Робототехника, автоматизация и системы управления. Рубрика в журнале - Информатика и автоматизация (Труды СПИИРАН)
Алгоритмы планирования траекторий в двумерной среде с препятствиями
Статья
В данной статье предложены алгоритмы планирования и управления движением мобильного робота в двухмерной стационарной среде с препятствиями. Задача состоит в том, чтобы сократить длину запланированного пути, учесть динамические ограничения робота и получить плавную траекторию. Для учета динамических ограничений мобильного робота на карту добавляются виртуальные препятствия, перекрывающие невыполнимые участки движения. Такой способ учета динамических ограничений позволяет использовать картографические методы без увеличения их сложности. В качестве алгоритма глобального планирования используется модифицированная версия алгоритма быстрого исследования случайных деревьев (Multi parent nodes RRT – MPN-RRT). В этом алгоритме, в отличие от оригинальной версии, используется несколько родительских узлов, что уменьшает длину запланированной траектории по сравнению с исходной версией RRT с одним узлом. Кратчайший путь на построенном графе находится с помощью алгоритма оптимизации муравьиной колонии. Методами численного моделирования показано, что использование двух родительских узлов позволяет уменьшить среднюю длину пути для городской среды с низкой плотностью застройки. Для решения проблемы медленной сходимости алгоритмов, основанных на случайном поиске и сглаживании путей, алгоритм RRT дополнен алгоритмом локальной оптимизации. Алгоритм RRT ищет глобальный путь, который сглаживается и оптимизируется итеративным локальным алгоритмом. Алгоритмы управления нижнего уровня, разработанные в этой статье, автоматически уменьшают скорость робота при приближении к препятствиям или повороте. Общая эффективность разработанных алгоритмов продемонстрирована методами численного моделирования с использованием большого количества экспериментов.
Бесплатно
Анализ устойчивости роя гетерогенных роботов с ограниченным полем зрения
Статья
Представлен анализ устойчивости роя гетерогенных роботов, где каждый робот имеет разный уровень чувствительности сенсоров и различные физические ограничения, включая максимальную скорость движения и ускорения. Каждый робот обладает уникальной областью восприятия в условиях ограниченного поля зрения. Изначально предлагался децентрализованный метод навигации для роя гетерогенных роботов, состоящего из ведущего робота и многочисленных ведомых роботов. С децентрализованным методом навигации ведущий робот может направлять ведомых, поддерживая соединение и учитывая физические ограничения, уникальные для каждого робота. Данное исследование сосредоточено на анализе устойчивости равновесия такого роя ргетерогенных роботов. С математической точки зрения доказывается, что когда ведущий робот двигается с постоянной скоростью, форма и направление всех остальных ведомых роботов в конечном счете стремятся к равновесию. Чтобы продемонстрировать совпадение этого состояния равновесия, сперва необходимо доказать, что оно существует. Проводятся эксперименты и численные моделирования, чтобы подтвердить наличие стабильности, то есть достижение роем роботов состояния равновесия.
Бесплатно
Статья
Рассматривается использование различных типов эвристических алгоритмов на основе технологий мягких вычислений для распределения задач в группах мобильных роботов, выполняющих односложные операции в едином рабочем пространстве: генетические алгоритмы, муравьиные алгоритмы и искусственные нейронные сети. Показано, что данная задача является NP-сложной и ее решение прямым перебором для большого числа заданий невозможно. Исходная задача сведена к типовым NP-полным задачам: обобщенной задаче поиска оптимальной группы замкнутых маршрутов от одного депо и задаче коммивояжера. Представлены описание каждого из выбранных алгоритмов и сравнение их характеристик. Приводится пошаговый алгоритм работы с учетом выбранных генетических операторов и их параметров при заданном объеме популяции. Представлена общая структура разработанного алгоритма, позволяющего достаточно эффективно решить многокритериальную оптимизационную задачу с учетом временных затрат и интегрального критерия эффективности роботов, учитывающего энергетические затраты, функциональную насыщенность каждого агента группы и т.д. Показана возможность решения исходной задачи с использованием муравьиного алгоритма и обобщенного поиска оптимальной группы замкнутых маршрутов. Для многокритериальной оптимизации показана возможность линейной свертки полученного векторного критерия оптимальности за счет введения дополнительных параметров, характеризующих групповое управление: общее КПД функционирования всех роботов, затраты энергии на функционирование группы поддержки и энергия на размещение одного робота на рабочем поле. Для решения задачи распределения заданий с использованием нейронной сети Хопфилда произведено ее представление в виде графа, полученного в ходе перехода от обобщенной задачи поиска оптимальной группы замкнутых маршрутов от одного депо к задаче коммивояжера. Показателем качества выбран суммарный путь, пройденный каждым из роботов группы.
