Устройство управления автономным мобильным роботом

Полезная модель относится к области робототехники и предназначена для планирования локальных траекторий движения робота по критерию безопасности. Указанный технический результата достигается тем, что устройство управления автономным мобильным роботом содержит блок сенсорных датчиков, блок формирования модели внешней среды, вычислительный блок, m-стабильный триггер, блок исполнительных устройств, причем вычислительный блок содержит матрицу ключевых элементов с конфигурируемой задержкой, а блок формирования модели внешней среды содержит управляющую электронно-вычислительную машину и блок формирования коэффициентов задержки, который состоит из матрицы элементов дистантного преобразования. 3 илл.

Полезная модель относится к области робототехники и предназначена для управления движением робота, обладающего свойствами искусственного интеллекта.

Известно устройство позиционно-траекторного управления мобильным роботом (см. патент РФ 2185279 МПК 7, G05B 19/19, B25J 9/18, опубл. 20.07.2002 по заявке 2001123324/09 от 20.08.2001, патентообладатель Таганрогский государственный радиотехнический университет), содержащее механическую систему робота, исполнительные устройства, блок датчиков внутренней информации, сенсорную подсистему, блок планирования перемещений в пространстве внешних координат, блок вычисления вектора нелинейных элементов, блок вычисления матрицы коэффициентов управления, блок вычисления производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внешних координат, блок вычисления производной вектор-столбца внешних скоростей по вектор-строке внутренних координат, блок вычисления вектора внешних скоростей, три блока умножения на два, шестнадцать блоков перемножения, двенадцать блоков суммирования, блок обращения матрицы, три блока транспонирования матриц.

Достоинством данного устройства позиционно-траекторного управления мобильным роботом является то, что обеспечивается автоматическое достижение целевого объекта.

Общим признаком, совпадающим с признаком заявляемой полезной модели, является блок исполнительных устройств (в аналоге - это исполнительные устройства).

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, является необходимость в наличии априорной информации о геометрии объектов-препятствий для формирования оптимальной траектории их объезда и сложность реализации режима функционирования в условиях внешней среды с высокой динамикой изменений.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство управления адаптивным мобильным роботом (см. патент РФ 2187832, МПК 7, G05D 1/02, G06F 19/00, G06F 165:00, опубл. 20.08.2002 г. по заявке 2000127281/09 от 30.10.2000, патентообладатель Таганрогский государственный радиотехнический университет), содержащее блок сенсорных датчиков, выходы которого соединены со входами блока формирования модели внешней среды, выходы которого подключены к первым входам вычислительного блока, вторые входы которого связаны со вторыми выходами блока исполнительных устройств, а выходы подключены ко входам m-стабильного триггера, схему сравнения, блок задания движения, блок задания констант, блок регулирования, блок определения координат робота, блок датчиков внутренней информации.

Достоинством данного устройства является то, что обеспечивается автоматическое достижение целевого объекта.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого технического решения, следующие: блок исполнительных устройств, блок сенсорных датчиков, выходы которого соединены со входами блока формирования модели внешней среды, первые выходы которого соединены с первыми входами вычислительного блока, выходы которого соединены со входами m-стабильного триггера.

Недостатком устройства является необходимость в наличии априорной информации о геометрии объектов-препятствий для формирования оптимальной траектории их объезда и сложность реализации режима функционирования в условиях внешней среды с высокой динамикой изменений.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата является то, что используется нейросетевой планировщик траектории движения к цели лишь для определения направления прямолинейной траектории движения (в отсутствии препятствий) и определения момента переключения с криволинейной на прямолинейную траекторию, синтезируемую регулятором. Таким образом, в режиме воспроизведения локальных криволинейных траекторий объезда препятствий, находящихся по курсу движения, регулятор траектории обеспечивает выполнение критерия безопасности, однако глобальное планирование траектории в данном режиме, по-сути не осуществляется.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании устройства управления автономным мобильным роботом, выполняющего функции планирования траектории движения с оптимизацией по критерию безопасности, позволяющего роботу передвигаться в априори неформализованной динамически изменяющейся среде.

