Робототехника, автоматизация и системы управления. Рубрика в журнале - Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН)
Метод интеллектуального планирования миссий автономных подводных аппаратов
Статья
Создание полностью автономных необитаемых подводных аппаратов и комплексов, способных выполнять различные исследовательские и технологические операции в условиях неопределенности, является актуальной задачей. Ключевой проблемой является автоматическая коррекция миссий в реальном времени на основе данных от бортовых систем. Целью данной работы является разработка метода интеллектуального планирования миссий на стратегическом уровне управления автономными подводными робототехническими комплексами, обеспечивающего автоматическое формирование адаптивных планов и их преобразование в исполнительные команды тактического уровня для работы в изменяющихся условиях среды. В статье авторами определены принципы разработки интеллектуального планировщика миссий автономных подводных робототехнических комплексов (АПРК) на стратегическом уровне и менеджера миссий для управления миссией на тактическом уровне с формированием конкретных заданий исполнителям. Разработана формальная модель планирования миссий через множество линейных участков с предусловиями и постусловиями. Ключевым аспектом предложенного решения является использование онтологического подхода для стандартизации описания миссий и обеспечения их программной интерпретации. Создана специализированная среда разработки миссий на облачной платформе IACPaaS, позволяющая экспертам формировать и адаптировать планы миссий без углубления в технические детали. Разработан комплекс инструментальных средств с модульной архитектурой, обеспечивающий масштабируемость и адаптацию решения для различных классов АПРК и типов миссий. Результаты апробации показали, что предложенное решение позволяет формировать гибкие планы, учитывающие разнообразие ситуаций, и автоматически выбирать последовательности команд в зависимости от поступающих данных. Полученные результаты открывает новые возможности для создания полностью автономных подводных комплексов, способных выполнять сложные исследовательские и технологические операции без постоянного контроля оператора. Дальнейшие исследования направлены на совершенствование алгоритмов менеджера миссий, а также на интеграцию планировщика с другими компонентами бортового обеспечения.
Бесплатно
Метод обнаружения атак на систему навигации БПЛА
Статья
В данной работе рассмотрены вопросы реализации методов защиты беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) от атак спуфинга глобальной системы позиционирования (GPS), для обеспечения безопасной навигации. Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) широко используется для определения местоположения БПЛА и на сегодняшний день является самым популярным навигационным решением. Это связано с простотой и относительно невысокой стоимостью данной технологии, а также точностью передаваемых координат. Тем не менее, существует множество угроз безопасности GPS-навигации. Это в первую очередь связано с природой сигнала GPS, т.к. сигнал передается в открытом виде, поэтому злоумышленник может заблокировать или подделать его. В данном исследовании проведен анализ существующих методов защиты GPS. В рамках исследования был разработан экспериментальный стенд и сценарии атак на систему GPS БПЛА. Далее были собраны данные из журнала полетов БПЛА и проведен анализ кибер-физических параметров, чтобы увидеть влияние атаки на показания бортовых датчиков. Исходя из этого, был предложен новый метод обнаружения аномалий БПЛА, основанный на анализе изменений внутренних параметров БПЛА. Этот метод самодиагностики позволяет БПЛА самостоятельно оценивать наличие изменений в его подсистемах, и выявлять признаки кибератаки. Для выявления атаки БПЛА собирает данные об изменении кибер-физических параметров на протяжении определенного периода времени, затем обновляет эти данные. В результате БПЛА необходимо определить степень различий между двумя временными рядами собранных данных. Чем больше будет степень различий между обновленными данными и предыдущими, тем больше вероятность того, что на БПЛА проводится атака.
Бесплатно
Статья
В работе исследованы структурные зависимости рабочих выходов логических комбинационных схем с целью последующей идентификации вида возможных ошибок. Приведены виды возникающих ошибок и классификация рабочих выходов логических комбинационных схем. Показано, что наличие внутренней структурной связи дискретных устройств приводит к увеличению кратности возможных ошибок. Приводится условие определения функциональной зависимости выходов от проявления ошибок исследуемой кратности. Отмечено, что из множества видов ошибок, на выходах схем могут проявляться однонаправленные (монотонные) ошибки. Приведен известный метод определения монотонно зависимых рабочих выходов дискретных устройств и указан его недостаток, заключающийся в необходимости только попарного сравнения каждого выхода с остальными из целого множества. Для удобства процесса поиска подобных выходов автором статьи предложен новый метод идентификации монотонно зависимых рабочих выходов, отличающийся от известных методов тем, что данный метод применим для любого числа выходов, что требует значительно меньшего времени для поиска вышеприведенных выходов. Показано, что логические комбинационные схемы могут обладать функциональными особенностями, при которых на рабочих выходах могут проявляться только монотонные ошибки. Следовательно, предложен новый метод идентификации любого числа монотонно независимых рабочих выходов комбинационных схем. Показано, что предлагаемые в статье методы поиска монотонно зависимых и монотонно независимых выходов логических комбинационных схем требуют выполнения несложных математических вычислений. В программной среде Multisim смоделированы внутренние неисправности диагностируемых схем и зафиксированы все возможные ошибки на рабочих выходах. По результатам экспериментов также подтверждена справедливость полученных теоретических результатов.
