Повышение эффективности систем дистанционного управления наземными мобильными роботами в условиях временных задержек передачи информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Попов Дмитрий Сергеевич

• Попов Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Попов Дмитрий Сергеевич

Введение

1 Эффективность систем дистанционного управления

1.1 Анализ применяемых систем дистанционного управления

1.2 Обзор известных путей повышения эффективности систем управления

1.3 Выводы и постановка задач

2 Повышение эффективности систем дистанционного управления

2.1 Временные задержки в каналах передачи информации

2.2 Метод компенсации задержек на основе корректировки команд оператора

2.3 Метод компенсации задержек на основе корректировки визуальной информации

2.4 Выводы

3 Экспериментальные исследования методов компенсации временных задержек

3.1 Метод оценки эффективности систем управления

3.2 Имитационное моделирование в пакете MATLAB

3.3 Натурные эксперименты с реальным роботом

3.4 Имитационное моделирование на основе платформы Unity

3.5 Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А (справочное) Акт о внедрении результатов диссертационной

работы

Введение

Актуальность темы исследования

Наземные мобильные роботы для экстремальных условий по мере развития техники получают всё более широкое применение. Несмотря на распространение автономных интеллектуальных систем управления, для реально применяемых робототехнических комплексов не теряет значимости и востребованности режим дистанционного управления с использованием видеокамер, установленных непосредственно на роботе.

Многочисленные опубликованные в России и за рубежом данные, а также опыт разработки систем управления в федеральном государственном автономном научном учреждении «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики» (ЦНИИ РТК) свидетельствуют о ключевой роли временных задержек передачи информации в эффективности систем дистанционного управления. Когда задержки постоянны во времени и достаточно малы (экспериментальные данные определяют порог в пределах от 200 до 400 мс), оператор быстро к ним адаптируется, предсказывая результат выполнения своих команд. При задержках, больших по величине или непостоянных во времени, оператор, чрезмерно корректируя скорость и направление движения робота, начинает формировать ошибочные команды, что приводит к увеличению траекторной ошибки и времени выполнения задачи.

Особенно остро эта проблема проявляется при работе в сложной помеховой обстановке и использовании топологий сетей передачи данных, основанных на ретрансляции, включая сети с ячеистой топологией и управление через Интернет.

Степень разработанности темы исследования

Большое количество опубликованных работ по дистанционному управлению робототехническими системами в условиях задержек посвящены

задачам манипулирования (работы R. J. Anderson, M. W. Spong, D. J. Lee, G. Niemeyer, J. E. Slotine, Ф.М. Кулакова).

С большими по величине задержками передачи информации сталкиваются разработчики систем управления планетоходами для исследования Луны и Марса. В этом случае задача решается применением принципов супервизорного управления и телепрограммирования, что обуславливает крайне низкую скорость движения роботов.

В работах M. Lienkamp, M. J. Brudnak, K. McDowell рассматриваются методы управления в условиях задержек быстродвижущимися беспилотными транспортными средствами. Эти технические решения используют для прогнозирования состояния сложные модели динамики, значительно отличающиеся от динамики наземных мобильных роботов для экстремальных условий применения.

Публикаций, посвящённых управлению в условиях наличия временных задержек мобильными роботами, значительно меньше (V. A. Mut, E. Slawiñski, M. W. Spong и D. J. Lee, A. R. Angeles). Известные способы компенсации задержек используют органы управления с силомоментным очувствлением, которые сложно разместить в составе малогабаритных полевых пультов управления, или опираются на информацию о препятствиях перед роботом, что часто неприменимо в реальной обстановке в условиях неструктурированной окружающей среды.

В данной работе исследуются вопросы эффективности систем дистанционного управления в условиях неструктурированной окружающей среды и предлагаются методы компенсации задержек передачи информации, применимые для используемых на практике наземных робототехнических комплексов.

Цель и задачи работы

Целью настоящей работы является повышение эффективности систем дистанционного управления наземными мобильными роботами в составе

робототехнических комплексов за счёт компенсации временных задержек в каналах передачи информации.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведён анализ применяемых на практике систем дистанционного управления наземными мобильными роботами и известных путей повышения их эффективности в условиях наличия временных задержек в каналах передачи информации.

2. Разработаны методы компенсации временных задержек, позволяющие повысить эффективность систем дистанционного управления, основанные на двух подходах - корректировке команд оператора и корректировке визуальной информации, предоставляемой оператору в процессе управления.

3. Предложен метод экспериментальной оценки эффективности систем дистанционного управления, с его помощью с применением имитационного моделирования и натурных экспериментов проведены исследования, подтверждающие работоспособность и эффективность предложенных методов компенсации временных задержек.

Объектом исследования является система дистанционного управления наземным мобильным роботом.

Предметом исследования являются методы повышения эффективности системы дистанционного управления за счёт компенсации временных задержек в каналах передачи информации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан новый метод компенсации задержек передачи информации, основанный на автоматической корректировке команд оператора с целью обеспечения движения робота в заданном направлении.

2. Разработан новый метод компенсации задержек передачи информации, основанный на предоставлении оператору в режиме дополненной реальности данных о прогнозируемом положении робота и учитывающий разницу в величинах задержек передачи видео и телеметрии.

3. Предложен метод сравнительной оценки эффективности систем дистанционного управления, позволяющий объединить экспериментально получаемые данные о времени движения по заданной эталонной траектории, максимальном и интегральном отклонениях реальной траектории от эталонной.

Теоретическая значимость исследования

1. Методы компенсации задержек передачи информации могут быть использованы при разработке новых способов повышения эффективности систем управления в составе перспективных робототехнических комплексов водной, воздушной и космической сред базирования.

2. Результаты проведённого анализа свойств, причин и источников возникновения задержек передачи информации могут быть использованы в дальнейших разработках и исследованиях систем дистанционного управления различными роботами, включая манипуляционные.

Практическая значимость исследования

1. Разработанные методы компенсации временных задержек могут быть использованы как при разработке новых систем дистанционного управления наземными мобильными роботами, так и при модернизации существующих, в ситуациях, когда нет возможности снизить задержки до приемлемых значений.

2. Предложенный метод оценки эффективности систем дистанционного управления позволяет сравнивать различные технические решения и выбирать наиболее подходящие с учётом характера выполняемых мобильными роботами задач. Метод может быть использован при исследовании систем управления в различных условиях, в том числе для оценки способов поддержки оператора, эргономики пультов управления, качественных характеристик и оптимальных мест размещения видеокамер.

3. Разработанная компьютерная имитационная модель позволяет проводить экспериментальные исследования алгоритмов управления и может быть применена на различных этапах проектирования и разработки наземных мобильных робототехнических комплексов.

Методы исследования

При решении поставленных задач были использованы:

- методы математического моделирования;

- имитационное моделирование в пакете MATLAB;

- имитационное моделирование с помощью программного обеспечения на базе платформы Unity;

- натурные экспериментальные исследования с помощью системы захвата движения, использованные, в том числе, для подтверждения адекватности разработанной имитационной модели.

Обработка полученных результатов исследований осуществлялась с применением методов математической статистики, был использован пакет MATLAB, а также специально разработанное на языке Python программное обеспечение.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод компенсации задержек передачи информации, основанный на корректировке полученных команд задания угловой скорости робота, позволяющий уменьшить траекторную ошибку, увеличить среднюю скорость движения и повысить эффективность системы дистанционного управления.

2. Метод компенсации задержек передачи информации, основанный на предоставлении оператору в режиме дополненной реальности данных о прогнозируемом положении робота, позволяющий уменьшить траекторную ошибку, увеличить среднюю скорость движения и повысить эффективность системы дистанционного управления.

3. Метод оценки эффективности системы дистанционного управления наземным мобильным роботом, обеспечивающий возможность сравнения различных вариантов её реализации и выбора наиболее подходящего варианта для решения задачи управления роботом в условиях наличия задержек передачи информации.

4. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие повышение эффективности систем дистанционного управления при использовании предложенных методов компенсации задержек передачи информации.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается:

- корректным применением методов обработки данных с использованием математической статистики и современных пакетов программного обеспечения;

- многоступенчатым подходом к проведению экспериментальных исследований, включающим в себя последовательное сравнение результатов проверок предложенных методов и алгоритмов с помощью:

а) имитационного моделирования на основе пакета MATLAB в режиме автоматического управления;

б) имитационного моделирования на основе пакета MATLAB в режиме управления оператором;

в) проведения натурных экспериментов с реальным образцом робототехнического комплекса;

г) имитационного моделирования на основе разработанного программного обеспечения на платформе Unity.

- проведённой проверкой адекватности использованной модели на основе платформы Unity с помощью натурных экспериментов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности систем дистанционного управления наземными мобильными роботами в условиях временных задержек передачи информации»

Апробация работы

Положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 2019, 2020, 2021, 2022 годы), на десятой всероссийской мультиконференции по проблемам управления (Дивноморское, 2017 год), на заседаниях научно-технического совета ЦНИИ РТК.

Отдельные результаты диссертационного исследования отражены в депонированных отчетах по научно-исследовательским работам ЦНИИ РТК.

По результатам работы получено два патента РФ на изобретения и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Получен акт о внедрении результатов диссертационной работы в процесс разработки перспективных наземных робототехнических комплексов в ЦНИИ РТК.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в восьми печатных работах, в числе которых две статьи в изданиях, включенных в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК, одна статья в издании, входящем в ядро РИНЦ и RSCI, пять публикаций в сборниках материалов научно-технических конференций.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Содержание диссертации соответствует следующим направлениям исследования паспорта специальности 2.5.4. Роботы, мехатроника и робототехнические системы:

- п. 4. Математическое и полунатурное моделирование мехатронных и робототехнических систем, включая взаимодействие со средой, анализ их характеристик, оптимизация и синтез по результатам моделирования.

- п. 5. Методы, алгоритмы, программные и аппаратные средства управления роботами, робототехническими и мехатронными системами, включая адаптивное, оптимальное, распределенное, интеллектуальное и супервизорное управление.

- п. 7. Методы экспериментального исследования, создания прототипов и экспериментальных стендов и модульных платформ для разработки роботов, робототехнических и мехатронных систем.

- п. 10. Интерфейсы и методы взаимодействия человека с роботами. Методы эффективной и безопасной совместной работы человека и роботов. Коллаборативные роботы.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературы, списка иллюстративного материала и одного приложения. Содержание работы изложено на 152 страницах, включает 54 рисунка и 21 таблицу. Библиографический список насчитывает 103 наименования.

1 Эффективность систем дистанционного управления 1.1 Анализ применяемых систем дистанционного управления

Объектом исследования в работе является система дистанционного управления наземным мобильным роботом в составе робототехнического комплекса (далее - СДУ). Для изучения вопросов, связанных с повышением эффективности, целесообразно рассмотреть состав, особенности построения и задачи, решаемые такими системами.

Наземные мобильные робототехнические комплексы

В настоящее время рынок сервисной робототехники стремительно развивается. Наиболее распространенную категорию представляют наземные мобильные робототехнические комплексы (далее - МРК), включающие, в том числе, комплексы для экстремальных условий применения. Их основное назначение - работа в опасных для жизни человека условиях. Такие МРК решают чрезвычайно широкий круг задач в условиях неструктурированной окружающей среды, среди которых можно выделить [1]:

- транспортные;

- инспекционные, включая контроль и диагностику;

- разведывательные;

- манипуляционные, включая применение различных инструментов;

- строительные;

- спасательные;

- военные;

- специальные.

Несмотря на то, что в настоящее время всё большее значение приобретает автономное управление, режим дистанционного управления по-прежнему сохраняет свою значимость и высокую востребованность. В работах [2; 3; 4] отмечено, что такой режим наилучшим образом подходит для выполнения задач в

сложных и непредсказуемо изменяющихся условиях. При этом могут использоваться различные архитектуры систем дистанционного управления, основными из которых являются [5]:

- прямое телеуправление, иногда называемое телеуправлением без поддержки. В этом случае оператор самостоятельно выполняет все основные аспекты поставленной задачи, без какой-либо автоматизированной помощи;

- телеуправление с поддержкой. В такой архитектуре системы управления робот помогает оператору в реализации некоторых отдельных действий;

- супервизорное управление. В этой архитектуре робот выполняет все аспекты задачи, в то время как оператор постоянно следит за процессом и по мере необходимости устанавливает новые цели.

В настоящей работе рассматриваются первые два подхода, ключевой особенностью которых является постоянное непосредственное участие оператора.

В общем случае в составе робототехнического комплекса можно выделить мобильный робот (далее - МР), навесное оборудование и пульт дистанционного управления (далее - ПДУ), объединённые каналом связи (рисунок 1).

Рисунок 1 - Состав мобильного робототехнического комплекса

Примеры некоторых зарубежных и отечественных наземных МРК представлены в таблице 1 [6].

Таблица 1 - Примеры МРК и их характеристики

МРК Масса МР Дальность связи Канал связи Макс. скорость Оборудование и особенности

МРК сверхлегкого типа (до 100 кг)

Iris, Robo-team (Израиль) [7] 1,85 кг 200 м - 1,1 м/с Видеокамеры, микрофон, подсветка. Сменное навесное оборудование

110 FirstLook, iRobot (США) [8] 2,4 кг 200 м 2,4 ГГц / 4,9 ГГц mesh-сеть 1,5 м/с Видеокамеры, микрофон, подсветка. Возможность работы в режиме ретранслятора для других МР

Nerva LG, Nexter (Франция) [9] íESt 4,5 кг 3001000 м 2,4 ГГц 3,6 м/с Видеокамеры, модуль автономной навигации, функция автовозврата

Скарабей, АО «CET-1» (Россия) [10] «¡9 4,7 кг 300 м 1,3-1,4 ГГц 917 МГц 1,9 м/с Видеокамеры, микрофон, подсветка

Капитан, ЦНИИ РТК (Россия) [11] 35 кг 300 м (кабель) 5001000 м (радио) 1,3-1,4 ГГц 917 МГц 1,5 м/с Сменное навесное оборудование, видеокамеры, микрофон, подсветка

МРК-15М, ООО «СКТБ ПР» (Россия) [12] 80 кг 135 м (кабель) 1000 м (радио) - 1,5 м/с Сменное навесное оборудование, видеокамеры, микрофон, подсветка

Таблица 1 (продолжение)

МРК Масса МР Дальность связи Канал связи Макс. скорость Оборудование и особенности

МРК легкого типа (от 100 до 1000 кг)

RMI-9XD, Pedsco Ltd. (Канада) [13]

176 кг

200 м (кабель) 1000 м (радио)

2,4 ГГц 700 МГц

0,8 м/с

Сменное навесное оборудование, видеокамеры, микрофон, подсветка

МРК-28, ООО «СКТБ ПР» (Россия) [12]

270 кг

200 м (кабель) 1000 м (радио)

1,0 м/с

Сменное навесное оборудование, видеокамеры, микрофон, подсветка

tEODor EVO, AeroVironment (США) [14]

383 кг

mesh-сеть

0,8 м/с

Большой ассортимент сменного навесного оборудования, видеокамеры, микрофон, подсветка

aunav.NEXT, aunav (Испания) [15]

495 кг

7003000 м

1,1 м/с

Навигационная система (следование за объектом, объезд препятствий, функция автовозврата), видеокамеры

Как видно из приведённых примеров, современный рынок наземных мобильных роботов достаточно разнообразен. В настоящей работе рассматриваются малогабаритные МРК сверхлёгкого и лёгкого типов в соответствии с классификацией, приведённой в стандарте ГОСТ Р 22.9.22-2014 [16]. Средний тип (весом от 1 до 20 тонн) и тяжёлый тип (весом свыше 20 тонн), относящийся к классу технологических комплексов, значительно отличаются по своим характеристикам и способам применения.

Большая часть мобильных роботов имеет гусеничные или колёсные дифференциальные приводы. Средняя скорость движения невелика и составляет от 0,8 до 1,5 м/с, лишь некоторые отдельные образцы способны двигаться заметно быстрее, свыше 3 м/с, что обусловлено их функциональным назначением.

Практически все мобильные роботы комплектуются видеокамерами, потоковое видео от которых транслируется на пульт. Оператор, основываясь на этой информации, управляет роботом с помощью органов ручного управления, таких как джойстики и кнопки.