Технический результат, обеспечиваемый при реализации заявляемого технического решения, заключается в снижении вероятности столкновения с объектами-препятствиями в процессе маневрирования за счет оптимизации траектории, синтезируемой нейросетевым планировщиком, по критерию безопасности.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что для реализации учета критерия безопасности при планировании траектории используется алгоритм воспроизведения в матрице ключевых элементов отталкивающих регрессивных квазиполей объектов-препятствий, выраженных в терминах коэффициентов задержки волны возбуждения, воспроизводимой ключевыми элементами [Чернухин Ю.В., Бутов П.А., Доленко Ю.С. Оптимизация нейросетевого подхода методом поля потенциалов в задаче навигации автономных интеллектуальных мобильных роботов // Материалы XVI Международной конференции по нейрокибернетике. Том 2. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2012].

Для этого в устройстве управления автономным мобильным роботом, содержащее блок исполнительных устройств, блок сенсорных датчиков, выходы которого соединены со входами блока формирования модели внешней среды, первые выходы которого соединены с первыми входами вычислительного блока, выходы которого соединены со входами m-стабильного триггера, вычислительный блок содержит матрицу ключевых элементов с конфигурируемой задержкой, блок формирования модели внешней среды содержит управляющую электронно-вычислительную машину, входы которой являются входами блока формирования модели внешней среды и блок формирования коэффициентов задержки, который состоит из матрицы элементов дистантного преобразования, входы которой являются входами блока формирования коэффициентов задержки и служат для соединения через шину адреса, данных и управления с первыми выходами управляющей электронно-вычислительной машины, вторые выходы которой являются первыми выходами блока формирования модели внешней среды и служат для соединения через шину адреса, данных и управления с первыми входами вычислительного блока, которые являются первыми входами матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой, вторые входы которой являются вторыми входами вычислительного блока и служат для соединения через шину загрузки коэффициентов задержки со вторыми выходами блока формирования модели внешней среды, которые являются соответственно выходами блока формирования коэффициентов задержки и выходами матрицы элементов дистантного преобразования через шину загрузки коэффициентов задержки, причем выходы вычислительного блока являются выходами матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой, которые служат для соединения через шину подключения с входами m-стабильного триггера, выходы которого соединены со входами блока исполнительных устройств.

Вариант исполнения структурной схемы устройства управления автономным мобильным роботом представлен на фиг. 1 в качестве примера, на фиг. 2 приведена примерная схема матрицы элементов дистантного преобразования, на фиг. 3 приведена примерная схема матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой.

Устройство управления автономным мобильным роботом содержит, блок сенсорных датчиков 1, блок формирования модели внешней среды 2, вычислительный блок 3, m-стабильный триггер 4, блок исполнительных устройств 5, причем блок формирования модели внешней среды 2 содержит управляющую электронно-вычислительную машину 6 и блок формирования коэффициентов задержки 7, который состоит из матрицы элементов дистантного преобразования 8, вычислительный блок 3 содержит матрицу ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9.

Выходы блока сенсорных датчиков 1 соединены со входами 2₃ блока формирования модели внешней среды 2, первые 2₁ выходы которого соединены с первыми 3₁ входами вычислительного блока 3, выходы 3₃ вычислительного блока 3 соединены со входами m-стабильного триггера 4, вычислительный блок 3 содержит матрицу ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9, блок формирования модели внешней среды 2 содержит управляющую ЭВМ 6 и блок формирования коэффициентов задержки 7, входы 6₃ управляющей ЭВМ 6 являются входами 2₃ блока формирования модели внешней среды, блок формирования коэффициентов задержки 7 состоит из матрицы элементов дистантного преобразования 8, входы 8₁ которой являются входами 7₁ блока формирования коэффициентов задержки 7 и служат для соединения через шину адреса, данных и управления 10 с первыми 6₁ выходами управляющей ЭВМ 6, вторые 6₂ управляющей ЭВМ 6 являются первыми 2₁ выходами блока формирования модели внешней среды 2 и служат для соединения через шину адреса, данных и управления 10 с первыми 3₁ входами вычислительного блока 3, которые являются первыми 9₁ входами матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9, вторые 9₂ входы матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9 являются вторыми 3₂ входами вычислительного блока 3 и служат для соединения через шину загрузки коэффициентов задержки 11 со вторыми 2₂ выходами блока формирования модели внешней среды 2, которые являются соответственно выходами 7₂ блока формирования коэффициентов задержки 7 и выходами 8₂ матрицы элементов дистантного преобразования 8 через шину загрузки коэффициентов задержки 11, выходы 3₃ вычислительного блока 3 являются выходами 9₃ матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9, выходы 9 ₃ служат для соединения через шину подключения 12 с входами 4₁ m-стабильного триггера 4, выходы которого соединены со входами 5₁ блока исполнительных устройств 5.