Бесплатно
Метод оценки времени беспроводной передачи энергетических ресурсов между двумя роботами
Статья
Энергоемкость аккумуляторов, применяемых в качестве основного источника питания в мобильных робототехнических средствах, определяет время автономной работы робота. Для планирования выполнения группой робототехнических средств задач с точки зрения затрат времени актуально учитывать время, в течение которого заряжается аккумулятор каждого отдельного робота. При использовании беспроводной передачи энергии это время зависит от эффективности системы передачи энергии, а также от мощности передающей части системы, необходимой для пополнения энергоемкости. В настоящей работе предлагается метод оценки времени передачи энергетических ресурсов между двумя роботами с учетом данных параметров. Предлагаемый метод учитывает применение алгоритма конечного позиционирования роботов, оценку линейных смещений между роботами, включает вычисление эффективности, а также определение времени подзарядки с учетом параметров, полученных на предыдущих этапах метода. Алгоритм конечного позиционирования роботов использует алгоритмы обработки данных системы технического зрения робота для поиска реперных маркеров и определения их пространственных характеристик для обеспечения конечного позиционирования мобильных робототехнических платформ. Данные характеристики также применяются для определения линейных смещений между роботами, от которых зависит эффективность передачи энергии. Для ее определения в методе используется математическая модель энергетических характеристик системы беспроводной передачи энергии и полученные линейные смещения. На последнем этапе метода вычисляется время подзарядки аккумулятора мобильного робота с учетом данных с предыдущих этапов. Применение предложенного метода для моделирования позиционирования роботов в некотором наборе точек рабочего пространства позволит уменьшить временные затраты на зарядку аккумулятора робота при использовании беспроводной передачи энергии. В результате моделирования было определено, что передача энергетических ресурсов между роботами происходило с эффективностью в диапазоне от 58,11% до 68,22%, а также из 14 точек позиционирования были определены 3 с наименьшим временем передачи энергии.
Бесплатно
Статья
В работе рассматривается задача построения безопасных маршрутов группы беспилотных летательных аппаратов в ограниченном воздушном пространстве над сельскохозяйственным участком. Актуальность исследования обусловлена растущим применением групп БпЛА в агропромышленном комплексе для мониторинга, картографирования и обработки полей, что требует обеспечения безопасности полётов в условиях высокой плотности воздушного движения, ограниченной связи, а также воздействия внешних факторов. Особую сложность представляет необходимость автономного выполнения миссий при наличии навигационных погрешностей и природных воздействий. Предлагается метод планирования маршрутов, основанный на представлении траектории каждого аппарата в виде капсульного воздушного коридора – трёхмерного объёма фиксированного радиуса, сформированного вдоль отрезков траектории. Пространственное резервирование обеспечивает безопасное разнесение траекторий на этапе планирования, исключая конфликты при последующем автономном выполнении полётов без необходимости непрерывной координации между агентами. Радиус капсулы включает запас на возможные отклонения от запланированной траектории, что обеспечивает устойчивость к навигационным ошибкам. В основе метода лежит последовательное формирование маршрутов для каждого аппарата по четырёхфазной схеме, включающей вертикальный подъём от точки старта до рабочей высоты, горизонтальный переход к входу в зону обработки, возврат от выхода из зоны к точке начала снижения и вертикальный спуск к исходной позиции. Каждый новый маршрут строится с учётом уже зарезервированных воздушных коридоров через аналитическую проверку геометрических пересечений между капсулами различных траекторий и выпуклыми многогранниками зон обработки. Для повышения вычислительной эффективности применяется иерархическая пространственная фильтрация на основе ограничивающих параллелепипедов, позволяющая на предварительном этапе быстро отсекать заведомо непересекающиеся объекты и выполнять точную геометрическую проверку только для потенциально конфликтующих сегментов маршрутов. Численные эксперименты проводились для групп от 2 до 32 аппаратов на типовом сельскохозяйственном участке площадью один квадратный километр. Установлено нелинейное возрастание времени планирования и количества итераций с увеличением числа агентов, что обусловлено необходимостью построения каждого последующего маршрута в уже частично занятом пространстве с возрастающим числом пространственных ограничений. Длина маршрутов демонстрирует тенденцию к росту, особенно выраженную на начальных этапах масштабирования, что связано с необходимостью обхода уже зарезервированных воздушных коридоров.