Бесплатно
Бесстрессовый алгоритм управления беговыми платформами на основе нейросетевых технологий
Статья
В статье рассматривается задача прогнозирования скорости человека с использованием нейросетевых технологий и компьютерного зрения для минимизации запаздывания в системах управления беговыми платформами, приводящего к риску для здоровья пользователя. Для ее решения разработан бесстрессовый алгоритм, включающий прогнозирование положения и скорости пользователя на беговой платформе, включающий процедуру расчета скорости беговой платформы на основе анализа положения и характера движения пользователя, схему сбора и обработки данных для обучения нейросетевых методов, процедуру определения необходимого количества прогнозируемых кадров для устранения запаздывания. Научная новизна исследования состоит в разработке алгоритма управления беговыми платформами, объединяющего технологии компьютерного зрения для распознавания модели тела пользователя платформы, нейронные сети и методы машинного обучения для определения итоговой скорости человека на основе объединения данных о положении человека в кадре, текущей и прогнозируемой скорости человека. Предложенный алгоритм реализован с использованием библиотек Python, проведена его апробация в ходе экспериментальных исследований при анализе предшествующих 10 и 15 кадров для прогнозирования 10 и 15 следующих кадров. В результате сравнения алгоритмов машинного обучения (линейная регрессия, дерево решений, случайный лес, многослойные, сверточные и рекуррентные нейронные сети) при различных величинах длин анализируемых и прогнозируемых кадров наилучшую точность при прогнозировании положения показал алгоритм RandomForestRegressor, а при определении текущей скорости – плотные многослойные нейронные сети. Проведены экспериментальные исследования по применению разработанного алгоритма и моделей для определения скорости человека (при прогнозе в диапазоне 10-15 кадров получена точность более 90%), а также по их интеграции в систему управления беговой платформой. Испытания показали работоспособность предложенного подхода и корректность работы системы в реальных условиях. Разработанный алгоритм позволяет не использовать чувствительные к помехам датчики, требующие закрепления на теле человека, а прогнозировать действия пользователя за счет анализа всех точек тела человека для снижения запаздывания в различных человеко-машинных системах.
Бесплатно
Дистанционно управляемый сервисный робот с иммерсивным интерфейсом смешанной реальности
Статья
Сервисные роботы с дистанционным управлением могут выполнять более сложные и точные задачи, поскольку они сочетают в себе навыки робота и человеческий опыт. Связь между оператором и роботом важна для удаленной работы и сильно влияет на эффективность системы. Существует мнение, что улучшение ощущения присутствия оператора также улучшает выполнение задачи. Иммерсивные интерфейсы используются для улучшения опыта удаленной работы, поскольку ощущение присутствия является результатом погружения. Однако задержка или временная задержка могут снизить производительность робота. Временная задержка между входом и визуальной обратной связью сильно влияет на обмен данными между распределенными ведущими и ведомыми системами по сети. Поскольку удаленная визуализация включает в себя передачу большого количества видеоданных, проблема заключается в снижении нестабильности связи. Затем эффективная система дистанционного управления должна иметь подходящий рабочий интерфейс, способный визуализировать удаленную среду, управлять роботом и иметь быстрое время отклика. Эта работа представляет собой разработку системы дистанционного управления сервисным роботом с иммерсивным операционным интерфейсом смешанной реальности, где оператор может визуализировать реальную удаленную среду или виртуальную трехмерную среду, представляющую ее. Виртуальная среда направлена на сокращение задержки при обмене данными за счет уменьшения объема информации, отправляемой по сети, и улучшения взаимодействия с пользователем. Робот может выполнять навигацию и простые задачи автономно или переключаться в дистанционно управляемый режим для более сложных задач. Система была разработана с использованием ROS, UNITY 3D и сокетов для легкого экспорта на различные платформы. Эксперименты показывают, что наличие иммерсивного рабочего интерфейса повышает удобство использования для оператора. Задержка при использовании виртуальной среды увеличивается. Пользовательский опыт улучшается за счет использования техник смешанной реальности; это может привести к более широкому использованию дистанционно управляемых систем сервисных роботов.