Максимальная дистанция работы канала управления и передачи данных во многом определяет функциональные возможности комплекса. Дальность управления роботом по радиоканалу определяется типом приёмопередатчиков и антенно-фидерных устройств и составляет, в среднем, от сотен метров до единиц километров без применения ретрансляторов. Дальность в условиях прямой радиовидимости обычно в два-три раза превышает дальность управления в условиях городской застройки и аналогичных препятствий. Значительная часть наземных МРК оборудуется, в дополнение к радиоканалу, кабельной линией связи. Максимальная дистанция в этом случае определяется типом кабеля, количеством кабельных катушек (чаще всего одна на роботе, одна у пульта управления), допустимыми габаритными размерами, наличием кабелеукладчика и составляет от 100 до 300 метров. Ряд робототехнических комплексов оборудуется каналами радиосвязи, поддерживающими сети с ячеистой топологией (mesh-сети), значительно расширяющими возможности их применения, но и несущими

определённые новые ограничения. Особенности применения различных каналов передачи информации играют важную роль и будут рассмотрены далее.

В последнее время большое внимания уделяется повышению автономности роботов, необходимому для снижения требований к качеству и надёжности канала связи, повышения надёжности и живучести комплекса. Однако разместить в составе малогабаритного мобильного робота полноценную навигационную систему, включающую высокопроизводительные вычислители со специализированным программным обеспечением, лидары, стереокамеры, приёмники GPS/ГЛОНАСС, представляется возможным далеко не всегда. Во многих случаях разработчики ограничиваются так называемым «модулем автовозврата», обеспечивающим автоматическое движение робота по пройденному маршруту в обратном направлении в случае потери связи, например, при заезде в зону радиотени.

Системы дистанционного управления

Систему дистанционного управления так же структурно можно разделить на три основные части:

- бортовая система управления;

- канал управления и передачи данных;

- пульт дистанционного управления.

Бортовые системы дистанционного управления

Бортовую систему управления можно рассматривать как комплекс, состоящий из следующих основных структурных элементов:

- система управления движением мобильного робота;

- система управления навесным оборудованием;

- комплекс видеосредств, обеспечивающих телеуправление;

- комплекс приёма и передачи информации;

- система энергообеспечения;

- система самодиагностики.

Пример схемы бортовой системы управления приведён на рисунке 2.

Рисунок 2 - Пример схемы бортовой системы управления

На схеме система управления движением мобильного робота представлена вычислителем и приводами, включающими драйверы моторов и датчики. Система управления навесным оборудованием объединяет приводы, различные полезные нагрузки, датчики, модули подсветки. Комплекс видеосредств включает видеокамеры и коммутаторы, обеспечивающие сбор и передачу информации в центральный вычислитель для обработки. Комплекс приёма и передачи информации представлен приёмопередатчиками и антеннами. Система энергообеспечения выполнена на основе автономного источника и соответствующего блока питания и распределения. Система самодиагностики включает вычислитель и бортовой самописец.

Центральным элементом системы управления является вычислитель, предназначенный для общего управления роботом и обеспечивающий взаимодействие между основными подсистемами. Для комплексов сверхлёгкого типа характерным является вычислитель на основе микроконтроллера, обеспечивающего выполнение всех основных задач управления. Для более крупных роботов вычислитель может быть выполнен на основе промышленного компьютера. В случае наиболее сложных комплексов вычислитель состоит из нескольких блоков и может включать:

- промышленный компьютер, решающий высокоуровневые задачи управления;

- специализированный компьютер, занимающийся обработкой видеоизображений с камер: сжатие видеопотока для передачи на ПДУ, задачи технического зрения;

- микроконтроллер, обеспечивающий низкоуровневое управление в режиме жёсткого реального времени всеми приводами и периферийными устройствами.

Все блоки бортовой системы управления соединяются между собой и подключаются к вычислителю через локальную сеть, замкнутую внутри робота и не имеющую непосредственного выхода за пределы комплекса. Локальная сеть также может быть реализована по-разному, в зависимости от типа МРК. В самом простом случае, например, для сверхлёгкого мобильного робота, локальная сеть может отсутствовать или быть представленной несколькими независимыми последовательными интерфейсами на единой плате управления. В более сложных комплексах сеть строится из отдельных сегментов:

- сеть низкоуровневого управления драйверами и периферийными системами робота на основе топологии «шина»;

- сеть низкоуровневого управления навесным оборудованием, так же на основе топологии «шина»;

- общесистемная бортовая сеть МРК на основе топологии «звезда».

Для первых двух сегментов используются такие интерфейсы, как RS-485, CAN, MIL-STD-1553B, EtherCAT и аналогичные. Для последнего обычно применяется EtherNet. Разделение сегментов выполняется с целью повышения общей надёжности комплекса.

Навесное оборудование подключается к мобильному роботу через внешние разъёмы и управляется центральным вычислителем с помощью локальной сети. В ряде случаев сложное оборудование может иметь свой отдельный управляющий контроллер. Тогда он также подключается к сети и принимает от центрального вычислителя только высокоуровневые команды.

Бортовой комплекс видеосредств предназначен для сбора, обработки и передачи видеоинформации от мобильного робота на пульт. Так как в большинстве случаев пропускная способность канала передачи видеоизображения ограничена, для предоставления оператору максимального объема информации широко применяются функции квадратора и «картинка-в-картинке».

Комплекс приёма и передачи информации предназначен для:

- приёма команд управления от ПДУ и передачи квитанций;

- передачи на ПДУ телеметрии;

- передачи на ПДУ видеосигналов.

Этот комплекс представляет собой отдельные модули приёмопередатчиков, количество и функции которых определяются типом канала связи и управления, применяемого в конкретном МРК.

Энергообеспечение МР может осуществляться:

- с помощью аккумуляторных батарей;

- с помощью двигателя внутреннего сгорания и генератора;

- дистанционно, по кабелю;

- комбинацией вышеизложенных пунктов.

На бортовую систему возлагаются задачи по обеспечению контроля энергопотребления, расчета оставшегося заряда аккумулятора и диагностике.

Система самодиагностики предназначена для контроля за состоянием бортовой системы управления в процессе отладки и работы. Чаще всего

представлена программными модулями в составе вычислителя, избыточными линиями связи и контроля, а также бортовыми самописцами, осуществляющими журналирование траффика в локальных сетях МРК.

Каналы связи

Основная задача канала связи - передача информации между мобильным роботом и пультом управления, необходимой для обеспечения функционирования комплекса.

Для решения поставленной задачи возможно применение различных вариантов построения каналов связи [17]:

- низкоскоростной радиоканал дистанционного управления и высокоскоростной радиоканал передачи видео, аудио и телеметрии;

- единый высокоскоростной радиоканал обмена между мобильным роботом и пультом управления;

- комбинации двух предыдущих пунктов, в том числе дополненные резервными приёмопередатчиками;

- кабельная линия связи.

В первом случае для управления роботом применяется двусторонний низкоскоростной узкополосный канал дистанционного управления. Он предназначен как для обеспечения управления движением робота, манипуляторами, полезными нагрузками, так и для передачи телеметрии на пульт управления. От канала требуется минимальная временная задержка, но при этом требования к скорости передачи невысоки: в большинстве случаев оказывается достаточно 10 кбит/с в режиме полудуплекса.

Одновременно с ним применяется симплексный широкополосный канал передачи данных от мобильного робота. Его основная задача - передача видеоизображения с минимальным временем задержки. Параллельная передача медленно меняющихся данных телеметрии позволяет разгрузить канал дистанционного управления и обеспечить лучшую электромагнитную совместимость.

При использовании единого высокоскоростного радиоканала обмена между роботом и пультом обычно обеспечивается подключение всего бортового оборудования, включая центральный вычислитель, цифровые видеокамеры высокого разрешения и полезные нагрузки, по интерфейсу Ethernet. Основным недостатком такого подхода может являться несколько меньшая дальность связи, вызванная требованиями к высокой частоте радиосигнала.

