CC BY
35
УДК 519.9.62.50
Е. А. Семенчев, канд. техн. наук., доц. (4872) 35-19-80, info@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ПОСТРОЕНИЕ АЛГОРИТМОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ В ПРОСТРАНСТВЕ НА ОСНОВЕ ЗАКОНА ЭВОЛЮЦИИ ДВОЙСТВЕННЫХ ОТНОШЕНИЙ
На основе эволюционной трансформации двойственной пары по закону куба предложен способ построения универсального управленческого алгоритма перемещения интеллектуальных автономных объектов в пространстве при наличии препятствий.
Ключевые слова: интеллектуальный автономный объект, препятствие, перемещение.
В настоящее время актуальны разработки интеллектуальных беспилотных робототехнических аппаратов земного, воздушного, морского назначений. В них затрагивается проблема планирования действий при перемещении объекта в пространстве при наличии препятствий. Решению этой проблемы посвящены многочисленные работы и исследования в разных областях техники, например [1-3]. Основным недостатком разрабатываемых современных регуляторов и систем управления является то, что они проектируются под конкретные задачи, чаще всего они решают лишь две задач: слежения и стабилизации параметров. Тем не менее, природа при перемещении объектов преподносит огромное количество непредсказуемых ситуаций, под которые трудно создать универсальный регулятор. Проблема состоит в конструировании управляющего устройства, способного анализировать реальные ситуации, возникающие при перемещении объекта в пространстве при наличии большого количества препятствующих движению неподвижных и подвижных объектов, и принимать решения, осуществлять планирование в реальном времени. До сих пор не удается создать регулятор способный вырабатывать управляющие воздействия эффектные на огромном множестве ситуаций.
Предложен способ построения универсального управленческого алгоритма перемещения интеллектуальных автономных объектов в пространстве с препятствиями, основанный на эволюционной трансформации двойственной пары.
Существование инвариантного универсального алгоритма управ лени будем представлять как проявление более общей закономерности процесса эволюционной трансформации двойственных пар [4], посредством которого реализуется любой алгоритм достижения любой цели. Рассматривая пару состояний «нужда—цель» как двойственную пару (ДП) с внутренней двойственностью, построим схему эволюции двойственного отношения. В соответствии с законом сохранения двойственности на каждом
этапе эволюции действий каждая вершина двойственной пары с непрояв-ленной двойственностью разделится на две вершины с внешней двойственностью (рис. 1, а).
а
в
Рис. 1. Схема эволюции двойственного отношения
Как видно из рис. 1, первичная бесструктурная ДП (целое) разворачивается в многомерное собственное пространство двойственного отношения. При этом структура ДП усложняется «по образу и подобию».
Эволюция ДП заканчивается формированием куба закона (рис.1, б), который в развернутом виде показан на рис.1, в. Этот закон эволюции двойственного отношения описывает любое циклическое движение, любой реальный процесс.
Каждая вершина куба может также рассматриваться как ДП с внутренней двойственностью, а, следовательно, способна образовать свой кубик закона, порождая гиперкуб. Таким образом, можно сформировать алгоритм реализации любого замысла с любой степенью детализации.
Попробуем далее представить двойственные отношения применительно к реализации некоторого замысла в виде универсальной последовательности смыслов, отражающих эволюцию двойственной пары, реализующей целевую функцию двойственной единицы. Очевидно, что такая последовательность будет отражаться в кубе, состоящем из следующих д войс тве нны х п ар (таб лиц а).
Как видно из этой структуры двойственных элементов, исходный замысел будет реализовываться посредством определенной циклической смены состояний двойственных элементов, пока конечный результат не совпадет с исходным замыслом. Только в этом случае достигается гармони исходного состояния и конечного результата. Это можно представить девятой вершиной куба, находящейся в его центре (см. рис. 1, б).
