Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации
В данной работе предлагается способ управления мобильным роботом или группой мобильных роботов для реализации поискового движения в динамически изменяющейся недетерминированной среде, на основе неполных или недостоверных сенсорных данных, предлагается использование модели поискового адаптивног...
Saved in:
| Published in: | Искусственный интеллект |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/85244 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации / В.А. Сычёв, Б.М. Шевчук, В.Н. Пигуз // Искусственный интеллект. — 2014. — № 1. — С. 160–170. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859632833337753600 |
|---|---|
| author | Сычёв, В.А. Шевчук, Б.М. Пигуз, В.Н. |
| author_facet | Сычёв, В.А. Шевчук, Б.М. Пигуз, В.Н. |
| citation_txt | Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации / В.А. Сычёв, Б.М. Шевчук, В.Н. Пигуз // Искусственный интеллект. — 2014. — № 1. — С. 160–170. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Искусственный интеллект |
| description | В данной работе предлагается способ управления мобильным роботом или группой мобильных
роботов для реализации поискового движения в динамически изменяющейся недетерминированной среде, на
основе неполных или недостоверных сенсорных данных, предлагается использование модели поискового
адаптивного поведения с инерционным переключением между поисковыми тактиками В.А. Непомнящих,
реализованной на основе генератора хаотических колебаний. Для повышения эффективности передачи по
радиоканалу мониторинговых данных, включая видеоданные. В статье предлагается метод определения
наиболее информативных фрагментов сигналов и изображений.
У даній роботі пропонується спосіб управління мобільним роботом або групою мобільних роботів
для реалізації пошукового руху в динамічно недетермінованому середовищі, що змінюється, на основі
неповних або недостовірних сенсорних даних, пропонується використання моделі пошукового адаптивного
поведінки з інерційним перемиканням між пошуковими тактиками В.А. Непомнящих, реалізованої на основі
генератора хаотичних коливань. Для підвищення ефективності передачі по радіоканалу моніторингових даних,
включаючи віддання. У статті пропонується метод визначення найбільш інформативних фрагментів сигналів
та зображень.
The implementation method of search motion of mobile robot or group of mobile robots with incomplete or
inaccurate sensor data or with failure of one or several sensors in dynamic non-determined environment is
described in this paper. The scheme of motion behavior with inertial switching between search tactics
developed by V.A. Nepomnyashchikh and based on generator of chaotic vibrations is used for this purpose.
In order to increase the efficiency of monitoring data transmission in wireless networks, including samplingframes of video data signals and data sets, the paper proposes method for recognition the most informative
signal fragments and image objects, which is effective in high performance and coding accuracy and
oriented to be realized with on-board tools included in the mobile robotic systems.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:12:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1561-5359 «Искусственный интеллект» 2014 № 1 160
3С
УДК 004.773, 004.896
В.А. Сычёв1, Б.М. Шевчук2, В.Н. Пигуз3
1ГНУ «Объединённый институт проблем информатики НАН Беларуси», г. Минск
Беларусь, 220012, г. Минск, ул. Сурганова, 6, vsychyov@robotics.by
2Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины, г. Киев
Украина, 03680 МПС, г. Киев, проспект академика Глушкова, 40, incors@ukr.net
3Институт проблем искусственного интеллекта МОН Украины и НАН Украины,
г. Донецк, Украина
Украина, 83048, г. Донецк, ул. Артема, 118-б
Алгоритм поискового движения мобильного робота
для реализации эффективной и защищённой
ретрансляции пакетов информации
U.A. Sychyou1, B.M. Shevchuk2, V.N. Pigus3
1United Institute of Informatics Problems of the National Academy of Sciences of Belarus,
c. Minsk, Belarus, 220012, Surganov str., 6, vsychyov@robotics.by
2V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of National Academy of Sciences of Ukraine,
c. Kyiv, Ukraine, 03680 MSP, c. Kyiv, Glushkova ave., 40, incors@ukr.net
3Institute of Artificial Intelligence MES Ukraine and NAS Ukraine, Donetsk
Ukraine, 83048, Donetsk, st. Artem, 118-b
Search Motion Algorithm of Mobile Robots for Realization
of Effective and Protected Relaying Information Packages
В.А. Сичев1, Б.М. Шевчук2, В.М. Пігуз3
1ГНУ «Об’єднаний інститут проблем інформатики НАН Білорусі», м. Мінськ
Білорусь, 220012, м. Мінськ, вул. Сурганова, 6, vsychyov@robotics.by
2Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, м. Київ
Україна, 03680 МПС, м. Київ, проспект академіка Глушкова, 40, incors@ukr.net
3Інститут проблем штучного інтелекту МОН України і НАН України, м. Донецьк
Україна, 83048, м. Донецьк, вул. Артема, 118-б
Алгоритм пошукового руху мобільного робота
для реалізації ефективної і захищеної ретрансляції
пакетів інформації
В данной работе предлагается способ управления мобильным роботом или группой мобильных
роботов для реализации поискового движения в динамически изменяющейся недетерминированной среде, на
основе неполных или недостоверных сенсорных данных, предлагается использование модели поискового
адаптивного поведения с инерционным переключением между поисковыми тактиками В.А. Непомнящих,
реализованной на основе генератора хаотических колебаний. Для повышения эффективности передачи по
радиоканалу мониторинговых данных, включая видеоданные. В статье предлагается метод определения
наиболее информативных фрагментов сигналов и изображений.