Так же часто применяется вариант построения системы, при котором для управления роботом одновременно используются три радиоканала:

- узкополосный полудуплексный канал для передачи команд управления мобильным роботом и важной телеметрической информации;

- широкополосный симплексный канал передачи видео, аудио и остальной телеметрии;

- широкополосный полнодуплексный канал управления навесным оборудованием, обеспечивающий работу в режиме ячеистой топологии сети и способный, при необходимости, переключаться на управление роботом и передачу видео. Данные, создаваемые оборудованием, как правило, менее требовательны к задержкам, а переключение на управление мобильным роботом происходит, когда основные радиоканалы по каким-либо причинам недоступны.

Кабельные линии связи применяются, когда использование радиоканалов затруднено или нежелательно. Например, в случаях применения комплекса в режиме радиомолчания, при наличии повышенных требований к надёжности канала связи, при необходимости защиты от сильных внешних электромагнитных помех. В ряде случаев кабельная линия связи используется также для удалённой подзарядки аккумуляторов мобильного робота.

Для достижения наилучших результатов могут применяться различные топологии сети управления и передачи данных:

- «точка-точка»;

- «точка-многоточие»;

- передача данных через ретранслятор;

- сети с ячеистой топологией.

Топология «точка-точка» - наиболее простой вид сети, представляющий собой непосредственное соединение двух абонентов (рисунок 3). В данном случае сеть может состоять из одного пульта управления и одного мобильного робота. Информация передаётся напрямую между узлами. К достоинствам топологии можно отнести простоту организации канала связи, большой диапазон скоростей передачи данных, а также дешевизну. Важный недостаток этой конфигурации -невозможность объединить в сеть более двух абонентов.

Рисунок 3 - Топология сети точка-точка

Применение топологии «точка-многоточие» существенно расширяет возможности управления мобильным робототехническим комплексом, позволяя реализовать два сценария (рисунок 4):

- управление несколькими мобильными роботами с помощью одного ПДУ;

- управление одним мобильным роботом с нескольких ПДУ.

Рисунок 4 - Варианты топологии сети точка-многоточие

По своей сути топология точка-многоточие является аналогом базовой топологии компьютерных сетей - звезды.

Передача данных через одиночный ретранслятор является оптимальным решением в случае, когда мобильный робот и оператор с пультом управления находятся на значительном расстоянии друг от друга. Такой подход позволяет существенно увеличить дальность связи, что может быть превалирующим аспектом при решении роботом поставленных задач.

В данном случае ретрансляторы - это приёмопередающие устройства, усиливающие входной сигнал и передающие его дальше абоненту сети. В состав ретрансляторов, в частности, входит радиоприёмник, радиопередатчик и комплект антенн. В качестве ретрансляторов могут выступать как статичные объекты, такие как башни радиосвязи, так и подвижные объекты, например, беспилотные летательные аппараты или наземные роботы (рисунок 5).

Рисунок 5 - Топология сети с одиночным ретранслятором

К недостаткам подхода относится возрастающая задержка передачи, вызванная необходимостью обработки передаваемых данных ретранслятором. Однако стоит отметить, что задержка передачи данных может быть уменьшена за счет снижения эффективной пропускной способности канала.

В ячеистой топологии (теБИ-сети) отдельные элементы сети способны принимать на себя роль коммутатора или ретранслятора для других участников (рисунок 6).

Рисунок 6 - Сеть с ячеистой топологией

Одной из ключевых особенностей сетей с ячеистой топологией является то, что при включении каждый абонент автоматически получает информацию об остальных узлах и определяет свою роль. Таким образом, при выходе из строя какого-либо абонента, данные в сети автоматически перенаправляются по другому маршруту, а роли абонентов автоматически адаптируются к новым условиям.

Mesh-сети хорошо подходят для большого числа абонентов, поскольку так обеспечивается широкий выбор маршрутов для передачи данных внутри сети. Данные могут передаваться на значительные расстояния, маршрут при этом строится из небольших отрезков пути между абонентами. Таким образом, ячеистая беспроводная сеть способна покрывать большие площади.

К недостаткам сети относится сравнительная сложность настройки, невысокая скорость и стабильность передачи данных, а также переменная временная задержка, обусловленная перестройкой маршрутов.

Радиоканалы, работающие в топологии точка-точка и точка-многоточие, с учётом ограничений, накладываемых размещением антенн, на сегодняшний день имеют дальность от 500 до 1500 м, что подтверждается, в том числе, приведённым обзором МРК. В случае применения проводной линии дальность ограничена размерами катушки и редко превышает 300 м.

Применение ретрансляторов, особенно на основе летательных аппаратов, существенно увеличивает дистанцию применения мобильных роботов, вплоть до

десятков километров. Дальность при использовании теБИ-сетей так же значительно увеличивается и определяется количеством доступных узлов.

Применение ретрансляторов в большинстве случаев увеличивает время прохождения сигнала, поэтому эффективное управление МР при передаче видео и команд через несколько узлов mesh-сети или ретрансляторов затруднено и используется обычно как резервный вариант при недоступности прямого канала. При этом передача менее чувствительных к задержкам данных, включая данные с полезных нагрузок, находит здесь широкое применение.

Применение шифрования в последнее время всё чаще является обязательным при разработке МРК. Напрямую на используемую топологию сети шифрование не влияет, однако вносит заметную задержку передачи, вызванную временем, необходимым на кодирование и декодирование данных. При этом вносимая задержка зависит от объёма обрабатываемой информации. В ряде случаев достаточно обеспечить только шифрование линии дистанционного управления, чтобы исключить перехват управления роботом. Тогда влияние блока шифрования на канал связи остаётся небольшим, но появляется требование разделения каналов передачи дистанционного управления и остальных данных, включая видеоизображение, что требует особого внимания на этапе проектирования системы управления МРК.

Пульты дистанционного управления

Пульт управления представляет собой устройство для дистанционного управления и контроля различных процессов в МРК. Как показано в работе [18], в настоящее время разработано большое количество различных типов ПДУ для МРК наземного базирования, большинство используются в качестве управляющего элемента для одного конкретного типа мобильного робота.

Одним из главных требований, предъявляемым к пультам, является обеспечение оператора максимально возможной визуальной информацией об окружающей обстановке и индикационной информацией для планирования действий при решении оперативных задач.

Согласно приведённому в [18] обзору, пульты можно разделить на несколько типов, в зависимости от конструкции, уровня эргономики и функциональных возможностей:

- встраиваемые;

- переносные;

- оперативные;

- технологические.

Встраиваемые пульты управления представляют собой стационарные пункты, специально оборудованные и оснащенные техническими средствами места видеонаблюдения, с помощью которых оператор осуществляет управление мобильным роботом. Пункты управления могут размещаться как в помещении, так и в специально оборудованном автомобиле (рисунок 7). Система связи чаще всего размещается снаружи, обеспечивая необходимую дальность управления.

Рисунок 7 - Пункт управления РТК-10 разработки ЦНИИ РТК [11]

Основными достоинствами встраиваемых ПДУ являются:

- высокий, по сравнению с другими типами пультов, уровень эргономики;

- большие возможности по расширению номенклатуры доступных человеко-машинных интерфейсов: при необходимости можно реализовать

не только управление кнопками, джойстиками и геймпадами, но и, к примеру, копирующее управление манипуляторами;

- возможность подключения нескольких широкоформатных мониторов;

- звукоизоляция, удобство и безопасность для оператора во время выполнения различных задач;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Попов Дмитрий Сергеевич, 2024 год

Список литературы

1. Лопота, А.В. Мобильные наземные робототехнические комплексы профессионального назначения / А.В. Лопота, Б.А. Спасский // Робототехника и техническая кибернетика. - Т. 8. - №1. - 2020. - С. 5-17. - DOI: 10.31776/RTCJ.8101.

2. Спасский, Б.А. Телеуправление в экстремальной робототехнике / Б.А. Спасский // Робототехника и техническая кибернетика. - 2020. - Т. 8. - № 2.

- С. 101-111. - DOI: 10.31776/RTCJ.8202.

3. Спасский, Б.А. Обзор современных интерфейсных систем операторов мобильных наземных роботов / Б.А. Спасский // Робототехника и техническая кибернетика. - № 4(13). - 2016. - С. 21-31.

4. Спасский, Б.А. Совместное управление роботами, автономное и от человека-оператора / Б.А. Спасский // Робототехника и техническая кибернетика.