Эволюция двойственных пар в процессе достижения гармонии исходного замысла двойственной единицы и конечного результата
Полюс P+ Взаимодополнительный полюс P-
1. Формирование цели (нового замысла в виде виртуальной ДП) 8. Оценка материализованной виртуальной цели
2. Сбор исходных данных о состоянии окружающей среды. Диагностика механизмов ДП 5. Принятие решения и начало реализации управленческого алгоритма (плана действий). Подготовка ресурсов
3. Формирование плана достижения цели 6. Реализация плана. Контроль реализации плана действий
4. Увязка плана действий с ресурсами. Анализ альтернатив 7. Фиксация достигнутого состояния по окончании в ыпол ненны х д ействий. О св об ожде ние ресурсов
9. Оценка эффективности полученного результата. Удовлетворение при полном совпадении замысла в реализации потребности и конечных результатов
Очевидно, в сиу универсальности закона сохранения двойственности, такая последовательность взаимопревращений полюсов двойственных пар является универсальной для эволюционного развертывания любого изначального замысла. При этом, конечно, полюса двойственных пар будут наполняться разным содержанием, соответствующим исходному замыслу (глобальной цели), а чередование полюсов будет происходить в строго определенной последовательности.
Применим универсальный алгоритм эволюции двойственных отношений для формирования алгоритма перемещения автономных безлюдных объектов в пространстве.
Рассмотрим примерную структуру интеллектуального автономного объекта. В структуре объекта существуют, помимо прочих, четыре подсис-
темы - интеллектуальная подсистема самоуправления и подсистема безопасности, подсистема эффекторных элементов и подсистема сенсорных элементов, взаимодействующих между собой. Подсистема безопасности использует информацию сенсорных элементов, передает сигнал на систему самоуправления, а та в свою очередь формирует сигнал для эффекторов.
Рассматриваемый объект имеет симметричную форму (рис. 2) и связанные с ней две системы координат. Сенсорная система, обладающая тремя степенями свободы, имеет собственную подвижную систему координат. Друга система координат жестко связана с объектом и одна из осей её направлена по оси симметрии объекта. Перемещения осуществляются и фиксируются в третьей системе координат, в которой намечен желаемый маршрут движения.
А У1
’■ч. У2 \У%уЗ' / . /
/ / / / Шх ^хЗ Лх:з! р- 3. V О
1 0 X1
о ”1
Рис.2. Системы координат автономного объекта
В данном объекте в качестве датчика окружающей среды используется система искусственного 3D-зрeнря, способна, помимо распознавания границ объектов, определять расстояние до них. Искусственный орган зрения построен на основе закона двойственности [5]. Двойственна пара зрительных рецепторов формирует образ объекта внимания, хранящий пространственно—временную и качественную информацию.
Сформированный образ передается в интеллектуальную систему самоуправления, которая осуществляет оценку ситуации. В результате анализа строятся виртуальные двойственные пары для всех потенциально опасных объектов окружающей среды. После этого планируется способ реализации перемещения к будущему местоположению на один шаг. Перед следующим шагом перемещения цикл «анализ—управление» повторяется. Разворот замысла происходит иерархически по закону эволюции двойственного отношения до элементарного действия, а благодаря зало-
женному принцип наименьшего действия реализуется движение с наименьшими затратами энергии. При этом система безопасности следит за выполнением требования - сближение с внешними объектами не должно быть меньше, чем 2/3 от собственного габаритного размера.
Идея алгоритма состоит в следующем. Все ситуации анализируются и абстрагируются из объектов окружающей среды двойственные пары, что существенно упрощает последующий анализ ситуации. Всегда существует хотя бы одно парное отношение: местоположение рассматриваемого объекта и мнимое место, где в будущем при перемещении он должен оказаться. В соответствии с принципом наименьшего действия объект движется по прямой, но по шагам во времени, с некоторой скоростью. На каждом шаге происходит анализ ситуации. Если на пути попадается объект значительных размеров, срабатывает алгоритм системы безопасности - двигаться вдоль объекта не ближе чем на расстоянии 2/3 размера объекта. Положение объекта в данный момент времени является действительным полюсом ДП, тогда как то место, куда должен переместиться наш объект, - виртуальным полюсом ДП. Виртуальный полюс вычисляется благодаря другой двойственной паре, образованной концами виртуальной перекладины, соединяющей наиболее сближенные точки границы свободного пространства между препятствиями. Данные пары образуют крест, как изображено на рис.3.