Ключевые слова: мобильный робот, компьютерное моделирование,
алгоритм поискового движения.
The implementation method of search motion of mobile robot or group of mobile robots with incomplete or
inaccurate sensor data or with failure of one or several sensors in dynamic non-determined environment is
described in this paper. The scheme of motion behavior with inertial switching between search tactics
developed by V.A. Nepomnyashchikh and based on generator of chaotic vibrations is used for this purpose.
In order to increase the efficiency of monitoring data transmission in wireless networks, including sampling
Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации…
«Штучний інтелект» 2014 № 1 161
3С
frames of video data signals and data sets, the paper proposes method for recognition the most informative
signal fragments and image objects, which is effective in high performance and coding accuracy and
oriented to be realized with on-board tools included in the mobile robotic systems.
Key words: mobile robot, computer simulation, motion search algorithm.
У даній роботі пропонується спосіб управління мобільним роботом або групою мобільних роботів
для реалізації пошукового руху в динамічно недетермінованому середовищі, що змінюється, на основі
неповних або недостовірних сенсорних даних , пропонується використання моделі пошукового адаптивного
поведінки з інерційним перемиканням між пошуковими тактиками В.А. Непомнящих , реалізованої на основі
генератора хаотичних коливань. Для підвищення ефективності передачі по радіоканалу моніторингових даних,
включаючи віддання . У статті пропонується метод визначення найбільш інформативних фрагментів сигналів
та зображень.
Ключові слова: мобільний робот, комп'ютерне моделювання, алгоритм пошукового руху.
Введение
В последнее время возрос интерес исследователей к такой разновидности
группового управления роботами, как стайное управление (англ. – swarm control).
Стайными роботами (англ. – swarm robots) принято называть мобильные роботы
(МР), действующие в группе и управляемые децентрализовано, не имеющие прямой
информационной связи между собой. Каждый робот может получать информацию о
действиях других роботов группы только путём измерения состояния среды, в
которой действует группа [1].
Отличительной чертой стайного управления МР, по сравнению с другими
методами группового управления, является возможность достижения поставленной
перед группой цели с помощью большого количества простых роботов. Стайное
управление не предъявляет высоких требований к качеству связи, надёжности
аппаратного обеспечения и качеству сенсоров, обладает высокой устойчивостью к
противодействию, так как выход из строя части группы не помешает оставшимся
роботам выполнить задачу, поставленную перед группой.
Задача группового управления роботами формируется аналогично общему
случаю задачи группового управления группой роботов [1]. Групповое управление
роботами берёт своё начало в промышленной робототехнике, отличающейся тем,
что системы управления роботов охвачены обратными связями, и роботы действуют
в детерминированной среде. Детерминированность среды означает, что будущее со-
стояние среды полностью определяется текущим состоянием и действием, выполняемым
роботом [2]. Детерминированность среды достигается за счёт ограниченности и за-
крытости рабочей зоны, в которой не могут находиться предметы, назначение и
местоположение которых неизвестно системе управления робота. При этом поло-
жение робота в пространстве всегда точно известно. Однако применение стайных
роботов наиболее выгодно для решения задач в недетерминированной среде. К таким
задачам относятся задачи обследования территории, ретрансляции радиосигналов и т.п.
При этом роботы вынуждены действовать в условиях неполной и недостоверной
информации. К примеру, роботам, действующим в помещении, часто затрудни-
тельно с достаточной точностью определить своё местоположение и ориентацию в
пространстве без применения сложных навигационных устройств. Подводя итог,
можно привести следующую классификацию роботов по возможностям позициони-
рования в пространстве рабочей зоны:
1. Позиционирование в рабочей зоне отсутствует.
2. Позиционирование возможно относительно других роботов.
3. Позиционирование возможно относительно рабочей зоны.
Сычёв В.А., Шевчук Б.М., Пигуз В.Н.
«Искусственный интеллект» 2014 № 1 162
3С
Таким образом, применение стайных (swarm) методов управления, в особенности
для управления микророботами или группами простых роботов, относящихся к первой
категории приведённой выше классификации, требует разработки новых алгоритмов
управления, важнейшим из которых является алгоритм поискового движения.
Целью данной работы является создание алгоритма поискового движения стай-
ного робота.
Основным требованием, предъявляемым к данному алгоритму, является реали-
зуемость на роботах, оснащённых только теми сенсорами, которые необходимы для
решения практической задачи. К примеру, данный алгоритм должен обеспечивать
управление группой роботов, предназначенных для ретрансляции радиосигналов и не
оснащённых никакими датчиками, кроме датчика мощности радиосигнала (также на-
зываемым Received Signal Strength Indication, RSSI) и минимальным числом датчиков
препятствия.