- №1(14). - 2017. - С. 69-75.

5. Telerobotics / G. Niemeyer [et al.] // Springer Handbook of Robotics. -Springer, Cham. - 2016. - DOI: 10.1007/978-3-319-32552-1_43. - Text: electronic.

6. Popov, D.S. Requirements for remote control systems for ground-based mobile robots / D.S. Popov, O.A. Shmakov // Extreme Robotics. - 2019. - Vol. 1. - No. 1. -Pp. 175-186.

7. IRIS - Ultra-Light, Throwable, Tactical Robotic Platform // Robo-team: [site].

- URL: https://robo-team.com/products/iris/ (дата обращения: 01.06.2023).

8. iRobot 110 FirstLook // iRobot Corporation: [site]. - URL: https://filecache.mediaroom.com/mr5mm_irobot/178454/download/iRobot-110-FirstLook-Spec.pdf (дата обращения: 01.06.2023).

9. Créateur de nouvelles references en robotique NERVA LG // Nexter Robotics: [site]. - URL: https://www.nexter-group.fr/sites/default/files/fichiers-catalogue-produit/NERVA%20LG_0.pdf (дата обращения: 01.06.2023).

10. АО СЕТ-1: [официальный сайт]. - URL: https://www.set-1.ru/ (дата обращения: 01.05.2023).

11. ЦНИИ РТК: [официальный сайт]. - URL: https://rtc.ru/ (дата обращения: 15.08.2022).

12. ООО «СКТБ ПР»: [официальный сайт]. - URL: https://sktbpr.ru/ (дата обращения: 01.06.2023).

13. RMI-9XD // Pedsco Ltd: [site]. - URL: http://www.pedsco.com/products-rmi9xd.php (дата обращения: 01.06.2023).

14. tEODor EVO // AeroVironment: [site]. - URL: https://www.avinc.com/de/ugv/teodor-evo-de/ (дата обращения: 01.06.2023).

15. Aunav: [site]. - URL: https://aunav.com (дата обращения: 01.06.2023).

16. ГОСТ Р 22.9.22-2014. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Аварийно-спасательные средства. Классификация: национальный стандарт Российской Федерации [Текст]. - Введ. 2014-09-01. - М. : Стандартинформ, 2014.

- 11 с.

17. Попов, Д.С. Особенности применения каналов управления и передачи данных в составе мобильных робототехнических комплексов наземного базирования / Д.С. Попов, О.А. Шмаков // Экстремальная робототехника. - 2020.

- Т. 1. - № 1. - С. 302-309.

18. Пульты дистанционного управления мобильными робототехническими комплексами наземного базирования / Д.Р. Аюпова [и др.] // Экстремальная робототехника. - 2021. - Т. 1. - № 1. - С. 177-196.

19. Sanders, D. Analysis of the effects of time delays on the teleoperation of a mobile robot in various modes of operation / D. Sanders // Industrial Robot: An International Journal. - 2009. - Vol. 36. - No. 6. - Pp. 570-584. - DOI: 10.1108/01439910910994641.

20. Tele-operator performance and their perception of system time lags when completing mobile robot tasks / D. Sanders [et al.] // 2016 9th International Conference on Human System Interactions (HSI). - IEEE, 2016. - Pp. 236-242. - DOI: 10.1109/HSI.2016.7529637.

21. Ando, N. A study on influence of time delay in teleoperation / N. Ando, J.H. Lee, H. Hashimoto // 1999 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (Cat. No. 99TH8399). - IEEE, 1999. - Pp. 317-322. - DOI: 10.1109/AIM.1999.803185.

22. Diolaiti, N. Haptic tele-operation of a mobile robot / N. Diolaiti, C. Melchiorri // IFAC Proceedings Volumes. - 2003. - Vol. 36. - No. 17. - Pp. 521-526. - DOI: 10.1016/S1474-6670(17)33447-X.

23. Farkhatdinov, I. A preliminary experimental study on haptic teleoperation of mobile robot with variable force feedback gain / I. Farkhatdinov, J.H. Ryu, J. An // 2010 IEEE Haptics Symposium. - IEEE, 2010. - Pp. 251-256.

24. Farkhatdinov, I. Improving mobile robot bilateral teleoperation by introducing variable force feedback gain / I. Farkhatdinov, J.H. Ryu // 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - IEEE, 2010. - Pp. 5812-5817.

25. Brudnak, M. Predictive displays for high latency teleoperation / M. Brudnak // Proc. NDIA Ground Veh. Syst. Eng. Technol. Symp. - 2016. - Pp. 1-16.

26. An experimental evaluation of a model-free predictor framework in teleoperated vehicles / Y. Zheng [et al.] // IFAC-PapersOnLine. - 2016. - Vol. 49. -No. 10. - Pp. 157-164. - DOI: 10.1016/j.ifacol.2016.07.513.

27. A delay compensation framework for predicting heading in teleoperated ground vehicles / Y. Zheng [et al.] // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. -2019. - Vol. 24. - No. 5. - Pp. 2365-2376. - DOI: 10.1109/TMECH.2019.2936313.

28. Davis, J. The effects of time lag on driving performance and a possible mitigation / J. Davis, C. Smyth, K. McDowell // IEEE Transactions on Robotics. -2010. - Vol. 26. - No. 3. - Pp. 590-593. - DOI: 10.1109/TRO.2010.2046695.

29. A low-cost predictive display for teleoperation: Investigating effects on human performance and workload / H. Dybvik [et al.] // International Journal of HumanComputer Studies. - 2021. - Vol. 145, 102536. - DOI: 10.1016/j.ijhcs.2020.102536.

30. Haptic control of a mobile robot: A user study / S. Lee [et al.] // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - IEEE, 2002. - Vol. 3. -Pp. 2867-2874. - DOI: 10.1109/IRDS.2002.1041705.

31. Frank, L.H. Effects of visual display and motion system delays on operator performance and uneasiness in a driving simulator / L.H. Frank, J.G. Casali, W.W. Wierwille // Human factors. - 1988. - Vol. 30. - No. 2. - Pp. 201-217. - DOI: 10.1177/001872088803000207.

32. Teleoperation methods and enhancement techniques for mobile robots: A comprehensive survey / M.D. Moniruzzaman [et al.] // Robotics and Autonomous Systems. - 2021. - DOI: 10.1016/j.robot.2021.103973.

33. Arcara, P. Control schemes for teleoperation with time delay: A comparative study / P. Arcara, C. Melchiorri // Robotics and Autonomous systems. - 2002. -Vol. 38. - No 1. - Pp. 49-64. - DOI: 10.1016/S0921-8890(01)00164-6.

34. Richard, J.P. Time-delay systems: an overview of some recent advances and open problems / J.P. Richard // Automatica. - 2003. - Vol. 39. - No 10. - Pp. 16671694. - DOI: 10.1016/S0005-1098(03)00167-5.

35. Uddin, R. Predictive control approaches for bilateral teleoperation / R. Uddin, J. Ryu // Annual Reviews in Control. - 2016. - Vol. 42. - Pp. 82-99.

36. A review on teleoperation of mobile ground robots: Architecture and situation awareness / S. Opiyo [et al.] // International Journal of Control, Automation and Systems. - 2021. - Vol. 19. - Pp. 1384-1407.

37. Hernando, M. A robot teleprogramming architecture / M. Hernando, E. Gambao // Proceedings 2003 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM 2003). - IEEE, 2003. - Vol. 2. - Pp. 1113-1118. - DOI: 10.1109/AIM.2003.1225498.

38. Brady, K. Internet-based teleoperation / K. Brady, T.J. Tarn // Proceedings 2001 ICRA. IEEE International Conference on Robotics and Automation (Cat. No. 01CH37164). - IEEE, 2001. - Vol. 1. - Pp. 644-649. - DOI: 10.1109/ROBOT.2001.932623.

39. Niemeyer, G. Telemanipulation with time delays / G. Niemeyer, J.J.E. Slotine // The International Journal of Robotics Research. - 2004. - Vol. 23. - No. 9. -Pp. 873-890. - DOI: 10.1177/0278364904045563.