Бесплатно
Метод структурно-параметрического синтеза конфигураций многорежимного объекта
Статья
Сложность современных объектов с перестраиваемой структурой приводит к необходимости учета различных факторов взаимодействия их с окружающей средой и связана с увеличением числа входящих в их состав элементов и подсистем, а также, соответственно, стремительным ростом числа внутренних связей, и проявляется в таких аспектах, как структурная сложность, сложность функционирования, сложность выбора поведения, сложность моделирования и сложность развития. Данные системы функционируют в условиях существенной неопределённости, связанной с изменением содержания целей и задач, стоящих перед объектом, воздействием возмущающих факторов со стороны внешней среды и имеющих целенаправленный и/или нецеленаправленный характер. Указанные аспекты сложности системы связаны не только с неопределенными воздействиями внешней среды, но и с множеством различных режимов (видов) функционирования, соответствующих множественности решаемых задач и множественности показателей качества их решения. Как правило, системы с фиксированной структурой, настраиваемые обычно на установившийся (какой-то заданный) режим, не обеспечивают наилучшего качества управления в других режимах. Поэтому многорежимность и неопределенность условий функционирования обуславливают необходимость решения проблемы анализа и синтеза конфигурации и реконфигурации рассматриваемых объектов, основанных на интеллектуальных подходах. При этом на этапах создания и проектирования объектов с перестраиваемой структурой должны быть синтезированы такие взаимосвязанные множества режимов функционирования и структур, а также, возможно, внесён такой уровень избыточности в указанные множества с учетом пространственно-временных, технических и технологических ограничений, при которых на этапе их применения по целевому назначению имелась бы возможность гибко реагировать на все расчётные и нерасчётные нештатные ситуации, вызывающие структурные изменения объекта. С формальной точки зрения, решение указанных задач возможно в рамках такого важнейшего класса современных научно-технических задач, как задачи многокритериального структурно-функционального синтеза конфигураций многорежимных объектов на различных этапах их жизненного цикла. В настоящей статье приведен метод решения указанных задач, основанный на предложенной авторами концепции параметрического генома сложных многорежимных объектов. Применение данной концепции позволяет в концентрированном виде хранить явные и неявные знания экспертов о взаимодействии элементов и подсистем объекта при выполнении различных вариантов реализации режимов функционирования, а также осуществлять оперативное вычисление значений оптимистических и пессимистических оценок показателей структурно-функциональной надежности однородных/неоднородных, монотонных/немонотонных, равноценных/неравноценных многорежимных объектов. Для решения задачи многокритериального выбора требуемого количества недоминируемых вариантов конфигураций многорежимного объекта, равномерно расположенных в множестве эффективных (паретовских) альтернатив, была предложена комбинация метода интервального лексикографического упорядочения (последовательных уступок) и операторного решающего правила. При этом для проведения детального анализа возможности реализации объектом совместного или раздельного задействования режимов функционирования с равноценной или неравноценной интенсивностью их применения было предложено нечетко-возможностное представление обобщенного показателя структурно-функциональной надежности в виде трапециевидного числа и определения его центра тяжести. Эффективность использования разработанного метода структурно-параметрического синтеза конфигураций многорежимного объекта с перестраиваемой структурой проиллюстрирована на примере решения задачи структурно-параметрического синтеза конфигураций системы управления движением малого космического аппарата «Аист-2Д».
Бесплатно
Статья
Анализ применения технологии умный дом указывает на недостаточный уровень управляемости его инфраструктурой, что приводит к избыточному потреблению энергетических и информационных ресурсов. Проблема управления цифровой инфраструктурой жилого пространства человека, связана с большим числом узкоспециализированных решений по домашней автоматизации, которые усложняют процесс управления. Умный дом рассматривается как множество независимых киберфизических устройств направленных на достижение своей цели. Для согласованной работы киберфизических устройств предлагается обеспечивать их совместную работу через единый информационный центр. Моделирования режимов работы устройств в цифровой среде сохраняет ресурс физических устройств, производя виртуальный расчет для всевозможных вариантов взаимодействия устройств между собой и физической средой. Разработана методика управления микроклиматом умного дома с применением ансамбля нечетких искусственных нейронных сетей, на примере совместного использования кондиционера, вентиляции и отопления. Алгоритм работы нейронной сети позволяет контролировать параметры состояния физической среды, прогнозировать режимы работы киберфизических устройств и формировать сигналы управления для каждого из них, обеспечивая совместную работу устройств с минимальным ресурсопотреблением и информационным трафиком. Предложен вариант практической реализации системы управления микроклиматом умного дома на примере многофункционального учебного компьютерного класса. Разработаны гибридные нейронные сети систем кондиционирования, вентиляции и отопления. Произведено тестирование работы системы управления микроклиматом многофункциональной аудитории университета с применением гибридных нейронных сетей, в качестве устройства управления использован программируемый логический контроллер отечественного производства. Целью управления на основе взаимодействующих киберфизических устройств является достижения минимума используемой мощности и информационного трафика при их совместной работе.