Применение нелинейного осциллятора
для управления мобильным роботом
В работе [3] описывается общая схема поискового адаптивного поведения с инер-
ционным переключением между поисковыми тактиками. Как было указано в данной
работе, эффективное поисковое движение может быть реализовано сочетанием переме-
щения на значительные расстояния, частыми случайными переменами в направлении
движения и инерционностью переключения между каждым из видов движения.
Достоинством описываемой модели поведения является возможность осуществле-
ния поисковых движений в условиях неполной и недостоверной сенсорной информации,
причиной которых могут стать помехи, ошибочные срабатывания датчиков или наличие
у них мёртвых зон.
Недостаток данного метода поискового движения, применительно к задачам
управления роботами, заключается в необходимости программирования данного типа
поведения с помощью функций условного перехода, и, как следствие, возможные
трудности в модификации или настройке коэффициентов управляющей программы.
Данного недостатка лишена модель поведения, описываемая в работе [4], в
основе которой лежит принцип управления мобильным роботом с помощью не-
линейного осциллятора, то есть системы, динамика которой описывается дифферен-
циальными уравнениями второго порядка [5]. Предлагаемый подход обладает рядом
преимуществ перед реактивным методом управления. Реактивное управление широко
распространено в робототехнике и позволяет реализовать управление роботом без
использования модели среды функционирования робота, опираясь только на сигналы,
поступающие от датчиков. Одно из важнейших преимуществ предлагаемого под-
хода состоит в возможности управлять нелинейным осциллятором с помощью блока,
объединяющего сигналы от множества датчиков и, тем самым, исключая необходимость в
логическом программировании таких действий, как поворот робота, остановка и т.п.
Кроме того, нелинейный осциллятор, в отличие от генератора псевдослучай-
ных величин, позволяет получать выходные сигналы различной формы – стационар-
ные, периодические и хаотические. Эти сигналы могут быть использованы для
формирования разнообразных траекторий движения МР.
В настоящей работе предлагается объединить подход [3] и [4] для реализации
поискового движения мобильного робота с использованием управляющих сигналов,
генерируемых нелинейным осциллятором. Это позволит реализовать модель пове-
дения [3] с переходами между состояниями, вызываемыми различными режимами
работы нелинейного осциллятора.
Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации…
«Штучний інтелект» 2014 № 1 163
3С
В работе [4] для управления дифференциальным двухколёсным приводом
мобильного робота служит сигнал от двумерного нелинейного осциллятора.
В настоящей работе взамен нелинейного осциллятора, предлагаемого в работе [4],
используется генератор хаотических сигналов (ГХС), реализующий известное логисти-
ческое отображение (т.н. логистическую параболу), подробно описанное в [6], [7]:
2
1.ty a y (1)
На рис. 1 показана функциональная схема системы управления мобильным
роботом для реализации описываемой модели поискового поведения.
На вход системы управления поступает вектор сенсорных данных S:
1 2, ,..., ,ns s s s (2)
где 1 2, , ns s s – данные от каждого из сенсоров, n – число сенсоров.
Рисунок 1 – Функциональная схема системы управления роботом
Блок вычисления управляющего параметра по нижеследующей формуле
вычисляет параметр, управляющий ГХС, на основании данных от сенсоров робота.
1 1 2 2 ... n na w s w s w s (3)
где а – управляющий параметр, 1 2, , nw w w – весовые коэффициенты.
Таким образом, в зависимости от значения параметра а, ГХС может на-
ходиться в стационарном, периодическом или хаотическом режимах [6]. Настройка
весовых коэффициентов позволяет установить соответствие между сигналами от
датчиков и типом желаемой траектории движения МР.
Пороговый элемент позволяет использовать сигнал от любого из датчиков
для остановки робота, к примеру, в случае аварии.
Для преобразования выходных значений ГХС в управляющие значения
рулевого механизма МР, используется схема на основе элемента задержки сигнала
по времени , вычитателя и пропорционального усилителя K, аналогичная схеме
стабилизации нелинейной динамической системы с хаотической динамикой, предло-
женной К. Пирагасом [7], [8]. На выходе усилителя K формируется следующий сигнал:
1( )c t ty K y y (4)
Усилитель K позволяет масштабировать выходной сигнал ГХС для обеспече-
ния совместимости с различными типами регуляторов скорости вращения электро-
двигателей.
На основе сигнала cy вычисляется мощность, подводимая к левому lV и пра-
вому rV двигателям по следующим правилам:
, 255,l c r cN y N если y 0
255, ,l r c cN N y если y 0
255, 255,l r cN N если y =0.
Сычёв В.А., Шевчук Б.М., Пигуз В.Н.