40. Lee, D. Passive bilateral teleoperation with constant time delay / D. Lee, M.W. Spong // IEEE transactions on robotics. - 2006. - Vol. 22. - No. 2. - Pp. 269-281. -DOI: 10.1109/TRO.2005.862037.

41. Kontur-2: force-feedback teleoperation from the international space station / J. Artigas [et al.] // 2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). - IEEE, 2016. - Pp. 1166-1173. - DOI: 10.1109/ICRA.2016.7487246.

42. Ryu, J.H. A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay / J.H. Ryu, J. Artigas, C. Preusche // Mechatronics. -2010. - Vol. 20. - No. 7. - Pp. 812-823. - DOI: 10.1016/j.mechatronics.2010.07.006.

43. Network representation and passivity of delayed teleoperation systems / J. Artigas [et al.] // 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - IEEE, 2011. - Pp. 177-183. - DOI: 10.1109/IROS.2011.6094919.

44. Internet-based bilateral teleoperation using a revised time-domain passivity controller / L. Marton [et al.] // Acta Polytechnica Hungarica. - 2017.

45. Time-delay compensation by communication disturbance observer for bilateral teleoperation under time-varying delay / K. Natori [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2009. - Vol. 57. - № 3. - Pp. 1050-1062.

46. Chen, Z. A novel adaptive robust control architecture for bilateral teleoperation systems under time-varying delays / Z. Chen, Y.J. Pan, J. Gu // International Journal of Robust and Nonlinear Control. - 2015. - Vol. 25. - №. 17. - Pp. 3349-3366. - DOI: 10.1002/rnc.3267.

47. Position tracking for non-linear teleoperators with variable time delay / E. Nuno [et al.] // The International Journal of Robotics Research. - 2009. - Vol. 28. -No. 7. - Pp. 895-910.

48. Slawinski, E. PD-like controllers for delayed bilateral teleoperation of manipulators robots / E. Slawinski, V. Mut // International Journal of Robust and Nonlinear Control. - 2015. - Vol. 25. - № 12. - Pp. 1801-1815. - DOI: 10.1002/rnc.3177.

49. Anderson, R.J. Bilateral control of teleoperators with time delay / R.J. Anderson, M.W. Spong // Proceedings of the 1988 IEEE International Conference on

Systems, Man, and Cybernetics. - IEEE, 1988. - Vol. 1. - Pp. 131-138. - DOI: 10.1109/ICSMC.1988.754257.

50. Полушин, И.Г. Пассивность и пассификация нелинейных систем // Автоматика и телемеханика. - 2000. - №. 3. - С. 3-37.

51. Van Quang, H. Passivity of delayed bilateral teleoperation of mobile robots with ambiguous causalities: Time domain passivity approach / H. Van Quang, I. Farkhatdinov, J.H. Ryu // 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - IEEE, 2012. - Pp. 2635-2640. - DOI: 10.1109/IR0S.2012.6385807.

52. Shahzad, A. Bilateral telecontrol of AutoMerlin mobile robot with fix communication delay / A. Shahzad, H. Roth // 2016 IEEE International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics (AQTR). - IEEE, 2016. - Pp. 1-6. - DOI: 10.1109/AQTR.2016.7501383.

53. Lee, D. Bilateral teleoperation of a wheeled mobile robot over delayed communication network / D. Lee, O. Martinez-Palafox, M.W. Spong // Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2006. ICRA 2006. -IEEE, 2006. - Pp. 3298-3303. - DOI: 10.1109/ROBOT.2006.1642205.

54. Yang, H. Haptic tele-driving of wheeled mobile robot over the internet via PSPM approach: theory and experiment / H. Yang, Z. Zuo, D. Lee // Advanced Robotics. - 2018. - Vol. 32. - No. 13. - Pp. 683-696. - DOI: 10.1080/01691864.2018.1433061.

55. Bilateral Teleoperation of Mobile Robot over Delayed Communication Network: Implementation / O. Martinez-Palafox [et al.] // 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - IEEE, 2006. - Pp. 4193-4198. - DOI: 10.1109/IROS.2006.281912.

56. PD-like controller with impedance for delayed bilateral teleoperation of mobile robots / E. Slawinski [et al.] // Robotica. - 2016. - Vol. 34. - No. 9. - Pp. 2151-2161. -DOI: 10.1017/S0263574715000223.

57. P+d plus sliding mode control for bilateral teleoperation of a mobile robot / L. R. Salinas [et al.] // International Journal of Control, Automation and Systems. - 2018.

- Vol. 16. - Pp. 1927-1937. - DOI: 10.1007/s12555-017-0439-x.

58. Motoi, N. Remote control method for mobile robot based on force feedback generated using collision prediction map / N. Motoi, M. Kobayashi, R. Masaki // IEEJ Journal of Industry Applications. - 2019. - Vol. 8. - No. 4. - Pp. 727-735. - DOI: 10.1541/ieejjia.8.727.

59. Mostefa, M. Safe and efficient mobile robot teleoperation via a network with communication delay / M. Mostefa, L.K. El Boudadi, J. Vareille // International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). - 2018. - Vol. 12. - Pp. 37-47. -DOI: 10.1007/s12008-017-0370-7.

60. Mobile robot teleoperation augmented with prediction and path-planning / J. Nieto [et al.] // IFAC Proceedings Volumes. - 2010. - Vol. 43. - No 13. - Pp. 53-58. -DOI: 10.3182/20100831-4-FR-2021.00011.

61. Toward safe and stable time-delayed mobile robot teleoperation through sampling-based path planning / J. Nieto [et al.] // Robotica. - 2012. - Vol. 30. - No. 3. -Pp. 351-361. - DOI: 10.1017/S0263574711000695.

62. Patent US11173605B2. B25J9/162. Method of controlling mobile robot, apparatus for supporting the method, and delivery system using mobile robot: № 16/199,990 : application 26.11.2018 : publication 16.11.2021 / Jin Hyo Kim; Current Assignee Dogugonggan Co., Ltd., Gangwon-do (KR).

63. Slawinski, E. Teleoperation of mobile robots with time-varying delay / E. Slawinski, V.A. Mut, J.F. Postigo // IEEE Transactions on Robotics. - 2007. - Vol. 23.

- No. 5. - Pp. 1071-1082. - DOI: 10.1109/TRO.2007.906249.

64. Slawinski, E. Bilateral teleoperation of mobile robots with delay / E. Slawinski, V.A. Mut, J.F. Postigo // IEEE International Conference Mechatronics and Automation, 2005. - IEEE, 2005. - Vol. 3. - Pp. 1672-1677. - DOI: 10.1109/ICMA.2005.1626806.

65. Bilateral Teleoperation of Mobile Robots through Internet / E. Slawinski [et al.] // IFAC Proceedings Volumes. - 2006. - Vol. 39. - №. 15. - Pp. 462-467.

66. Slawinski, E. Stable teleoperation of mobile robots / E. Slawinski, J. Postigo, V. Mut // 2006 International Conference on Mechatronics and Automation. - IEEE, 2006. - Pp. 318-323.

67. Patent US2015120048A1. Control synchronization for high-latency teleoperation: US14/062,632 : application 24.10.2013 : publication 30.04.2015 / Matthew D. Summer, Paul M. Bosscher, Michael J. Summer, Miguel Ortega-Morales; Current Harris Corporation, Melbourne, FL (US).

68. Cobzas, D. Tracking and predictive display for a remote operated robot using uncalibrated video / D. Cobzas, M. Jagersand // Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. - IEEE, 2005. - Pp. 1847-1852.

69. The effects of predictive displays on performance in driving tasks with multi-second latency: Aiding tele-operation of lunar rovers / A. Matheson [et al.] // Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting. - Sage CA: Los Angeles, CA: SAGE Publications, 2013. - Vol. 57. - №. 1. - Pp. 21-25.

70. Predictive display for mobile manipulators in unknown environments using online vision-based monocular modeling and localization / D. Lovi [et al.] // 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - IEEE, 2010. -Pp. 5792-5798.

71. Rachmielowski, A. Performance evaluation of monocular predictive display / A. Rachmielowski, N. Birkbeck, M. Jagersand // 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation. - IEEE, 2010. - Pp. 5309-5314.