Устройство управления автономным мобильным роботом работает следующим образом.

Блок сенсорных датчиков 1 формирует сигналы, которые характеризуют внешнюю среду в данный момент времени, и передает их на входы блока формирования модели внешней среды 2.

Блок формирования модели внешней среды 2 посредством управляющей ЭВМ 6 и блока формирования коэффициентов задержки 7 формирует дискретный план внешней среды и массив коэффициентов задержки волны возбуждения для данного плана соответственно.

Управляющая ЭВМ 6 выполняет следующие функции: формирование дискретного плана внешней среды, загрузку через шину адреса, данных и управления 10 дискретного плана внешней среды в матрицу элементов дистантного преобразования 8, загрузку через шину адреса, данных и управления 10 дискретного плана внешней среды в вычислительный блок 3, управление через шину адреса, данных и управления 10 запуском/остановом вычислений, производящихся в матрице элементов дистантного преобразования 8 и в вычислительном блоке 3, анализ данных, полученных m-стабильным триггером 4 и синтез на их основе управляющих команд для блока исполнительных устройств 5. Дискретный план внешней среды формируется управляющей ЭВМ 6 на основе сенсорной информации, получаемой от блока сенсорных датчиков 1, и представляет собой двухмерный массив, каждый элемент которого определяется состоянием соответствующего ему дискретного участка внешней среды и в соответствии с этим может содержать код одного из трех состояний: целевой участок, проходимый участок, запрещенный для движения участок (содержит препятствие).

Матрица элементов дистантного преобразования 8 (см. фиг. 2) посредством параллельной итерационной процедуры решает задачу формирования регрессивных отталкивающих квазиполей объектов-препятствий, выраженных в виде массива коэффициентов задержки волны возбуждения для матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9 вычислительного блока 3, за max(m,n) итераций для дискретного плана внешней среды, размерами m×n дискретных участков.

Каждому элементу дистантного преобразования (ЭДП) матрицы элементов дистантного преобразования 8 (см. фиг.2) с индексом mn соответствует участок дискретного плана P внешней среды с индексом mn. Каждый из элементов Mmn матрицы элементов дистантного преобразования 8 соединен с выходами четырех соседних и вычисляет приведенную ниже функцию:

,

,

где i-номер текущей итерации, z _max - максимальное значение коэффициента задержки волны возбуждения, k - коэффициент, определяющий скорость регрессии отталкивающих квазиполей объектов-препятствий.

Выход каждого элемента дистантного преобразования с индексом mn матрицы элементов дистантного преобразования 8 блока формирования коэффициентов задержки 7 соединяется со входом соответствующего ему ключевого элемента с конфигурируемой задержкой (КЭКЗ) с индексом mn матрицы ключевых элементы с конфигурируемой задержкой 9 (см. фиг. 3) вычислительного блока 3 посредством шины загрузки коэффициентов задержки 11.