«Искусственный интеллект» 2014 № 1 164
3С
Значение мощности N, подводимой к электродвигателям, может изменяться в
диапазоне от 0 до 255. При N = 255на левый либо правый электродвигатель подаётся
максимальная мощность, и соответствующая гусеница вращается вперёд с пре-
дельной скоростью, при N = 0 – то же самое происходит в обратном направлении.
Значение N = 128 соответствует нулевой мощности, и, следовательно, остановке
электродвигателей.
Как следует из (4), сигнал cy будет равен нулю в том случае, когда ГХС на-
ходится в стационарном режиме. В периодическом или хаотическом режимах
сигнал cy будет изменяться соответственно.
Компьютерное моделирование алгоритма
поискового движения
Объектом компьютерного моделирования является робот, оснащённый гусе-
ничным дифференциальным приводом [9] и управляемый по предлагаемому алгоритму.
Цель моделирования – определить влияние управляющего параметра ГХС на
траекторию движения МР.
Результаты моделирования представлены на рис. 2.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 2 – Выходной сигнал нелинейного осциллятора (а),
сигнал управления правой гусеницы (б), сигнал управления левой гусеницы (в),
траектория движения робота (г)
Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации…
«Штучний інтелект» 2014 № 1 165
3С
Траектория движения робота, полученная в результате компьютерного моде-
лирования, приведена на рис. 2, а. На рис. 2, б и 2, в показаны графики изменения
скорости левой и правой гусениц мобильного робота.
На рис. 2,г показано изменение сигнала cy на выходе ГХС в зависимости от
величины управляющего коэффициента а. На данном графике сплошной линей по-
казаны значения при а = 0,2, прерывистой при а = 1 и штрих-пунктирной при а = 1,9.
Предлагаемый алгоритм может найти практическое применение для решения
задачи ретрансляции радиосигналов с использованием группы стайных роботов.
Реализация эффективной передачи и ретрансляции
пакетов информации мобильными роботами
Эффективная передача данных мобильными роботами (МР) с применением
средств беспроводных сетей диапазона частот ISM, мобильной святи (GSM, CDMA
и др.), ведомственных беспроводных сетей и других наземных и спутниковых
систем достигается путем реализации бортовыми средствами МР комплекса задач,
ориентированных на минимизацию успешных передач пакетов защищенных данных
между абонентами ячейковых или сотовых (микросотовых) сетей с доступом к
таким средствам межсетевого взаимодействия, как ресурсы сети Internet, сервера,
базы данных и др.
При этом в процессе ввода данных (выходных сигналов от сенсоров, видео-
сенсоров), бортовые средства МР, которые являются абонентскими системами (АС)
беспроводных сетей, должны реализовать оперативное сжатие данных с допусти-
мыми (контролируемыми) потерями информации, сжатие данных без потерь, крипто-
защиту и помехоустойчивое кодирование данных, формирование и бесконфликтную
передачу компактных, криптоустойчивых и помехоустойчивых пакетов информации. В
результате каждая АС МР минимизирует поток выходных пакетов данных, а также
стремиться реализовать передачу информационных пакетов (ИП) с максимально до-
пустимой скоростью передачи информации. С целью эффективной ретрансляции
ИП на большие расстояния целесообразно реализовать протоколы передачи пакетов
с самоорганизацией передачи ИП [10] между соседними АС МР с доступом к
абонентам-ретрансляторам пакетов. В результате формируются несколько путей пере-
дачи ИП, что позволяет повысить надёжность доставки информации в сетях связи МР.
В АС МР, как правило, данные от сенсоров и видеосенсоров, после опера-
тивной фильтрации и сжатия, подлежат накоплению в бортовом накопителе, после
чего закодированные данные в пакетном режиме, согласно протокола передачи ИП,
передаются удалённым абонентам, серверам. Соответственно, каждую АС МР можно
рассматривать как преобразователь входных мониторинговых потоков данных в
выходные ИП, которые подлежат передаче и ретрансляции. Поскольку каналом
связи считаются все ресурсы и средства, которые находятся между отправителем и
получателем информации [11], то повышение эффективности функционирования
АС МР при заданных частотных параметрах радиоканала достигается за счет эф-
фективного функционирования аппаратно-программных средств информационного
уровня средств АС МР [12-14]. При ограниченных частотных ресурсах беспроводных
каналов связи эффективная передача пакетов информации достигается на основе
реализации процессорными средствами АС МР адаптивной обработки и
комплексного кодирования данных, подлежащих оперативной передачи, а также
адаптивного формирования кодово-сигнальных последовательностей ИП и их
Сычёв В.А., Шевчук Б.М., Пигуз В.Н.
«Искусственный интеллект» 2014 № 1 166
3С
передачи в виде шумоподобных посылок с учетом оперативной оценки текущего
соотношения сигнал/шум в канале связи. Достижение максимальной скорости
передачи информации R при условии поддержки необходимого энергетического
соотношения в радиоканале осуществляется путем адаптивного выбора минимально
необходимой базы канальных сигналов minB . Величина энергетического соотноше-
ния определяется по формуле:
nis JE )/( 0 (5)
где isis TSE , S мощность сигнала, isT длительность информационного сим-
вола (кодовой последовательности), FJJ /0 , J средняя мощность суммарных
помех в канале, F величина рабочей полосы частот, которая определяется по
следующей формуле:
0( / ) ( / )is nF E J S J B (6)
где isTFB база сигнала или коэффициент расширения спектра
сигнала).