72. Real-time photorealistic virtualized reality interface for remote mobile robot control / A. Kelly [et al.] // The International Journal of Robotics Research. - 2011. -Vol. 30. - No. 3. - Pp. 384-404.

73. Slawinski, E. Control scheme including prediction and augmented reality for teleoperation of mobile robots / E. Slawinski, V. Mut // Robotica. - 2010. - Vol. 28. -No. 1. - Pp. 11-22.

74. Patent US10425622B2. H04N7/185. Method of generating a predictive display for tele-operation of a remotely-operated ground vehicle : US15/652,975 : application

18.07.2017 : publication 24.09.2019 / Mark J. Brudnak; Current Assignee US Department of Army.

75. Chucholowski, F.E. Evaluation of display methods for teleoperation of road vehicles / F.E. Chucholowski // Journal of Unmanned System Technology. - 2016. -Vol. 3. - No. 3. - Pp. 80-85. - DOI: 10.21535%2Fjust.v3i3.38.

76. Бортовой комплекс аудио-видео средств в составе систем дистанционного управления наземными мобильными роботами / П.Ю. Васильева [и др.] // Экстремальная робототехника. - 2021. - Т. 1. - № 1. - С. 169-176.

77. Патент РФ № 2794556C1. G05D 1/00 (2006.01), B25J 9/00 (2006.01). Способ дистанционного управления мобильным роботом при наличии задержек в канале передачи информации: 2022125046 : заявл. 23.09.2022 : опубл. 21.04.2023 / Д.С. Попов; заявитель, патентообладатель Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК). - 11 с. - ил.

78. Real-time mobile robot teleoperation over IP networks based on predictive control / S. Wang [et al.] // 2007 IEEE International Conference on Control and Automation. - IEEE, 2007. - Pp. 2091-2096. - DOI: 10.1109/ICCA.2007.4376729.

79. Indiveri, G. High speed differential drive mobile robot path following control with bounded wheel speed commands / G. Indiveri, A. Nuchter, K. Lingemann // Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation. - IEEE, 2007. - Pp. 2202-2207. - DOI: 10.1109/ROBOT.2007.363647.

80. Попов, Д.С. Дистанционное управление наземными робототехническими комплексами в условиях действия временных задержек в каналах передачи информации / Д.С. Попов // Робототехника и техническая кибернетика. - 2022. -Т. 10. - № 3. - С. 213-218. - DOI: 10.31776/RTCJ.10306.

81. Попов, Д.С. Эффективность систем дистанционного управления наземными мобильными роботами в условиях действия временных задержек в каналах передачи информации / Д.С. Попов // Экстремальная робототехника. -2022. - Т. 1. - № 1. - С. 164-176.

82. Closed loop steering of unicycle like vehicles via Lyapunov techniques / M. Aicardi [et al.] // IEEE robotics & automation magazine. - 1995. - Vol. 2. - No. 1. -Pp. 27-35. - DOI: 10.1109/100.388294.

83. Closed-loop steering for unicycle-like vehicles: A simple lyapunov like approach / G. Casalino [et al.] // IFAC Proceedings Volumes. - 1994. - Vol. 27. - No. 14. - Pp. 335-342 - DOI: 10.1016/S1474-6670(17)47335-6.

84. Патент РФ 2792328C1. G09G 5/377 (2006.01). Способ поддержки оператора с помощью дополненной реальности при дистанционном управлении наземным мобильным роботом в условиях наличия задержек в каналах передачи информации : 2022134518: заявл. 27.12.2022 : опубл. 21.03.2023 / Д.С. Попов; заявитель, патентообладатель Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК). - 14 с. - ил.

85. Попов, Д.С. Использование дополненной реальности при дистанционном управлении мобильными роботами в условиях наличия задержек в каналах передачи информации / Д. С. Попов // Робототехника и техническая кибернетика. - 2022. - Т. 10. - № 4. - С. 275-280. - DOI: 10.31776/RTCJ.10405.

86. A comparative analysis of trajectory similarity measures / Y. Tao [et al.] // GIScience & Remote Sensing. - 2021. - Vol. 58. - No. 5. - Pp. 643-669. - DOI: 10.1080/15481603.2021.1908927.

87. Pure Pursuit Controller // The MathWorks: [site]. - URL: https://www.mathworks.com/help/robotics/ug/pure-pursuit-controller.html (дата обращения: 01.06.2023).

88. Coulter, R. Implementation of the Pure Pursuit Path Tracking Algorithm // Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania. - 1990.

89. Automatic steering methods for autonomous automobile path tracking / J.M. Snider [et al.] // Robotics Institute, Pittsburgh, PA, Tech. Rep. CMU-RITR-09-08. -2009.

90. Lynch, K. M. Modern robotics / K. M. Lynch, F. C. Park. - Cambridge University Press, 2017.

91. Попов, Д. С. Экспериментальная проверка способа компенсации влияния временных задержек в каналах передачи информации на эффективность дистанционного управления наземными мобильными роботами / Д. С. Попов, А. В. Лопота // Вестник МГТУ «СТАНКИН». - 2023. - № 2 (65). - С. 8-15.

92. Описание малогабаритной разведывательной платформы Курсант ЦНИИ РТК // ЦНИИ РТК: [официальный сайт]. - URL: https://rtc.ru/solution/kursant/ (дата обращения: 01.06.2023).

93. Trajectory_distance Python Module // Github.com: [site]. - URL: https://github.com/bguillouet/traj-dist (дата обращения: 01.06.2023).

94. Кобзарь, А.И. Прикладная математическая статистика / А.И. Кобзарь. -2006.

95. Румшинский, Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента / Л.З. Румшинский. - М.: Наука, 1971.

96. Lehmann, E.L. Nonparametrics: Statistical Methods Based on Ranks / E.L. Lehmann. - Holden-Day, Inc., 1975.

97. Milton, R. C. An Extended Table of Critical Values for the Mann-Whitney (Wilcoxon) Two-Sample Statistic / R. C. Milton // Journal of the American Statistical. -1964. - Vol. 59. - No 307. - Pp. 925-934. - DOI: 10.1080/01621459.1964.10480740.

98. Physics Tank Maker // Chobi's Atelier: [site]. - URL: https://chobi-glass.com/unity/ (дата обращения: 15.08.2022).

99. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022685119 РФ. Программа для компьютерного моделирования и отладки алгоритмов управления наземными мобильными роботами : № 2017613639 : заявл. 14.11.2022 : опубл. 21.12.2022 / К.А. Жуков, Д.С. Попов, О.А. Шмаков; заявитель Федеральное государственное автономное научное учреждение «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики» (ЦНИИ РТК).

100. Яцкив, И.В. Проблема валидации имитационной модели и ее возможные решения / И.В. Яцкив // Конференция ИММ0Д-2003: материалы. СПб.: ФГУП ЦНИИТС. - 2003.

101. Ильин, В.А. Метод проверки тренажерных моделей на адекватность / В.А. Ильин, Н.П. Кирюшов // Программные продукты и системы. - 2021. - Т. 34. - №. 1. - С. 61-66. - 001: 10.15827/0236-235Х.133.061-066.

102. Потапов, А.Н. Оценка адекватности имитационного моделирования в информационных автоматизированных системах освоения эрготехнических комплексов, имеющих иерархическую структуру построения / А.Н. Потапов, В.В. Овчаров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - №. 3-1. - С. 45-48.

103. Годунов, А.И. Статистические критерии оценки адекватности имитационного моделирования в тренажеростроении / А.И. Годунов, А.Н. Бростилов // Международный симпозиум «Надежность и качество»: труды. -2005. - Т. 1. - С. 161-163.