Бесплатно
Статья
Целью работы является создание методов управления шагающими роботами реального времени для широкого диапазона режимов движения. Рассматривается модификация метода обратной задачи с использованием универсального адаптивного генератора походок, реализующего шестимерное движение корпуса робота. Выполнена программная реализация этого метода с добавлением методов регуляризации для численного интегрирования уравнений с вырожденной матрицей. Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования движения робота собаки в различных режимах по микро и макронеровностям. Отмечается невысокий уровень динамических показателей движения робота, в частности, высокая вибрация, что соответствует литературным данным для аналогичных по кинематической схеме роботов собак, управление которыми синтезируется методами машинного обучения и обратной задачи. Причиной низкого качества управления являются фазы движения, в которых система становится неуправляемой. Для безусловного выполнения условия управляемости системы рассмотрены возможные модификации кинематической схемы робота. Такие модификации могут быть выполнены введением избыточных управляемых степеней свободы за счет хвоста, лап и др. Предложены новые теоретические методы управления систем с избыточными степенями свободы на основе метода обобщенной задачи динамического уравновешивания. Подтверждена эффективность этих методов моделированием управляемого движения робота собаки с хвостом и лапами. Для распространенной кинематической схемы робота собаки с тремя приводами на ногу и точечным контактом в стопе в качестве рационального решения предлагается использование моноколеса для движения по микронеровностям и шагающих движителей для преодоления макронеровностей и выхода из аварийных ситуаций, например, опрокидывания. Эпизодическое использование шагающих движителей допускает упрощенные режимы управления, которые эффективно реализуются в рамках предложенной модификации метода обратной задачи. Концепция подтверждена численными и натурными экспериментами. Система управления локомоцией в этом случае может быть реализована на недорогой аппаратной базе, в том числе с использованием апробированного приборного оснащения широко распространенных роботов, в частности, квадрокоптеров. Особенностью роботов, построенных на предлагаемых принципах управления, является модульность конструкции, позволяющая получать модификации в широком диапазоне технических характеристик путем различной конфигурации модулей. Такие высокомобильные роботы могут стать дешевой и безопасной платформой для доводки систем навигации, беспилотного управления и др. в условиях реальной эксплуатации в различных сферах применения.
Бесплатно
Статья
Лесные пожары являются одной из наиболее опасных и трудно прогнозируемых природных угроз, что требует постоянного мониторинга линии распространения огня в реальном времени. Традиционные средства, такие как спутниковая съемка или наземные наблюдательные посты, не обеспечивают необходимой оперативности и полноты данных. Перспективным решением становится использование роя беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), однако их эффективная координация в условиях динамичной обстановки и ограниченных ресурсов связи и вычислений требует разработки специальных алгоритмов. В работе представлена многоуровневая стратегия управления роем БПЛА, объединяющая три механизма. Горизонтальная навигация реализуется методом искусственных потенциальных полей (Artificial Potential Field, APF), обеспечивающим притяжение к линии фронта пожара и отталкивание от препятствий и соседних аппаратов. Распределённый протокол согласования стабилизирует полет на общей опорной высоте, что гарантирует сопоставимые углы обзора. Для оптимального распределения вдоль линии фронта используется модифицированный алгоритм роя частиц (Particle Swarm Optimization, PSO), позволяющий снизить конкуренцию между дронами и уменьшить лишние манёвры. Проведена серия вычислительных экспериментов, в которых сопоставлены классический APF и гибрид APF+PSO для решения задачи оптимизации функционала эффективности движения роя БПЛА. Гибридная схема APF+PSO снижает значение функционала эффективности почти на порядок по сравнению с классическим методом APF; уменьшает вариативность поведения роя; поддерживает согласованную высоту без выраженного перерегулирования и обеспечивает корректный обход препятствий при движущемся фронте. Минимальные междроновые дистанции не опускались ниже порогового значения 5 м, что подтверждает соблюдение требований безопасности. Алгоритм демонстрирует устойчивое слежение за движущимся фронтом на протяжении всего горизонта моделирования, обеспечивая корректный обход препятствий. Разработанная стратегия сочетает вычислительную простоту с высокой надежностью. Дальнейшие исследования будут направлены на учет данных бортовых сенсоров (видео и тепловизоров), моделирование влияния ветра и рельефа, анализ задержек и потерь связи, а также расширение алгоритма на крупные группы БПЛА.
Бесплатно
Моделирование перемещения груза двумя БпЛА при наличии связей с отклоняющимся аргументом
Статья
Рассматривается задача транспортировки груза, подвешенного на двух беспилотных летательных аппаратах (БпЛА) с помощью гибких связей – тросов. Актуальность исследования обусловлена широким применением групп летательных аппаратов для выполнения транспортных операций в труднодоступных районах или при ликвидации чрезвычайных ситуаций, когда требуется перемещение объектов значительной массы или размеров. Движение БпЛА не является строго синхронным. Это приводит к изменению геометрической конфигурации системы «БпЛА – тросы – груз» и перераспределению нагрузок. Цель работы заключается в разработке математической модели динамики движения груза, перевозимого двумя беспилотными летательными аппаратами, перемещающимися по одинаковой траектории, при условии запаздывания одного из аппаратов относительно другого на заданном промежутке времени, и определении сил реакции связей в тросах при различных режимах движения рассматриваемой механической системы. Для описания динамики движения используются дифференциальные уравнения с учетом связей с отклоняющимся аргументом. Такой подход позволяет учитывать влияние движения «запаздывающего» БпЛА на перемещение транспортируемого объекта. Проведен кинематический анализ системы, получены геометрические соотношения, определяющие положение и траекторию переносимого груза. На основе модели динамики движения груза получены зависимости реакций связей от времени движения рассматриваемой механической системы. Проведено имитационное моделирование движения переносимого груза при различных законах движения беспилотных летательных аппаратов, показывающее влияние запаздывания одного из БпЛА на распределение нагрузок между тросами и характер движения груза. Полученные зависимости могут быть использованы при разработке систем управления групповыми транспортными комплексами для обеспечения их устойчивого движения и повышения надежности перевозки различных объектов.