При этом информационная скорость передачи информации
min/ ,i c s isR K L k T B
где rtic KKK , iK коэффициент сжатия данных на информационном
уровне, который учитывает сжатие данных (сигналов и видеосигналов) с допусти-
мыми потерями информации и сжатие двоичных данных без потерь, rtK коэффи-
циент сжатия данных на радиотехническом уровне (учитывает повышение скорости
передачи данных за счёт многопозиционных методов манипуляции данных и
уплотнения каналов передачи информации), 8.14.1sk коэффициент, учитываю-
щий качество формирования цифровых сигналов [11]. При использовании упрощен-
ных радиотехнических средств ( 1rtK ) эффективность передачи информации в
беспроводных сетях возможно повысить за счёт оптимизации величины max ,c cK K
где 321 kkkKc , 1k коэффициент сжатия данных с допустимыми потерями
информации, 2k коэффициент сжатия данных без потерь, 3k коэффициент сжатия
(уплотнения длительности данных) в процессе формирования кодово-сигнальных
последовательностей ИП, L количество ортогональных шумоподобных сигналов (ШПС),
которые асинхронно передаются в общем радиоканале, 4/BL (величина L соответ-
ствует количеству независимых кодовых моноканалов в полосе частот F ).
Текущая информационная скорость вычисляется по формуле:
max max / ,i kv v B (7)
где maxkv канальная скорость передачи информации.
Для передачи данных с текущей информационной скоростью (7) при
сохранении необходимого соотношения (5), база кодовых последовательностей
информационных пакетов и пакетов-квитанций адаптивно изменяется парами абонентов
(передатчиком ИП и приемником ИП) в зависимости от оперативно вычисленного
соотношения сигнал/шум в точке приема ИП.
Таким образом, основой для надёжной и эффективной передачи дынных в
радиосетях связи МР является поддержка АС МР необходимого энергетического
соотношения (5) в радиоканале, компактного кодирования данных, подлежащих
передаче, комплексного помехоустойчивого кодирования компактных и крипто-
Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации…
«Штучний інтелект» 2014 № 1 167
3С
устойчивых данных [13], [14] и формирования соответствующих интервально-импульс-
ных ШПС. В результате ИП передаются в шумах радиоканала, а за счёт предва-
рительного выбора минимально необходимой базы ШПС обеспечиваются условия
для надёжного приема сигнально-кодовых последовательностей ИП. При выполнении
процессорными средствами АС МР взаимодополняющих алгоритмов компактного и
защищенного (криптоустойчивого и помехоустойчивого) кодирования данных, оп-
тимизированных по быстродействию и точности кодирования, достигается сущест-
венное (на порядок и более) уменьшение суммарного потока данных в радиоканале,
что эквивалентно увеличению скорости передачи информации бортовыми средствами МР.
Экспериментальное исследование алгоритма
поискового движения
Предлагаемый алгоритм был реализован в виде управлявшей программы для
мобильного робота, показанного на рис. 3,а.
а) б)
Рисунок 3 – Экспериментальный мобильный робот (на переднем плане)
в испытательной арене (а), алгоритм поискового движения робота
в виде графа конечного автомата (б)
Данный робот относится к первой категории приведённой выше классифи
кации и не оснащён никакими сенсорами, кроме датчика RSSI и фронтального дат-
чика препятствия. Целью мобильного робота является ретрансляция радиосигналов
в помещении с помощью радиомодемов типа XBee Pro. Поисковое движение
осуществляется для обнаружения точки в помещении, где мощность радиосигнала
ниже заданного порога. В этой точке робот останавливается по сигналу от порого-
вого элемента и начинает ретрансляцию. Граф конечного автомата, реализующего
данный алгоритм, показан на рис. 3,б.
Конечный автомат имеет три состояния. Два из них относятся к модели
поискового поведения [3]. Это состояния хаотического и стационарного движения.
Третье состояние – состояние ретрансляции – является целевым для данного робота.
Переход между состояниями конечного автомата осуществляется по сигналам от
трёх датчиков – RSSI, таймера и датчика препятствия.
На рис. 3,б, выходное значение датчика мощности радиосигнала обозначено
как P, минимально допустимый порог мощности радиосигнала – minP . Ретрансляция
Сычёв В.А., Шевчук Б.М., Пигуз В.Н.
«Искусственный интеллект» 2014 № 1 168
3С
радиосигнала должна начинаться в том случае, если minP P . Текущее значение
таймера обозначено как t. Выходные данные от датчика препятствия – O. Изменение
состояние автомата наступает при изменении одной из трёх величин: значения
таймера, значения O или значения P. Величины minP и intt устанавливаются заранее в
управляющей программе МР.