Список иллюстративного материала

Рисунки

Рисунок 1 - Состав мобильного робототехнического комплекса............................12

Рисунок 2 - Пример схемы бортовой системы управления.....................................17

Рисунок 3 - Топология сети точка-точка....................................................................22

Рисунок 4 - Варианты топологии сети точка-многоточие.......................................22

Рисунок 5 - Топология сети с одиночным ретранслятором.....................................23

Рисунок 6 - Сеть с ячеистой топологией....................................................................24

Рисунок 7 - Пункт управления РТК-10 разработки ЦНИИ РТК [11]......................26

Рисунок 8 - Переносной пульт разработки ЦНИИ РТК [11]...................................27

Рисунок 9 - Оперативный пульт разработки ЦНИИ РТК [11].................................28

Рисунок 10 - Схема системы управления с учётом действующих задержек.........34

Рисунок 11 - Пример преобразования перспективы на видеоизображении с

камеры мобильного робота [25]...........................................................41

Рисунок 12 - Пример кадрирования видеоизображения [29]...................................42

Рисунок 13 - Пример наложения на видеопоток информации о положении,

траектории и скорости транспортного средства [75].........................42

Рисунок 14 - Временные задержки в системе управления.......................................48

Рисунок 15 - Передача видеоизображений в системе управления..........................49

Рисунок 16 - Передача команд оператора и данных телеметрии............................50

Рисунок 17 - Задержки, обусловленные потерей пакетов видеоданных................52

Рисунок 18 - Задержки, обусловленные потерей пакетов, содержащих

команды..................................................................................................53

Рисунок 19 - Схема системы управления с блоком компенсации задержки..........56

Рисунок 20 - Задержки и моменты времени при корректировке команд

оператора ................................................................................................ 57

Рисунок 21 - Положения робота в локальной системе координат при

корректировке команд оператора........................................................58

Рисунок 22 - Положение и ориентация робота при движении к локальной

цели.........................................................................................................61

Рисунок 23 - Положения робота в локальной системе координат при

корректировке визуальной информации.............................................66

Рисунок 24 - Данные, используемые для вычисления движения робота из

р (¿1) в р (¿4).............................................................................................67

Рисунок 25 - Данные, используемые для вычисления движения робота из

р (/4) в р (¿3).............................................................................................68

Рисунок 26 - Метка и траектория движения робота на экране пульта

управления..............................................................................................69

Рисунок 27 - Вертикальный угол обзора видеокамеры............................................70

Рисунок 28 - Горизонтальный угол обзора видеокамеры........................................71

Рисунок 29 - Оценка схожести траекторий................................................................77

Рисунок 30 - Схема модели на основе пакета MATLAB..........................................81

Рисунок 31 - Траектория, использованная для моделирования..............................82

Рисунок 32 - Глобальная и локальная системы координат модели робота............83

Рисунок 33 - Траектория при управлении контроллером без задержек.................84

Рисунок 34 - Траектории при управлении контроллером; К = 500 мс и

Не = 100 мс: а) без блока компенсации; б) с блоком компенсации ... 85 Рисунок 35 - Траектории при управлении контроллером; К = 1000 мс и

Не = 200 мс: а) без блока компенсации; б) с блоком компенсации ... 86 Рисунок 36 - Траектории при управлении контроллером; К = 2000 мс и

Не = 400 мс: а) без блока компенсации; б) с блоком компенсации ... 87 Рисунок 37 - Траектории при управлении контроллером; К = 5000 мс и Не = 1000 мс: а) без блока компенсации; б) с блоком

компенсации ........................................................................................... 88

Рисунок 38 - Траектория при управлении оператором без задержек.....................89

Рисунок 39 - Траектории при управлении оператором; К = 500 мс и

Не = 100 мс: а) без блока компенсации; б) с блоком компенсации ... 90

Рисунок 40 - Траектории при управлении оператором; hv = 1000 мс и

hc = 200 мс: а) без блока компенсации; б) с блоком компенсации ... 91 Рисунок 41 - Траектории при управлении оператором; hv = 2000 мс и

hc = 400 мс: а) без блока компенсации; б) с блоком компенсации ... 92 Рисунок 42 - Траектории при управлении оператором; hv = 5000 мс и hc = 1000 мс: а) без блока компенсации; б) с блоком

компенсации...........................................................................................93

Рисунок 43 - Структурная схема системы дистанционного управления

робототехнического комплекса............................................................95

Рисунок 44 - Мобильный робот, использованный в экспериментах......................95

Рисунок 45 - Пульт управления, использованный в экспериментах.......................96

Рисунок 46 - Стенд для определения задержки передачи видео.............................96

Рисунок 47 - Стенд на основе системы захвата движения.......................................98

Рисунок 48 - Схема модели на основе платформы Unity.......................................108

Рисунок 49 - Экран управления моделью робота....................................................109

Рисунок 50 - Примеры записанных траекторий при ограничении скорости 0,8 м/с и задержке 200 мс: а) при управлении мобильным

роботом; б) при моделировании.........................................................114

Рисунок 51 - Примеры записанных траекторий при ограничении скорости 0,8 м/с и задержке 700 мс: а) при управлении мобильным

роботом; б) при моделировании.........................................................114

Рисунок 52 - Примеры записанных траекторий при ограничении скорости 0,8 м/с и задержке 1200 мс: а) при управлении мобильным

роботом; б) при моделировании.........................................................115

Рисунок 53 - Переменная задержка..........................................................................117

Рисунок 54 - Примеры записанных траекторий при использовании метода

компенсации на основе корректировки визуальной информации . 126

Таблица 1 - Примеры МРК и их характеристики......................................................13

Таблица 2 - Операторы, принимавшие участие в экспериментах.........................100

Таблица 3 - Результаты натурных экспериментов при задержке 200 мс.............101

Таблица 4 - Результаты натурных экспериментов при задержке 700 мс.............102

Таблица 5 - Результаты натурных экспериментов при задержке 1200 мс...........103

Таблица 6 - Сравнение выборок при натурных экспериментах............................105

Таблица 7 - Средние значения параметров при натурных экспериментах..........106

Таблица 8 - Результаты моделирования при ограничении скорости 0,8 м/с и

задержке 200 мс...................................................................................111

Таблица 9 - Результаты моделирования при ограничении скорости 0,8 м/с и

задержке 700 мс...................................................................................112

Таблица 10 - Результаты моделирования при ограничении скорости 0,8 м/с и

задержке 1200 мс.................................................................................113

Таблица 11 - Сравнение выборок при проверке адекватности модели................116

Таблица 12 - Результаты моделирования при использовании режима

снижения скорости..............................................................................118

Таблица 13 - Результаты моделирования при переменной задержке...................118

Таблица 14 - Сравнение выборок при моделировании при скорости 0,8 м/с......119

Таблица 15 - Средние значения параметров при моделировании при

ограничении скорости 0,8 м/с.............................................................120

Таблица 16 - Результаты моделирования при ограничении скорости 3 м/с и

задержке 600 мс...................................................................................122

Таблица 17 - Результаты моделирования при ограничении скорости 3 м/с и

задержке 1200 мс.................................................................................123

Таблица 18 - Результаты моделирования при ограничении скорости 3 м/с и

задержке 2400 мс.................................................................................124

Таблица 19 - Результаты моделирования при ограничении скорости 3 м/с и

задержке 6000 мс.................................................................................125

Таблица 20 - Сравнение выборок при моделировании при скорости 3 м/с.........127

Таблица 21 - Средние значения параметров при моделировании при

ограничении скорости 3 м/с................................................................128

Приложение А (справочное)

Акт о внедрении результатов диссертационной работы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И 011ЫТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ ИНСТИТУТ РОБОТОТЕХНИКИ И ТЕХНИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ»

(ЦНИИ РТК)

УТВЕРЖДАЮ

Заместитель директора по научной работе

А.В. Попов

{2_20 21 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы 11оиова Дмитрия Сергеевича

Настоящий акт составлен о том, что результаты диссертационной работы Попова Дмитрия Сергеевича на тему «Повышение эффективности систем дистанционного управления наземными мобильными роботами в условиях временных задержек передачи информации», представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук, внедрены в процесс разработки перспективных наземных робототехнических комплексов.

Предложенные в диссертации методы компенсации временных задержек передачи информации в системе дистанционного управления использованы при выполнении государственного задания Минобрнауки России №07501595-23-04 «Исследование путей реализации адаптивной устойчивости наземного модульного реконфигурируемого робототехнического шасси легкого класса при движении в недетерминированной среде с различными полезными нагрузками».

Применение разработанных Д.С. Поповым методов компенсации временных задержек позволило значительно уменьшить траекторную ошибку, увеличить среднюю скорость движения робототехнического шасси и тем самым повысить эффективность системы дистанционного управления.

Ученый секретарь

Б.А. Спасский