Бесплатно
Нейросетевая настройка генетического алгоритма управления векторной иерархической системой
Статья
Представлены результаты исследования иерархической двухуровневой системы векторного управления многосвязным объектом, эволюция которого описывается вектором состояния, изменяющегося путем воздействия на исполнительные устройства, каждое из которых включает привод и рабочий механизм. Рассматриваемая система управления отличается наличием дополнительного контура настройки виртуального регулятора на верхнем и функционально-логическом уровнях. Синтезирована математическая модель импульсного отклика исполнительного механизма системы, учитывающая сухое трение, люфт и ограничения по скорости и положению рабочего органа управляемого объекта. Исходная модель исполнительного органа представлена в форме Коши, а его импульсный отклик аппроксимирован импульсным откликом линейного звена второго порядка, оптимальным по критерию минимума ошибки аппроксимации. Доказано, что параметры линеаризованного импульсного отклика зависят от эксплуатационных параметров привода. Построена модель замкнутой системы управления объектом в целом и показано, что ее параметры зависят от эксплуатационных параметров приводов, желаемого значения вектора состояния объекта управления и параметров виртуальных регуляторов, реализованных на функционально-логическом и верхнем иерархическом уровнях. Полученные результаты демонстрируют, что изменение эксплуатационных параметров объекта может быть скомпенсировано за счет структурных и параметрических изменений генетического алгоритма управления. Разработана методика синтеза генетического алгоритма управления сложными многоконтурными объектами, реализуемого контроллером верхнего уровня иерархии, базирующаяся на использовании нейронной сети. Показано, что предлагаемый подход обеспечивает достижение синергетического эффекта, когда управляющие воздействия, реализуемые разными модификациями алгоритма управления, оказываются менее эффективными, чем управляющие воздействия, реализуемые с помощью составного алгоритма, подвергающегося эволюционным изменениям в процессе функционирования системы. Корректность теоретических положений подтверждена результатами вычислительного моделирования управления виртуальным регулятором с помощью нейронной сети, продемонстрировавшего существенное улучшение характеристик управления за счет уменьшения времени выхода на установившийся режим и времени перерегулирования.
Бесплатно
Статья
Интеграция методологического базиса нескольких разных наук при междисциплинарных исследованиях является характерной чертой новых механизмов решения современных прикладных задач. Формируемые теоретические основы аэролимнологии, как нового научного направления, рассматриваются с точки зрения вклада в нее трех ключевых наук: лимнологии, информатики и робототехники. Приведены классификации методов и способов лимнологических исследований, воздушных робототехнических средств, информационных технологий, перспективных для решения задач в области аэролимнологии. Задача научного направления аэролимнологии формулируется как изучение возможностей и ограничений комбинированных способов дистанционного сенсорного измерения, роботизированного пробоотбора и аналитического исследования параметров экосистем пресных водоемов для мониторинга и предсказания динамики их развития. Среди основных направлений аэролимнологических исследований выделены: построение ортофотопланов и фотограмметрических пространственных моделей рельефа дна и отдельных элементов донного ландшафта и прибрежной зоны разного масштаба; геолого-геофизическое картирование подводной части береговой зоны; изучение фитопланктона, в частности «цветения» воды, вызванного цианобактериями; исследование распределения и миграций крупных представителей гидрофауны; изучение температурных полей и процессов перераспределения водных масс. Обсуждаются ограничения, накладываемые на использование беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) при пробоотборе и мониторинге прибрежных водных территорий, прежде всего погодно-климатические, временные, пространственные, технические. Преимущество использования беспилотных летательных аппаратов в аэролимнологии обосновывается увеличением скорости получения данных, возможностью подлета к труднодоступным и территориально удаленным объектам, снижением влияния человеческого фактора. Научная новизна представленного исследования состоит в попытке интеграции междисциплинарных знаний при использовании беспилотных летательных аппаратов и обработке полученных данных на основе технологий искусственного интеллекта при изучении лимнологических объектов и процессов. Отмечается важная роль геоинформационных систем и приводятся примеры карт типизации берегов и геоморфологии Ладожского озера, размещенные на сайте Центра коллективного пользования научным оборудованием «Северо-Западный центр мониторинга и прогнозирования развития территорий» СПБ ФИЦ РАН. Рассматриваются основные этапы методологии проведения аэролимнологических исследований с применением междисциплинарных подходов на основе лимнологии, информатики и робототехнических средств, функционирующих в разных средах.