Бесплатно
Идентификация нейросетевой модели робота для решения задачи оптимального управления
Статья
Для расчета оптимального управления требуется достоверная математическая модель объекта управления. В дальнейшем при реализации расчетных управлений на реальном объекте эта же модель может быть использована в навигации робота для прогнозирования его положения и корректировки показаний сенсоров, поэтому важно, чтобы модель достаточно адекватно отражала динамику объекта. Вывод модели часто требует значительного времени и иногда даже невозможен с использованием традиционных методов. Ввиду все большего разнообразия и чрезвычайно сложной природы объектов управления, включая разнообразие современных робототехнических систем, все большую актуальность приобретает задача идентификации, которая позволяет построить математическую модель объекта управления, имея входные и выходные данные о системе. Идентификация нелинейной системы представляет особый интерес, так как большинство реальных систем имеют нелинейную динамику. И если раньше идентификация модели системы заключалась в подборе оптимальных параметров для выбранной структуры, то появление современных методов машинного обучения открывает более широкие перспективы и позволяет автоматизировать сам процесс идентификации. В настоящей работе в качестве объекта управления рассматривается колесный робот с дифференциальным приводом в симуляционной среде Gazebo, которая на сегодняшний день является наиболее популярным программным пакетом при разработке и моделировании робототехнических систем. Математическая модель робота заранее неизвестна. Основная проблема заключается в том, что существующие математические модели не соответствуют реальной динамике робота в симуляторе. В работе рассматривается решение задачи идентификации математической модели объекта управления с помощью машинного обучения на основе нейронной сети. Представлен новый смешанный подход, основанный на использовании известных простых моделей объектов и идентификации неучтенных динамических свойств объекта с помощью нейронной сети на основе обучающей выборки. Для формирования обучающих данных был написан программный пакет, автоматизирующий процесс сбора с помощью двух ROS-узлов. Для обучения нейросети использовался фреймворк PyTorch и был создан программный пакет с открытым исходным кодом. Далее идентифицированная модель объекта используется для расчета оптимального управления. Результаты вычислительного эксперимента демонстрируют адекватность и работоспособность полученной модели. Представленный подход на основе комбинации известной математической модели и дополнительной идентифицированной нейросетевой модели позволяет использовать преимущества накопленного физико-математического аппарата и повысить его эффективность и точность за счет использования современных средств машинного обучения.
Бесплатно
Статья
Фотоактивация растений посредством лазерной обработки является перспективным направлением развития современного аграрного производства. Обработка растений излучением с заданными характеристиками стимулирует развитие растений, формирование генеративных признаков и рост урожайности. Для автоматизации процесса фотоактивации больших посевных площадей предложен подход, основанный на использовании специализированной лазерной установки, монтируемой на беспилотный летательный аппарат (БпЛА). При помощи БпЛА можно производить лазерную обработку сельскохозяйственных полей большой площади при минимальных затратах временных и человеческих ресурсов. В работе предложен алгоритм расчета траектории для равномерного покрытия прямоугольного участка земли лазерным излучением с заданными характеристиками. Приводится методика расчета требуемой мощности лазерной установки в зависимости от высоты и времени полета БпЛА. Преимуществом разработанного подхода является его универсальность, поскольку данный подход учитывает характеристики лазерного устройства и может применяться с устройствами различного типа. В зависимости от параметров лазера алгоритм строит такую траекторию для БпЛА, чтобы облучение всходов растений было равномерным на протяжении всего процесса обработки. При проведении полевых экспериментов при движении БпЛА вдоль рассчитанной траектории со скоростью 0,3 м/c время обработки поля длиной в 200 м и шириной 1 м составило 9 мин. Результаты полевых экспериментов показывают, что лазерное облучение для большей части изучаемых культур увеличило урожайность и высоту травостоя (у злаковых – для четырех из шести культур, у бобовых – для четырех из пяти изучаемых культур). Предлагаемый алгоритм построения пути для равномерного лазерного облучения участка учитывает площадь проекции лазерного излучения для обеспечения требуемых характеристик обработки поля.
