Диссертация (Модели, алгоритмы и программное обеспечение многоагентных робототехнических систем)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Московский государственный университет информационныхтехнологий, радиотехники и электроники» (МИРЭА)На правах рукописиДиане Секу Абдель КадерМОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕМНОГОАГЕНТНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМСпециальность 05.13.01 – системный анализ, управление и обработкаинформацииДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., проф., Манько С.В.Москва 2015СодержаниеСписок сокращений.........................................................................................5Введение.............................................................................................................6Глава 1.Перспективыпримененияипринципыпостроениямногоагентных робототехнических систем.............................................................111.1Перспективы применения многоагентных робототехническихсистем в различных прикладных областях..........................................................121.2Разработкаконцепциипостроениямногоагентныхробототехнических систем....................................................................................221.2.1 Обоснование требований к функциональным возможностямМАРС........................................................................................................221.2.2 Анализ методов и стратегий группового управления..............241.2.3 Анализ возможностей современных технологий беспроводнойсвязидляМАРСорганизацииинформационногообменав........................................................................................................281.2.4 Разработка обобщенной структуры МАРС ...............................311.2.5 РазработкаМАРСпринциповинтеллектуальногоуправления........................................................................................................33Выводы по главе 1 .......................................................................................39Глава 2.

Разработка моделей и алгоритмов группового управления ......412.1Модели планирования действий на базе конечных автоматов ...412.1.1 Планированиедействийвсоответствиисаприорно-установленным сценарием ................................................................................442.1.2 Обобщенная модельМАРСробота как исполнителя подзадач........................................................................................................482.1.3 Обобщенная модель процесса выполнения технологическойоперации........................................................................................................502.1.4 Алгоритм планирования действий в МАРС..............................522.1.5 Представление знаний в моделях планирования заданий дляМАРС........................................................................................................5622.2Модель и алгоритм распределения заданий в МАРС ..................612.2.1 Оценкапригодностиробототехническогоагентадлявыполнения технологической операции..........................................................622.2.2 Поиск оптимального назначения роботов на выполнениетехнологических операций ...............................................................................632.2.3 Моделирование процесса распределения заданий в группероботов........................................................................................................66Выводы по главе 2 .......................................................................................68Глава 3.Разработкапринциповпостроенияипрограммно-алгоритмическое обеспечение человеко-машинного интерфейса МАРС............693.1МАРСПринципыпостроениячеловеко-машинногоинтерфейса............................................................................................................693.2Программно-алгоритмическое обеспечение человеко-машинногоинтерфейса МАРС..................................................................................................723.3Алгоритм оценки численности состава МАРС для выполненияпоставленной прикладной задачи.........................................................................773.4Программный комплекс для моделирования МАРС....................813.5Виртуальное моделирование и оценка численности МАРС .......85Выводы по главе 3 .......................................................................................91Глава 4.

Повышение адаптивных свойств автономных роботов в составеМАРС..........................................................................................................924.1Интеллектуальное управление автономным робототехническимагентом на основе формируемой модели внешней среды .................................934.2МАРСПрогнозное управление робототехническими агентами в составе............................................................................................................974.2.1 Прогнозное управление на основе модели внешней среды ....974.2.2 Модельныйпримерпрогнозногоуправленияробототехническими агентами .......................................................................1024.3Выявление и анализ структурных элементов внешней обстановкиавтономного робототехнического агента ..........................................................1044.3.1 Модель нейронной сети для анализа визуальных образов....10534.3.2 Алгоритм обучения нейронной сети для анализа визуальныхобразов......................................................................................................1084.3.3 Нейросетевая система технического зрения для распознаваниясимвольной маркировки объектов .................................................................111Выводы по главе 4 .....................................................................................115Глава 5.