Бесплатно
Статья
Использование пестицидов и загрязнение окружающей среды в садах можно значительно снизить, сочетая опрыскивание с переменной скоростью с пропорциональными системами управления. В настоящее время фермеры могут использовать опрыскивание с переменной скоростью для применения средств от сорняков только там, где они необходимы, что обеспечивает экологически чистые и экономичные химические средства для защиты растений. Кроме того, серьезной проблемой является ограничение использования пестицидов в качестве средств защиты растений (СЗР) при сохранении надлежащего отложения растительного покрова. Кроме того, автоматические опрыскиватели, которые регулируют норму внесения в соответствии с размером и формой садовых насаждений, показали значительный потенциал для сокращения использования пестицидов. Для автоматического распыления в существующем исследовании использовались искусственная нейронная сеть (ИНС) и машинное обучение. Кроме того, эффективность опрыскивания можно повысить за счет снижения потерь при распылении из-за осаждения на грунт и нецелевого сноса. Таким образом, это исследование включает в себя тщательное изучение существующих методов опрыскивания с переменной скоростью в садах. Помимо предоставления примеров их прогнозов и краткого рассмотрения влияния на параметры опрыскивания, в нем также представлены различные альтернативы предотвращению чрезмерного использования пестицидов и исследуются их преимущества и недостатки.
Бесплатно
Обмен навигационной информацией для оперативного управления дорожным движением
Статья
Снижение эффективности грузопассажирских перевозок в условиях городской инфраструктуры определяется ростом числа автомобилей, опережающим развитие сети дорог. Моделирование неравномерности потоков во времени (час пик) выявило ключевое значение интервала движения транспортных средств как фактора борьбы с эффектом аккумуляции при снижении средней скорости в условиях загруженности дорог. Снижение эффективного времени реакции водителя, определяющего предельную дистанцию между транспортными средствами, требует минимизации влияния человеческого фактора. Для автоматизации процесса (реализации беспилотного управления транспортом) необходимо обеспечить эффективный обмен навигационной и маршрутной информацией между участниками движения. Совокупности требований к системе информационного обмена лучше всего отвечает коммуникационно-навигационная система (КНС) на базе принципов широковещательной радиосвязи. Ее применение позволяет одновременно повысить и безопасность, и эффективность дорожного движения. Рост безопасности обеспечивается за счет повышения предсказуемости действий соседних участников движения. Для увеличения эффективности в зоне высокой плотности потоков формируются Центры управления транспортом (ЦУТ). Распределенные сети приемо-передающих станций ЦУТ образуют локальную систему позиционирования на принципах трилатерации. Алгоритмы верификации корректности работы бортовых навигационных средств и автоматического разрешения коммуникационных конфликтов обеспечивают высокую надежность функционирования КНС. Отказ от принципов абонентской радиосвязи обеспечивает ее работоспособность даже в условиях очень высокой плотности ТС (несколько тысяч на квадратный километр). В сочетании с передовыми технологиями организации дорожного движения (реализации решетки транспортных магистралей и режима «тотальной зеленой волны») КНС и ЦУТ способны обеспечить среднюю скорость в городских условиях более 45 км/ч. Совокупная экономия затрат на последнюю милю доставки в результате их внедрения оценивается на уровне единиц процентов ВВП даже без учета социальных и экологических эффектов только за счет снижения аварийности и сокращения числа пробок.
Бесплатно
Статья
Рассматривается проблема распределения заданий между группами мобильных роботов в условиях параметрической и стохастической неопределенности, возникающей из-за сенсорных погрешностей, нестационарности среды и ограниченности информации об объектах управления. Основная цель работы – адаптировать разработанные ранее эвристические алгоритмы к реальным условиям, где присутствуют сенсорные ошибки и недостаток информации о состоянии среды. В качестве базовых подходов рассматриваются три алгоритма: муравьиный алгоритм, нейронная сеть Хопфилда и генетический алгоритм. Разработаны специальные модификации для каждого алгоритма, учитывающие неопределенность исходных данных: динамическое обновление феромонных следов, адаптивная коррекция весовых коэффициентов нейронов и интервальная оценка параметров среды. Приведены общая постановка задачи, математические модели и принципы построения предложенных алгоритмов распределения заданий. Было проведено численное моделирование для сравнения модифицированных версий алгоритмов с их базовыми аналогами в условиях различных уровней неопределенности функционирования системы. Установлено, что предложенные адаптивные механизмы улучшают эффективность распределения заданий до 20 % по сравнению с базовыми методами. На основании полученных результатов сформулированы рекомендации по выбору оптимального алгоритма в зависимости от конкретных условий функционирования системы и задач управления. Сделан вывод о целесообразности использования разработанных подходов при проектировании интеллектуальных адаптивных систем группового управления мобильными роботами. Предложенные решения могут применяться и для более широкого круга задач, включая динамическое переназначение ресурсов и организацию кооперативного поведения технических агентов.