Таймер отсчитывает интервалы времени, по завершении которых осущест-
вляется переход между состояниями стационарного и хаотического движения. Опрос
датчиков и вычисление нового значения x (рис. 1) осуществлялось с дискретностью 50
мс.
Предлагаемый алгоритм был протестирован с использованием эксперимен-
тального мобильного робота, помещённого в испытательную арену.
В процессе испытаний роботу в восьмидесяти процентах случаев удавалось
обнаружить выход из арены, используя только один фронтальный датчик пре-
пятствия.
Заключение
В настоящей работе предложен алгоритм поискового движения мобильного
робота, основанный на бионической модели адаптивного поискового поведения
В.А. Непомнящих [3], которая была реализована на базе генератора хаотических
сигналов. Предложенный алгоритм обладает важными преимуществами, позволяя, в
частности, строить простые мобильные роботы, оснащённые минимальным числом
сенсоров, и при этом успешно решающие задачи поиска на неизвестной местности.
Предложенный алгоритм был исследован с помощью компьютерного моделирова-
ния и лабораторных испытаний с использованием макета малогабаритного мобиль-
ного робота. Так, испытания на макете показали, что робот, управляемый по дан-
ному алгоритму, способен успешно осуществлять поисковые движения, не будучи
оснащённым никакими датчиками, кроме датчика RSSI, встроенного в радиомодем
XBee Pro,и фронтального датчика препятствия. Данный алгоритм может быть
использован как основа для построения группы стайных роботов, решающих разно-
образные задачи, связанные с необходимостью осуществления поискового движения.
Благодарность
Работа выполнена при поддержке гранта БРФФИ-ГФФИУ №Ф13К-144 «Раз-
работка методов оперативной обработки и передачи информации для эффективного
управления мобильными роботами и подвижными системами», а также финансовой
поддержке Государственного фонда фундаментальных исследований Украины,
проект № Ф54.2/004 «Разработка методов оперативной обработки и передачи
информации для эффективного управления мобильными роботами и подвижными
системами».
Список литературы
1. Каляев И.А.Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов / И.А. Каляев, А.Р.
Гайдук, С.Г. Капустян – М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 280 с.
2. Рассел С. Искусственный интеллект: современный подход / С. Рассел, П. Норвиг. – 2-е изд. – М. :
Вильямс. 2006. – 1408 с.
3. Непомнящих В.А.Бионическая модель адаптивного поискового поведения / В.А.Непомнящих,
Е.Е. Попов, В.Г. Редько // Известия РАН. Теория и системы управления. – 2008. – № 1.
Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации…
«Штучний інтелект» 2014 № 1 169
3С
4. Clarck M. Coupled Oscillator Control of Autonomous Mobile Robots / M. Clarck, T. Anderson,
R. Skinner // Autonomous Robots, Kluwer Academic Publishers, 2000. – P. 189-198.
5. Ivana Kovacic. The Duffing Equation : Nonlinear Oscillators and their Behaviour / Ivana Kovacic,
Michael J Brennan. – John Wiley & Sons, 2011.
6. Мун Ф. Хаотические колебания. Вводный курс для научных работников и инженеров / Мун Ф. –
Москва : «Мир», 1990. – 312 с.
7. Schöll E.Handbook of Chaos Control / E. Schöll, H.G. Schuster – [2nd ed.] – Wiley-VCH Verlag
GmbH&Co.KGaA, 2008. – 819 p.
8. Pyragas, K.,Phys. Rev. Lett. 86, 2001. – p. 2265.
9. Dudek G. Computational Principles of Mobile Robotics / G. Dudek, M. Jenkin. – Cambridge University
Press, 2000. – 280 p.
10. Бунин, С.Г. Самоорганизующиеся радиосети со сверхширокополосными сигналами / С.Г. Бунин,
А.П. Войтер, М.Е. Ильченко, В.А. Романюк. – К.: НПП «Издательство “Наукова думка” НАН
Украины», 2013. – 444 с.
11. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Б. Скляр – [2-е
изд.: Пер. с анг.]. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.
12. Шевчук Б.М. Алгоритмічні основи підвищення інформаційної ефективності передачі даних в сенсорних
мережах / Б.М. Шевчук, В.К. Задірака, С.В. Фраєр // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2013. –
№ 12. – С. 140-149.
13. Шевчук Б.М. Системний підхід до вирішення проблем оптимізації обчислень засобами об’єктних систем
сенсорних мереж/ Б.М. Шевчук // Інформаційні технології та комп’ютерна інженерія. – 2013. – №1. – С.
88-95.
14. Шевчук Б.М. Формування кодово-сигнальних послідовностей об’єктними системами безпрово-
дових сенсорних мереж / Б.М. Шевчук // Питання оптимізації обчислень (ПОО-XL): праці міжнар.
наук. конф., присв’яченої 90-річчю від дня народження академіка В.М. Глушкова, 30 вересня – 1
жовтня 2013. – К., 2013. – С. 277-278.