Бесплатно
Статья
В работе выполнен сравнительный анализ основных функциональных характеристик подводных беспроводных сенсорных сетей (ПБСС) со стационарной и гибридной коммуникационными архитектурами. Указанные ПБСС состоят из сенсорных узлов, расположенных на морском дне и надводных межсредных шлюзов, обеспечивающих передачу информационных пакетов между подводным и надводным сегментами сети. В стационарной ПБСС роль шлюзов выполняют заякоренные буи, в гибридной – мобильные транспортные платформы. С использованием математического аппарата, основанного на вероятностном подходе, проведена оценка функциональных характеристик альтернативных коммуникационных архитектур ПБСС с энергетической точки зрения - определены общие энергетические затраты сети на пересылку сообщений и время жизни сенсоров сети. Для численного анализа функциональных характеристик ПБСС рассмотрены достаточно широкие диапазоны изменения проектных параметров сети, таких как: размер акватории, требуемое количество и варианты размещения сенсорных узлов, вероятность доставки пакета в акватории (физические параметры среды), в которых осуществлялся поиск «оптимального» с энергетической точки зрения решения. Выполненное авторами исследование показывает, что мобильность играет важную роль в повышении качества функционирования подводной сети в аспектах покрытия (обеспечения связности), энергоэффективности и времени жизни. Мобильный элемент в виде волнового глайдера, выполняющий роль межсредного шлюза, способен функционировать в акватории в течение продолжительного времени, что говорит о перспективности его использования для прикладных задач сбора, накопления и ретрансляции информации в рамках интернета подводных вещей.
Бесплатно
Классификация пространственно-временных паттернов на основе нейроморфных сетей
Статья
Эта работа посвящена проблемам разработки нейроморфных классификаторов пространственно-временных паттернов, а также их применению в нейроинтерфейсах для решения задачи управления робототехническими устройствами. Рассматриваются классификаторы пространственно-временных паттернов на основе нейронных сетей, метода опорных векторов, глубоких нейронных сетей, римановой геометрии. Проводится сравнительное исследование этих классификаторов на точность многоклассового распознавания электроэнцефалографических сигналов, показывающих зависимую от времени биоэлектрическую активность в различных зонах мозга при воображении разных движений. Показано, что такие классификаторы могут обеспечить точность 60-80% при распознавании от двух до четырех классов воображаемых движений. Предложен новый тип классификатора на основе нейроморфной сети, биоподобные нейроны которой построены на модели Ижикевича. Исходный электроэнцефалографический сигнал кодируется в импульсные потоки на основе алгоритма временного кодирования. Предложенная нейроморфная сеть обрабатывает импульсные входные последовательности и формирует на выходах импульсные потоки разной частоты. Обучение сети проводится по размеченной информации, содержащей примеры правильного распознавания нужных классов паттернов воображаемых движений с применением алгоритма Supervised STDP. Распознанный класс паттерна воображаемого движения определяется по максимальной частоте импульсного потока выходной последовательности. Нейроморфный классификатор показал среднюю точность классификации 90% для 4-х классов воображаемых двигательных команд, а максимальная точность составила 95%. Путем моделирования задачи управления роботом в виртуальной среде показано, что такая точность классификации достаточна для эффективного применения классификатора в составе неинвазивного интерфейса «мозг-компьютер» при бесконтактном управлении робототехническими устройствами.
Бесплатно
Статья
При решении задачи оптимального управления как прямыми, так и непрямыми подходами основной прием состоит в переводе задачи оптимального управления из класса бесконечномерной оптимизации в конечномерную. Однако при всех этих подходах в результате получается разомкнутое программное управление, чувствительное к неопределенностям, и для реализации которого в реальном объекте необходимо построить систему стабилизации. Введение системы стабилизации изменяет динамику объекта, а значит, оптимальное управление и оптимальная траектория должны рассчитываться для объекта уже с учетом системы стабилизации. В итоге получается, что изначальная задача оптимального управления является сложной, и часто возможность ее решения крайне зависима от типа объекта и функционала, а в случае усложнения объекта за счет введения системы стабилизации сложность задачи значительно увеличивается и применение классических подходов решения задачи оптимального управления оказывается трудоемким или невозможным. В настоящей работе предложен метод синтезированного оптимального управления, который реализует обозначенную логику разработки систем оптимального управления, преодолевая вычислительную сложность поставленной задачи за счет применения современных методов машинного обучения на основе символьной регрессии и эволюционных алгоритмов оптимизации. Согласно подходу сначала строится система стабилизации объекта относительно некоторой точки, а далее положение этой точки равновесия становится параметром управления. Таким образом, удается перевести задачу бесконечномерной оптимизации в задачу конечномерной оптимизации, а именно оптимального расположения точек равновесия. Эффективность подхода продемонстрирована на решении задачи оптимального управления мобильным роботом.