Бесплатно
Статья
Растущий спрос на транспортировку товаров, обусловленный расширением глобальных цепочек поставок и растущими ожиданиями клиентов, подчеркивает острую необходимость оптимизации транспортных расходов для повышения эффективности логистики. В условиях быстро развивающегося и конкурентного рынка предприятия сталкиваются с растущими проблемами в управлении сложными транспортными сетями, минимизации эксплуатационных расходов и удовлетворении разнообразных требований клиентов. Для решения этих проблем в данной статье представлено решение, разработанное для снижения транспортных расходов за счет оптимизации потока товаров и повышения эффективности использования ресурсов. Используя передовые методы оптимизации и стратегии на основе данных, предлагаемое решение позволяет выявить неэффективности, упростить процесс принятия решений и улучшить распределение ресурсов. Первые результаты показывают, что этот подход не только значительно снижает эксплуатационные расходы, но и повышает способность предприятий быстро и эффективно реагировать на меняющиеся требования клиентов, обеспечивая как экономическую эффективность, так и удовлетворенность клиентов. Однако по мере дальнейшего развития логистической отрасли и увеличения объемов транзакций ожидается, что сценарии транспортировки станут более сложными, а требования клиентов – более разнообразными. Эти изменения требуют дальнейшего совершенствования и масштабируемости предложенного решения для работы с расширенными сетями, более сложными логистическими задачами и широким спектром потребительских требований. В будущих исследованиях приоритетное внимание будет уделено разработке крупномасштабных моделей, способных включать больше переменных, повышать вычислительную эффективность и обеспечивать более быстрое и точное принятие решений в условиях растущей сложности логистического сектора. Таким образом, предлагаемое решение представляет собой значительный шаг вперед в оптимизации транспортных расходов и повышении эффективности логистики. Первые результаты показывают, что данное решение позволяет сократить транспортные расходы на 19,02–29,65% и повысить вычислительную эффективность в задачах маршрутизации малого и среднего масштаба (10-20 клиентов). Несмотря на его потенциал, необходимы дополнительные исследования для обоснования масштабируемости для более крупных наборов данных. Таким образом, наш подход обеспечивает прочную основу для оптимизации логистики с четкими перспективами расширения и адаптации в реальных условиях.
Бесплатно
Оценка состояния агента с динамикой стохастического характера с помощью рекуррентных фильтров
Статья
В работе представлен метод оценки состояния агента многоагентной биологической системы по зашумленным измерениям с помощью рекуррентных фильтров. Рассмотрена проблема масштабируемости существующих подходов к регистрации поведения лабораторных грызунов и отсутствия единого математического описания. Приведено математическое описание агента биологической системы как нелинейной дискретной стохастической системы в пространстве состояний и постановка задачи оценки его состояния. Представлено решение поставленной задачи на примере ключевых точек крысы линии Wistar, которые измеряются с помощью предварительно обученного детектора. В работе предлагается использовать полносвязную нейронную сеть для параметризации неизвестной динамики системы. Для сравнительного анализа выбраны фильтр частиц (последовательный метод Монте-Карло) и ансцентный фильтр Калмана. Сравнение методов производилось на собранном и подготовленном наборе данных, который содержит изображения с разрешением 1060×548 и разметку скелетных точек крысы. Представленные результаты экспериментов по сравнению методов оценки состояния показывают высокую эффективность предложенного метода и его преимущество перед аналитическим описанием нелинейной динамики системы. Среди сравниваемых подходов минимальную среднюю ошибку 6,4 пикселей показала двойная оценка вектора состояния и параметров нейронной сети с помощью двух ансцентных фильтров Калмана. Однако для практического применения в реальном времени больше подходит один фильтр с предварительно обученной нейронной сетью. В таких условиях ансцентный фильтр Калмана показал лучшие результаты по точности, чем фильтр частиц (средняя ошибка 8,1 пикселя против 12,0 пикселей). Результаты работы могут быть использованы для решения задачи автоматической регистрации поведения крыс линии Wistar с помощью параметризации функций, связывающих векторы состояния с выходными векторами индивидуального и группового поведения.