References
1. Kaliaev, I. Models and algorithms of collective control in groups of robots / I. Kaliaev, A. Gaiduk,
C. Kapustian. – Moscow : Phismatlit, 2009. – 280 p. [in russian]
2. Russell, S. Artificial Intelligence: A Modern Approach / S. Russell, P. Norvig. – 2nd ed. – Prentice Hall
PTR, 2002. – 1132 p.
3. Nepomnyashchikh, V.A Bionic model of adaptive searching behavior / V.A. Nepomnyashchikh, E.E.
Popov, V.G. Red'ko // Journal of Computer and Systems Sciences International. – 2008. – №1. – P. 85-93.
4. Clarck, M. Coupled Oscillator Control of Autonomous Mobile Robots / M. Clarck, T. Anderson, R.
Skinner // Autonomous Robots, Kluwer Academic Publishers, 2000. – P. 189-198.
5. Kovacic, I. Michael J Brennan The Duffing Equation : Nonlinear Oscillators and their Behaviour / I.
Kovacic, M.J. Brennan. – John Wiley&Sons, 2011. – 386 p.
6. Moon, F. Chaotic Vibrations: An Introduction for Applied Scientists and Engineers / F. Moon. – John
Wiley&Son, 2004. – 309 p.
7. Schöll, E. Schuster H.G. Handbook of Chaos Control / E Schöll, H.G. Schuster – 2nd ed. – Wiley-VCH
Verlag GmbH&Co.KGaA, 2008. – 819 p.
8. Pyragas, K. Control of Chaos via an Unstable Delayed Feedback Controller / K. Pyragas // Phys. Rev.
Lett. 86, 2001. – P. 2265-2268.
9. Dudek, G. Computational Principles of Mobile Robotics / G. Dudek, M. Jenkin. – Cambridge University
Press, 2000. – 280 p.
10. Bunin, S.G. Self-organizing radio networks with ultrabandwidth signals / S.G. Bunin, A.P. Voiter, M.E.
Ilchenko, V.A. Romanuk. – Kiiv : “Navukova dumka”, 2013. – 444p. [in russian]
11. Sklar, B. Title: Digital Communications: Fundamentals and Applications (2nd Edition)/ B. Sklar // 2nd
ed.: Prentice Hall PTR, 2001. – 1070 p.
12. Shevchuk, B.M. Algorithmic foundations increase information efficiency of data transmission in sensor networks
/ B.M. Shevchuk, V.K. Zadiraka, S.V. Fraer // Computer means, networks and systems. – 2013. - № 12. – pp.
140-149. [in ukrainian]
Сычёв В.А., Шевчук Б.М., Пигуз В.Н.
«Искусственный интеллект» 2014 № 1 170
3С
13. Shevchuk, B.M. The systems approach to problem solving calculations optimization objective means of sensor
networks / B.М. Shevchuk // Information Technology and Computer Engineering. – 2013. - №1. – pp. 88-95. [in
ukrainian]
14. Shevchuk, B.M. Formation of code-signal sequence object systems wireless sensor networks / B.М.
Shevchuk // The issues of calculation optimization (ISCOPT-XL) – Kiiv., 2013. – pp. 277-278. [in ukrainian]
RESUME
U.A. Sychyou, B.M. Shevchuk
Search Motion Algorithm of Mobile Robots for Realization
of Effective and Protected Relaying Information Packages
The implementation method of search motion of mobile robot or group of mobile
robots with incomplete or inaccurate sensor data or with failure of one or several sensors
in dynamic non-determined environment is described in this paper. Ander the search
motion an algorithm for environment research and search of given objects, appearances,
characterized areas is considered. The scheme of motion behavior with inertial switching
between search tactics developed by V.A. Nepomnyashchikh and based on generator of
chaotic vibrations is used for this purpose. The generator is a system with non-linear
element and has at least one regime, where chaotic signals are produced. The generator
has program realization on the base of logistic map.
This way of implementation search motion allows controlling robots which are
scattered in the environment to retranslate signals to be considered. In order to increase
the efficiency of monitoring data transmission in wireless networks, including sampling
frames of video data signals and data sets, the paper proposes method for recognition the
most informative signal fragments and image objects, which is effective in high
performance and coding accuracy and oriented to be realized with on-board tools included
in the mobile robotic systems.
To verify operability the method was implemented in two different systems:
computer model and real mobile robot. Used prototype of the mobile robot is compact,
autonomous, tracked and equipped with on-board radio modem XBee and front obstacle
sensors (collision sensors). Obtained results emphasize direction of the future research:
development of on-board chaotic signals generator for mobile robots with limited
computing systems, i.e. micro robots.