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
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
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
Повышение точности IP-геолокации на основе данных, предоставляемых открытыми IP-геосервисами
Статья
IP-геолокация – это процесс определения реального географического положения электронного устройства, подключенного к сети Интернет, по его глобальному сетевому адресу [1]. В настоящее время она нашла широкое применение в интернет-торговле, маркетинге и рекламе, информационной безопасности [2] и других направлениях человеческой деятельности. Применяются различные подходы к определению местоположения удаленного сетевого устройства, различающиеся как по типу анализируемой информации (задержка передачи пакетов, ресурсные записи DNS-серверов, контент веб-страниц), так и по выдаваемому результату (название страны или города, почтовый адрес, вероятная зона расположения или точные координаты) [3, 4]. Ошибка IP-геолокации зависит от страны расположения устройства, плотности населения, типа сетевого устройства и лежит в пределах от нескольких десятков метров до сотен километров. При этом для одних и тех же входных данных результаты разных IP-геосервисов могут различаться значительно. Объектом данного исследования выступают общедоступные IP-геосервисы, предоставляющие услуги по IP-геопривязке узлов глобальной сети на основе их IP-адресов, а именно – их точность и полнота. Выборка IP-геосервисов для тестирования были сформирована из числа наиболее популярных [5]. При проведении исследования результаты IP-геолокации сравнивались с достоверными сведениями о расположении некоторых IP-адресов, в качестве показателей точности использовались страна, город и географические координаты. На основе сравнительного анализа результатов тестирования были сделаны выводы о точности IP-геосервисов по выбранным показателям, их существенных свойствах, а также о зависимости ошибки геолокации от размера населенного пункта. Для повышения точности IP-геопривязки авторами предложен ансамблевый метод усреднения координат, полученных от нескольких IP-геосервисов.
Бесплатно
Статья
Для решения задач наблюдения за обстановкой на водной поверхности, примыкающей к приграничным районам суши, используют загоризонтные радиолокационные средства поверхностной волны. Основным достоинством указанных средств является возможность обнаружения надводных объектов за пределами оптического горизонта за счет распространения электромагнитной волны вдоль морской поверхности в дифракционной зоне. Однако точностные характеристики подобных наблюдений оказываются крайне низкими в силу малых отношений сигнал/шум отраженного сигнала, которые обусловлены, в свою очередь, широкой диаграммой направленности существующих антенных систем. Это приводит к превалированию в облученной области отражения от фона над радиоэхом лоцируемого объекта. По этой же причине оказываются необнаруживаемыми неподвижные цели, по которым отсутствует доплеровский сдвиг частот в спектре отраженного сигнала. Единственным способом увеличения отношения сигнал/шум является сужение диаграммы направленности (увеличение коэффициента направленного действия антенной системы). Предлагается решение поставленной задачи по пути последовательного накапливания отраженных сигналов и их суммирования по принципу оптимизационного подбора фазовых соотношений для соседних импульсов (синтезируемых апертур), которые соответствуют эвентуальному фронту электромагнитных волн, сфокусированному в направлении гипотетической цели. Решение данной задачи позволит существенно сузить диаграмму направленности антенны, что открывает возможности устранения влияния фона за счет радикального уменьшения площади облучаемой поверхности в процессе фокусировки луча при синтезировании виртуальной апертуры. При этом нет необходимости в изменении конструкции антенных решеток. Выполнено компьютерное моделирование синтезированной антенной решетки и построена ее диаграмма направленности. Проведена количественная оценка степени повышения углового разрешения по сравнению с потенциально возможным, определенным по критерию Релея. Данное обстоятельство поз воляет рассмотреть возможность использования береговых загоризонтных радиолокационных станций поверхностной волны для обнаружения «невидимых» существующими локаторами неподвижных объектов.
Бесплатно