Вычислительный блок 3 воспроизводит в состояниях ключевых элементов с конфигурируемой задержкой матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9 дискретный план внешней среды и соответствующие данному плану коэффициенты задержки волны возбуждения, формируемые блоком формирования модели внешней среды 2, и в соответствии с бионическим методом адаптивного управления [Чернухин Ю.В. Нейропроцессорные сети - М.: Изд-во ТРТУ, 1999] воспроизводит в матрице ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9 волновую процедуру синтеза всех возможных гипотез движения робота к целевому объекту.

Каждый из элементов матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9 соединен с выходами четырех соседних и вычисляет приведенную ниже функцию:

,

где z - количество итераций задержки волны возбуждения, - период тактирующего сигнала, A - сигнал, определяющий целевое состояние ключевого элемента с конфигурируемой задержкой (КЭКЗ), B - сигнал, определяющий запрещенное состояние КЭКЗ, L - множество соседних КЭКЗ, соединенных с данным (см. фиг 3), y - выходные значения КЭКЗ, соединенных с данным, символ определяет функцию логического «ИЛИ», символ определяет функцию логического «И», символ «линия сверху» (надчеркивание) определяет функцию логического «НЕ». Количество итераций задержки волны возбуждения z для данного КЭКЗ определяется коэффициентом задержки волны возбуждения для данного КЭКЗ, формируемым матрицей элементов дистантного преобразования 8 блока формирования модели внешней среды 2 и загружаемым посредством шины 11. Сигналы A и B определяются кодом функционального состояния дискретного участка плана внешней среды, соответствующего данному КЭКЗ, формируемого управляющей ЭВМ 6 блока формирования внешней среды 2 и загружаемого в КЭКЗ посредством шины 10.

m-стабильный триггер 4 в соответствии с бионическим методом адаптивного управления решает задачу фиксации направления антиградиента фронта волны возбуждения, распространяющейся внутри матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9 вычислительного блока 3 и формирования кода направления единичного перемещения, загружаемого в блок исполнительных устройств 5. Для этого выходы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой n-ой строки матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой 9 вычислительного блока 3 соединяются со входами m-стабильного триггера. В свою очередь, m-стабильный триггер фиксирует номер входа, на который раньше всего приходит единичное значение и преобразует его в код направления единичного перемещения, m-стабильный триггер работает в соответствии с логической функцией, приведенной ниже:

; S=1, 2, , n,

где x_s - выход m-стабильного триггера, y_s - вход m-стабильного триггера, - период тактирующего сигнала.

Блок исполнительных устройств 5 вырабатывает управляющие воздействия для движителей робота в соответствии с полученным от m-стабильного триггера 4 кодом направления вектора единичного перемещения.

Устройство управления автономным мобильным роботом, содержащее блок исполнительных устройств, блок сенсорных датчиков, выходы которого соединены со входами блока формирования модели внешней среды, первые выходы которого соединены с первыми входами вычислительного блока, выходы которого соединены со входами m-стабильного триггера, отличающееся тем, что вычислительный блок содержит матрицу ключевых элементов с конфигурируемой задержкой, блок формирования модели внешней среды содержит управляющую электронно-вычислительную машину, входы которой являются входами блока формирования модели внешней среды и блок формирования коэффициентов задержки, который состоит из матрицы элементов дистантного преобразования, входы которой являются входами блока формирования коэффициентов задержки и служат для соединения через шину адреса, данных и управления с первыми выходами управляющей электронно-вычислительной машины, вторые выходы которой являются первыми выходами блока формирования модели внешней среды и служат для соединения через шину адреса, данных и управления с первыми входами вычислительного блока, которые являются первыми входами матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой, вторые входы которой являются вторыми входами вычислительного блока и служат для соединения через шину загрузки коэффициентов задержки со вторыми выходами блока формирования модели внешней среды, которые являются соответственно выходами блока формирования коэффициентов задержки и выходами матрицы элементов дистантного преобразования через шину загрузки коэффициентов задержки, причем выходы вычислительного блока являются выходами матрицы ключевых элементов с конфигурируемой задержкой, которые служат для соединения через шину подключения с входами m-стабильного триггера, выходы которого соединены со входами блока исполнительных устройств.