Рис.3. Крестообразующие двойственные пары1
При движении объекта по перекладине креста реализуется алгоритм саморегуляции перекрещенных двойственных пар. При этом должны быть выдержаны намеченные соотношения плеч креста. На следующем цикле строятся новые виртуальные двойственные пары и т. д. Таким образом, предлагаемый метод можно назвать методом виртуальных крестообразных двойственных пар, в основе которого лежит принцип наименьшего действия и закон сохранения двойственных отношений.
Помимо стратегического замысла добраться до заданного места, есть тактические замыслы - пройти между объектами, находящимися на пути движения. Для реализации тактического замысла надо постоянно оцени-
вать ситуацию, выявлять двойственные пары как комбинации фактических объектов. После этого панируется способ реализации движения на одном шаге по перекладине креста. Разворот замысла происходит иерархически до элементарного действия.
Рассмотрим схематично работу алгоритма на простом примере. Пусть автономный объект движется по полю и на его пути встречается «чужой» объект.
1. Движение по маршруту, который в зоне видимости пересекает «чужой» объект.
2. Оценка размеров «чужого» объекта. Если он превышает предельно допустимый размер игнорирования (размер объектов, не мешающих перемещению), то переходим к п. 3, в противном случае продолжаем движение без изменений п. 1
3. Определяем направление на «чужой» объект в сенсорной системе координат и запоминаем его в осесимметричной системе координат. Сенсор продолжает «искать» опасные объекты.
4. Находим границы объекта.
5. Определяем расстояния Я1 и Я2, находим минимальное и принимаем его за Я.
6. Определяем угол а = |а1 + а2 ~ аг^^0- + аг^ 3Я
2 А
(рис. 4).
Рис. 4. К расчету траектории движения объекта:
-------начальный маршрут;---------новый маршрут
а Я
7. Проверка: — < —, где И - шаг перемещения объекта, в - возможный угол поворота за шаг И. Если неравенство выполняется, переходим к п.8, в противном случае находим максимальную скорость, при которой данное неравенство выполняется.
8. Моделируем результат перемещения, «перенося» центр на выбранный виртуальный полюс, двойственный для данного местоположения.
9. Если будущий результат удовлетворяет, совершаем поворот объекта на просчитанный угол и двигаемся к виртуальному полюсу, в противном случае рассматриваем ситуацию вновь с новыми возможными препятствиями.
10. При достижении виртуального полюса возвращаемся на маршрут по той же схеме.
Предложен принципиально новый подход при построении алгоритма перемещения автономных безлюдных объектов, основанный на законе сохранения двойственности и эволюции двойственных отношений.
Библиографический список
1. http://rriai. org. ru/osnovnyie-etapyi-i-napravleniya-issledovaniy. html
2. Осипов Г. С. Методы искусственного интеллекта и задача управления// Пленарные доклады Международной мультиконференции «Теория и системы управления»./ М.: Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН. 2009. - С.161-169.
3. Рассел С, Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход: пер. с англ. 2-е изд. М.: Издательский дом «Вильямс», 2006. 1408 с.
4. Семенчев Е. А., Фатуев В. А. Формирование структуры и системных целей самоорганизующихся систем на основе метода декомпозиции по двойственным парам// Труды VIII Международной конференции SIPRO-09 «Идентификация систем и задачи управления» М.: Институт проблем управления им. В. А Трапезникова РАН. 2009. С. 299-311.
5. Семенчев Е. А., Камардина О. А. Организация стереорежима работы системы искусственного зрения на основе закона двойственности// Изв. ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ 2006. С. 29-39.
E. Semenchev
Construction of algorithms of moving of intellectual independent objects in space on the basis of the law of evolution of dual relations
On the basis of evolutionary transformation of dual pair under the cube law the way of construction of universal administrative algorithm of moving of intellectual independent objects in space in the presence ofobstacles is offered.
Получено 12.11.2009
