мобильному роботу. При необходимости длину очереди можно увеличить, однако более короткая очередь позволяет снизить риск обнаружения места запуска робота со станцией управления в случае его захвата при применении в военных целях.
Точка Рх задаётся пользователем перед запуском мобильного робота и отвечает за безопасное для него место. Некоторые летающие роботы оснащены схожей функцией «возврат к точке взлёта/домой» [9]. Рекомендуется выбирать Рх отличное от места запуска робота для снижения риска обнаружения станции управления.
Предлагаемый алгоритм действий мобильного робота после потери связи:
1. Перемещение к координатам точек очереди Q по возрастанию пока связь не восстановлена.
2. Если до сих пор находится в мёртвой зоне, то перемещение к координатам Рх.
3. Если связь восстановлена, то переключение на стандартное управление.
Для летательных роботов, если в конце связь всё равно не была восстановлена, то проводить контролируемое снижение в точке Рх.
Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 3
В случае, если мобильный интеллектуальный робот имеет планируемое или автоматическое управление и выполнение поставленной роботу задачи имеет более высокий приоритет, чем его сохранность, то в начало алгоритма действий после потери связи помещается выполнение поставленной задачи в соответствие с встроенными в него функциями. Лишь после выполнения задачи мобильный робот будет пытаться покинуть мёртвую зону, следуя данному алгоритму действий. Например, БПЛА после потери связи может продолжить проводить автоматизированную съёмку местности с сохранением данных во внутренней памяти перед возвращением из мёртвой зоны.
В качестве алгоритма перемещения может использоваться как встроенный в робота алгоритм при наличии, так и базовый алгоритм перемещения по траектории [4]. Однако для безопасного перемещения на местности со сложным рельефом, потребуется дополнение к алгоритму для реализации избегания столкновений с препятствиями [10-11].
При потере связи мобильного робота с GPS/Глонасс уже потребуются SLAM алгоритмы перемещения с использованием камер и датчиков для определение своего местоположения [12-13], а также хранение последних полученных координат до потери связи для определения относительного положения очереди точек Q и точки Рх.
Рассмотрим пример с мобильным летающим роботом квадрокоптером с планируемым управлением (рисунок). Синей линией отмечена запланированная пользователем траектория. Точка X введена пользователем как безопасное место Рх. Выбранное расстояние L между замерами координат для очереди Q равняется 25 м. Синем цветом отмечены точки, которые заносились во время перемещения робота в очередь Q с выбранной длинной N равной 2. Чёрным отмечена мёртвая зона. Красным отмечается перемещение мобильного робота при потере связи.
Пример работы алгоритма действий после потери связи
Мобильный робот, перемещаясь из точки 3 в точку 4, попадает в мёртвую зону и теряет связь со станцией управления. Красной меткой отмечено место переключения робота на плановое управление при потере связи. В этот момент очередь Q состоит из Q± и Q2 соответствующих точкам 3 и 2. Робот разворачивается и перемещается к Q±. При статичной мёртвой зоне к этому моменту робот восстановит связь со станцией управления, и тогда пользователь уже сам будет решать, как действовать дальше. Но рассмотрим случай, если мёртвая зона продолжила движение и покрыла точки 2 и 3. Тогда добравшись до точки 3 мобильный робот переместиться к Q2. Затем начнёт перемещение к Рх. Добравшись до точки X связь робота со станцией управления будет также восстановлена.
Таким образом предлагаемый подход позволяет мобильному интеллектуальному роботу при потере связи со станцией управления автоматически выходить из мёртвой зоны для последующего возврата под контроль пользователя. В результате повышается надёжность мобильного робота и снижаются риски его потери при использовании и сопутствующих расходов на восстановление/замену.
Список литературы
1. Carlson J. (2004). Analysis of How Mobile Robots Fail in the Field. USF Tampa Graduate Theses and Dissertations. 71-82.
2. Chris Cole, Accidents Will Happen: A review of military drone crash data as the UK considers allowing large military drone flights in its airspace (Drone Wars UK 2019).
3. K. Grover, A. Lim, and Q. Yang, "Jamming and anti-jamming techniques in wireless networks: A survey," Int. J. Ad Hoc Ubiquitous Comput., vol. 17, no. 4. P. 197-215, Dec. 2014.
414
4. K. Grover, A. Lim, and Q. Yang, "Jamming and anti-jammingtechniques in wireless networks: A survey," Int. J. Ad Hoc UbiquitousComput., vol. 17, no. 4, pp. 197-215, Dec. 2014.
5. Алешин Б.С. Ориентация и навигация подвижных объектов / Б.С. Алешин, К.К. Веремеенко, А.И. Черноморский. М.: Физматлит, 2006.
5. Hsieh M.A., Cowley A., Kumar V., Taylor C.J. Maintaining network connectivity and performance in robot teams. Journal of field robotics, 25(1-2), 2008. P. 111-131.
6. Tardioli D., Mosteo A.R., Riazuelo L., Villarroel J.L., Montano L. Enforcing network connectivity in robot team missions. The International Journal of Robotics Research, 29(4), 2010. P. 460-480.
7. Mong-ying A.H., Cowley A., Kumar V., Taylor C.J. Towards the deployment of a mobile robot network with end-to-end performance guarantees. In Robotics and Automation, ICRa 2006. Proceedings 2006 IEEE International Conference on, 2006. P. 2085-2090.
8. K. Grover, A. Lim, Q. Yang. Jamming and Anti-jamming Techniques in Wireless Networks: A Survey. International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing, vol. 17, no. 4, 2017. P 197-215.
9. Return to Home (RTH): Must-Have Drone Feature. [Электронный ресурс] URL: https://store.dii.com/guides/return-to-home-rth-must-have-drone-feature (дата обращения: 15.01.2023).
10. Герасимов В.Н., Михайлов Б.Б. Решение задачи управления движением мобильного робота при наличии динамических препятствий // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Сер. "Приборостроение". 2012. Спец. выпуск №6 "Робототехнические системы". С. 83-92.
11. Seder, M. and Petrovi'c, I. (2007). Dynamic window based approach to mobile robot motion control in the presence of moving obstacles. In IEEE ICRA'07, 1986-1991.
12. Ющенко А.С. Маршрутизация движения мобильного робота в условиях неопределенности // Мехатроника, автоматизация и управление. 2004. № 1.
13. Боковой А.В. Исследование методов одновременного картирования и локализации беспилотных летательных аппаратов по видеопотоку, полученному с единственной камеры // Тр. Междунар. науч.-техн. конф. "Экстремальная робототехника". Тр. II Всеросс. Семинара "Беспилотные транспортные средства с элементами искусственного интеллекта (БТС ИИ)" (2015). 2015. С. 26-33
Плаксин Сергей Игоревич, магистр, SergPl4xin@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
AN APPROACH TO AUTONOMIC RETURN OF INTELLIGENT MOBILE ROBOT IN THE EVENT OF
COMMUNICATION LOSS WITH OPERATOR
S.I. Plaksin
The paper considers an approach that allows mobile intelligent robot to automatically return to restore communication when link with the operator is lost. This is achieved by switching the robot to the automatic movement mode to the last known points where was a connection with the control station. As a result, reliability is increased by reducing the risk of losing a mobile robot when communication is lost and reducing possible collateral damage.
Key words: mobile robot, automatic retrieval, link loss, communication loss.
Plaksin Sergei Igorevich, magister, SergPl4xin@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