Бесплатно
Статья
Планирование траектории движения является одной из ключевых задач при разработке автономных мобильных роботов, обеспечивающей их безопасную и эффективную навигацию в средах с препятствиями. Существующие методы планирования, включая алгоритмы на основе выборки, оптимизационные и геометрические подходы, испытывают трудности при балансировке между вычислительной эффективностью, оптимальностью траектории и гарантированным выполнением ограничений безопасности. В данной работе представлен новый метод планирования траектории, основанный на градиентном потоке с пропорционально-интегральной коррекцией. Задача безопасной навигации робота формулируется как задача условной оптимизации, которая преобразуется в задачу безусловной оптимизации и решается методом градиентного потока с применением аппарата функционального анализа. Для гарантированного выполнения ограничений достижения целевого состояния и обхода препятствий динамика градиентного потока дополняется пропорциональным и интегральным членами обратной связи. Барьерные функции для описания препятствий строятся на основе гладких квадратичных форм с возможностью расширения на сложную геометрию посредством функций расстояния. Сформулированы достаточные условия в форме линейных матричных неравенств, при выполнении которых строго доказана локальная экспоненциальная сходимость алгоритма к оптимальным управляющим траекториям. Эффективность метода подтверждена численным моделированием навигации колёсного робота в загромождённом пространстве с множественными препятствиями. Проведено сравнение с гибридным алгоритмом поиска на графах, кинодинамическими быстрорастущими случайными деревьями и методом прямой коллокации как в автономном, так и в онлайн-режимах. Результаты демонстрируют, что предложенный алгоритм обеспечивает наименьшее время вычислений и наибольшую точность достижения целевого состояния. Обсуждены ограничения метода, включая локальный характер сходимости и возможность застревания в локальных минимумах в средах со сложной топологией. Показано, что дискретизированная версия алгоритма сохраняет вычислительную эффективность, достаточную для адаптивного управления в реальном времени с периодическим перепланированием.
Бесплатно
Планирование траектории полета БПЛА при мониторинге большой области
Статья
Современное сельское хозяйство охватывает огромные территории, и эффективный мониторинг этих территорий играет ключевую роль в точном земледелии. Беспроводные сенсорные сети широко используются для получения оперативной информации о состоянии сельскохозяйственных культур. Однако вручную собирать данные с датчиков затруднительно. В то же время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) все чаще используются для обеспечения автоматического высокоточного сбора данных. В данной статье рассматриваются методы построения оптимальной траектории БПЛА, обеспечивающие эффективный сбор данных с распределенных сенсорных узлов. Предложенные методы направлены на минимизацию длины маршрута и полное покрытие зон датчиков за счет учета их пространственного распределения и радиуса действия. Целью исследования заключается оптимизация траектории полета БПЛА минимальной длины, обеспечивающей сбор данных со всех датчиков, полностью покрывая зоны покрытия сенсорных узлов. В рамках исследования были разработаны и сравнены четыре метода построения маршрута: центрированный, трехточечный, тангенциальный и метод оптимального выбора точек внутри границы радиуса. Каждый метод реализован в виде программного алгоритма, включающего этапы построения маршрута, его геометрической оптимизации и охвата зоны покрытия. Все методы были протестированы единообразно на наборе датчиков, размещенных на определенной территории. Оценка проводилась по трем основным показателям: протяженность маршрута, количество точек маневра и время расчета программы. Авторами предложены два ключевых метода оптимизации траектории: метод «центроид», основанный на кластеризационном подходе, и усовершенствованный «трёхточечный» метод, реализующий алгоритм Лина–Кернигана. По результатам экспериментов предложенные методы существенно превосходят ранее рассмотренные методы планирования траектории. Таким образом, в статье предложен комплексный метод к построению маршрутов БПЛА для мониторинга сельскохозяйственных полей с учетом геометрических, алгоритмических и вычислительных факторов, а также даны рекомендации по выбору метода в зависимости от пространственной структуры сенсорной сети.
Бесплатно
Статья
В работе рассматривается задача повышения точности стабилизации амплитуды и фазы высокочастотного поля в системе низкоуровневого радиочастотного управления (LLRF), применяемой в ускорителях заряженных частиц. Показано, что основным источником деградации стабильности являются низкочастотные возмущения, обусловленные пульсациями источников питания, температурными дрейфами и изменением параметров нагрузки. Продемонстрировано, что классическая структура ПИД-регулятора принципиально ограничена в подавлении таких возмущений вследствие компромисса между усилением на низких частотах и запасами устойчивости. Предложена модифицированная структура регулятора с интегральной составляющей второго порядка. Показано, что предложенный подход приводит к увеличению порядка астатизма системы и формированию наклона амплитудной характеристики -40 дБ/декаду в области низких частот, что обеспечивает существенно более эффективное подавление квазистационарных и медленно изменяющихся возмущений. Разработана математическая модель системы управления, отражающая основные динамические свойства ВЧ тракта. Дополнительно предложена нелинейная стратегия управления, основанная на отложенной активации интегральной составляющей второго порядка, которая предотвращает увеличение длительности переходного процесса при сохранении эффективности подавления возмущений. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований показывают, что предложенный регулятор обеспечивает увеличение динамического диапазона и стабильности амплитуды более чем на 20 дБ по сравнению с типичными современными системами, а также снижение среднеквадратичного отклонения фазы не менее чем на порядок. Полученные результаты подтверждают, что введение интегральной составляющей второго порядка в структуру регулятора является эффективным способом повышения точности стабилизации ВЧ сигнала при сохранении устойчивости и робастности системы управления.
Бесплатно