Статья поступила в редакцию 27.12.2013.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-85244 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-5359 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:12:31Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Сычёв, В.А. Шевчук, Б.М. Пигуз, В.Н. 2015-07-23T12:10:30Z 2015-07-23T12:10:30Z 2014 Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации / В.А. Сычёв, Б.М. Шевчук, В.Н. Пигуз // Искусственный интеллект. — 2014. — № 1. — С. 160–170. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1561-5359 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/85244 004.773, 004.896 В данной работе предлагается способ управления мобильным роботом или группой мобильных роботов для реализации поискового движения в динамически изменяющейся недетерминированной среде, на основе неполных или недостоверных сенсорных данных, предлагается использование модели поискового адаптивного поведения с инерционным переключением между поисковыми тактиками В.А. Непомнящих, реализованной на основе генератора хаотических колебаний. Для повышения эффективности передачи по радиоканалу мониторинговых данных, включая видеоданные. В статье предлагается метод определения наиболее информативных фрагментов сигналов и изображений. У даній роботі пропонується спосіб управління мобільним роботом або групою мобільних роботів для реалізації пошукового руху в динамічно недетермінованому середовищі, що змінюється, на основі неповних або недостовірних сенсорних даних, пропонується використання моделі пошукового адаптивного поведінки з інерційним перемиканням між пошуковими тактиками В.А. Непомнящих, реалізованої на основі генератора хаотичних коливань. Для підвищення ефективності передачі по радіоканалу моніторингових даних, включаючи віддання. У статті пропонується метод визначення найбільш інформативних фрагментів сигналів та зображень. The implementation method of search motion of mobile robot or group of mobile robots with incomplete or inaccurate sensor data or with failure of one or several sensors in dynamic non-determined environment is described in this paper. The scheme of motion behavior with inertial switching between search tactics developed by V.A. Nepomnyashchikh and based on generator of chaotic vibrations is used for this purpose. In order to increase the efficiency of monitoring data transmission in wireless networks, including samplingframes of video data signals and data sets, the paper proposes method for recognition the most informative signal fragments and image objects, which is effective in high performance and coding accuracy and oriented to be realized with on-board tools included in the mobile robotic systems. Работа выполнена при поддержке гранта БРФФИ-ГФФИУ №Ф13К-144 «Разработка методов оперативной обработки и передачи информации для эффективного управления мобильными роботами и подвижными системами», а также финансовой поддержке Государственного фонда фундаментальных исследований Украины, проект № Ф54.2/004 «Разработка методов оперативной обработки и передачи информации для эффективного управления мобильными роботами и подвижными системами». ru Інститут проблем штучного інтелекту МОН України та НАН України Искусственный интеллект Интеллектуальные системы планирования, управления, моделирования и принятия решений Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации Алгоритм пошукового руху мобільного робота для реалізації ефективної і захищеної ретрансляції пакетів інформації Search motion algorithm of mobile robots for realization of effective and protected relaying information packages Article published earlier |
| spellingShingle | Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации Сычёв, В.А. Шевчук, Б.М. Пигуз, В.Н. Интеллектуальные системы планирования, управления, моделирования и принятия решений |
| title | Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации |
| title_alt | Алгоритм пошукового руху мобільного робота для реалізації ефективної і захищеної ретрансляції пакетів інформації Search motion algorithm of mobile robots for realization of effective and protected relaying information packages |
| title_full | Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации |
| title_fullStr | Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации |
| title_full_unstemmed | Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации |
| title_short | Алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации |
| title_sort | алгоритм поискового движения мобильного робота для реализации эффективной и защищённой ретрансляции пакетов информации |
| topic | Интеллектуальные системы планирования, управления, моделирования и принятия решений |
| topic_facet | Интеллектуальные системы планирования, управления, моделирования и принятия решений |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/85244 |
| work_keys_str_mv | AT syčevva algoritmpoiskovogodviženiâmobilʹnogorobotadlârealizaciiéffektivnoiizaŝiŝennoiretranslâciipaketovinformacii AT ševčukbm algoritmpoiskovogodviženiâmobilʹnogorobotadlârealizaciiéffektivnoiizaŝiŝennoiretranslâciipaketovinformacii AT piguzvn algoritmpoiskovogodviženiâmobilʹnogorobotadlârealizaciiéffektivnoiizaŝiŝennoiretranslâciipaketovinformacii AT syčevva algoritmpošukovogoruhumobílʹnogorobotadlârealízacííefektivnoíízahiŝenoíretranslâcíípaketívínformacíí AT ševčukbm algoritmpošukovogoruhumobílʹnogorobotadlârealízacííefektivnoíízahiŝenoíretranslâcíípaketívínformacíí AT piguzvn algoritmpošukovogoruhumobílʹnogorobotadlârealízacííefektivnoíízahiŝenoíretranslâcíípaketívínformacíí AT syčevva searchmotionalgorithmofmobilerobotsforrealizationofeffectiveandprotectedrelayinginformationpackages AT ševčukbm searchmotionalgorithmofmobilerobotsforrealizationofeffectiveandprotectedrelayinginformationpackages AT piguzvn searchmotionalgorithmofmobilerobotsforrealizationofeffectiveandprotectedrelayinginformationpackages |