Экспериментальные исследования МАРС ................................1175.1Аппаратно-программное обеспечение лабораторного стенда дляисследования МАРС на базе LEGO MINDSTORMS NXT 2.0 ........................1175.1.1 Аппаратно-программноеобеспечениедляпроведениялабораторных работ .........................................................................................1185.1.2 Моделированиезадачгрупповогоуправлениянабазелабораторного стенда ......................................................................................1235.2Состав аппаратно-программного обеспечения МАРС на базероботов KUKA youBot.........................................................................................1255.3Программное обеспечение командного центра ..........................1285.4Программное обеспечение автономного робота.........................1325.5Программное обеспечение системы навигации..........................1375.6ЭкспериментальныеМАРСисследованиянамакетномобразце..........................................................................................................142Выводы по главе 5 .....................................................................................146Заключение ...................................................................................................147Список литературы .....................................................................................151Приложение А...............................................................................................160Приложение Б ...............................................................................................161Приложение В ...............................................................................................162Приложение Г ...............................................................................................1644Список сокращенийБЛА – беспилотный летательный аппаратИСГУ – интеллектуальная система группового управленияИСУ – интеллектуальная система управленияКАПО – координирующее аппаратно-программное обеспечениеМАРС – многоагентная робототехническая системаМАС – многоагентная системаМНСПР – многослойная нейронная сеть прямого распространенияНСИС – нейронная сеть с иерархической связностьюПОАР – программное обеспечение автономного роботаПОКЦ – программное обеспечение командного центраПОСН – программное обеспечение системы навигацииРТС – робототехническая системаСТЗ – система технического зренияч/м – человеко-машинныйЭВМ – электронная вычислительная машина5ВведениеАктуальность темы исследования.

В течение ряда последних лет, какв России, так и за рубежом активно ведутся программы научноисследовательскихиопытно-конструкторскихработпосозданиюавтономных роботов различного назначения, которые должны оснащатьсяинтеллектуальнымибортовымисистемамиуправления,обладатьопережающим уровнем тактико-технических характеристик и обеспечиватьнадежное выполнение необходимых функций не только в дистанционном, нои в автоматическом или полу-автоматическом режимах.Одна из главных перспектив их применения сопряжена с концепциейпостроениямногоагентныхробототехническихсистем(МАРС),предполагающей не только объединение функциональных возможностей иресурсов, но и организацию взаимодействия группы автономных роботов техили иных типов в целях существенного повышения эффективности решениятребуемых задач для широкого круга прикладных областей, включая военноеделоиспециальныеоперации, поисково-спасательные иремонтно-восстановительные работы, промышленное производство и гражданскоестроительство, сельское и коммунальное хозяйство, освоение космическогопространства, глубоководные изыскания, и т.д.Акцентированное внимание, активно проявившееся со сторонымирового научно-технического сообщества на рубеже ХХ – ХХI веков кпроблематике МАРС, обусловлено чисто прагматическими соображениями опреимуществах их практического использования.Специфика организации совместной работы роботов в составемногоагентной системы предъявляет расширенные требования к ихинтеллектуальным, функциональным и коммуникативным возможностям.Анализ этих требований, а также разработка соответствующих моделейи алгоритмов группового управления, формирования и распределения6заданий, планирования поведения, обработки и обобщения разнороднойсенсорной и командной информации представляет значительный интерес длясоздания перспективных образцов как интеллектуальных автономныхроботов, так и многоагентных систем, организуемых на их основе.Степеньразработанноститемыисследования.Исследованиюпроблем и разработке технологий создания МАРС во всем мире придаетсяприоритетное значение, а реальные практические результаты, полученныепрежде всего в США, ряде стран Европы и Японии, носят опережающийхарактер.Результатыпоисковыхнаучно-исследовательскихипроектно-конструкторских работ, ведущихся в США и других развитых странах мирапо созданию МАРС различных типов и назначения, начинают получать своепрактическоевоплощениенетольковформеэкспериментальныхкомпьютерных моделей, но и в виде макетных, а в ряде случаев, и опытныхобразцов, которые успешно проходят тестовые испытания с постепеннымпереходом к стадии внедрения и последующей эксплуатации.Следуетвозможностямотметить,ичтоперспективамвсилуочевидныхдвойногообстоятельствпримененияпомногоагентныхробототехнических систем как в гражданских приложениях, так и воборонной сфере, результаты соответствующих исследований, проводимых вэтой области за рубежом и связанных с описанием принципов построения,алгоритмов управления и обработки информации, носят во многом закрытыйхарактер и не находят отражения в открытых источниках.Фундаментальные и прикладные исследования, ведущиеся в России вНИИ МВС (г.