НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o484.pdf (439.90Кб)

УДК 519.007.5

1 МГУ им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия

В данной статье рассматривается задача децентрализованного управления движением строя из агентов, моделирующих автономных мобильных роботов. Агенты используют только локальную информацию в пределах действия своих сенсоров. Они должны сформировать строй, соответствующий с заданной точностью целевой геометрической структуре строя, и двигаться, сохраняя данный строй, к целевой точке. При этом на любом этапе возможно непредсказуемое изменение количества агентов в группе (например, вследствие выхода агента из строя или добавления очередного агента к группе). Целью статьи является представление базового правила управления, позволяющего решить задачу управления движением строя, и разработка его модификаций для корректной работы в случаях, когда количество агентов в группе не совпадает с размером целевой геометрической структуры строя. Предлагаемое базовое правило управления, разработанное автором, основывается на методе введения виртуальных лидеров. Координаты виртуальных лидеров, а также приоритет движения за тем или иным лидером рассчитываются каждым из агентов по определённым правилам. В статье представлены следующие результаты: базовое правило управления для решения задачи управления строем и его модификации для случаев, когда количество агентов больше/меньше размера целевой геометрической структуры, а также результаты компьютерного моделирования, подтверждающие работоспособность модифицированных правил управления. Характерное отличие правила управления, разработанного автором, заключается в том, что виртуальные лидеры рассчитываются каждым агентом самостоятельно, а также реализован динамический выбор агентом определённого места в строю (без однозначной привязки агента с конкретным номером к определённому месту в геометрической структуре строя). Результаты, изложенные в данной статье, могут быть использованы в робототехнике при разработке алгоритмов управления для задач, в которых требуется сохранение определённого взаимного расположения роботов относительно друг друга в ходе движения. Одним из возможных направлений развития в рамках данной темы может быть усложнение модели динамики агента (рассмотрение частного случая конкретного робота) и дополнительные исследования с испытаниями на реальных роботах.

1. Каляев И.А., Гайдук А.Р., Капустян С.Г. Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов. М.: Физматлит, 2009. 280 с.
2. Reynolds C. Flocks, birds, and schools: A distributed behavioural model // ACM SIGGRAPH Computer Graphics. 1987. Vol. 21, no. 4. P. 25-34. DOI:10.1145/37401.37406
3. Vicsek T., Czirok A., Ben-Jacob E., Cohen I., Shochet O. Novel type of phase transitions in system of self- driven particles // Physical Review Letters. 1995. Vol. 75, no. 6. P. 1226-1229. DOI: 10.1103/PhysRevLett.75.1226
4. Tanner H.G., Jadbabaie A., Pappas G.J. Flocking in Teams of Nonholonomic Agents // In: Cooperative control / ed. by V. Kumar, N. Leonard, A.S. Morse. Springer Berlin Heidelberg, 2005. P. 229-239. DOI:10.1007/978-3-540-31595-7_13 (Ser. Lecture Notes in Control and Information Science; vol. 309.).
5. Hengster-Movric K., Bogdan S., Draganjac I. Multi-Agent Formation Control Based on Bell-Shaped Potential Functions // Intelligent Robotic Systems. 2010. Vol. 58, no. 2. P. 165–189. DOI: 10.1007/s10846-009-9361-7
6. Yang J., Lu Q., Lang X. Flocking shape analysis of multi-agent systems // Science China Technological Sciences. 2010. Vol. 53, no. 3. P. 741-747. DOI: 10.1007/s11431-010-0072-x
7. Eren T., Belhumeur P., Anderson B.D.O., Morse A.S. A framework for maintaining formation based on rigidity // Proceedings of the 15^th Triennial World Congress, Barcelona, Spain. IFAC, 2002. P. 2752–2757.
8. Rodrigues J., Figueira D., Neves C., Ribeiro M. Leader-following graph-based distributed formation control // Robotica. 2009. Vol. 75. P. 8–14.
9. Olfari-Saber R., Fax J.A., Murray R.M. Consensus and Cooperation in Networked Multi-Agent Systems // Proceedings of the IEEE. 2007. Vol. 95, no. 1. P. 215–233. DOI: 10.1109/JPROC.2006.887293
10. Wang J., Nian X., Wang H. Consensus and formation control of discrete-time multi- agent systems // Journal of Central South University of Technology. 2011. Vol. 18, no. 4. P. 1161–1168. DOI: 10.1007/s11771-011-0818-z
11. Wu Z., Guan Z., Wu X., Li T. Consensus Based Formation Control and Trajectory Tracing of Multi-Agent Robot Systems // Journal of Intelligent Robotic Systems. 2007. Vol. 48, no. 3. P. 397–410. DOI: 10.1007/s10846-006-9108-7
12. Lalish E., Morgansen K., Tsukamaki T. Formation tracking control using virtual structures and deconfliction // Proceedings of the 2006 IEEE Conference on Decision and Control. IEEE Publ., 2006. P. 5699-5705. DOI: 10.1109/CDC.2006.377187
13. Zhou Z., Yuan J., Zhang W., Zhao H., Zhao J. Formation control based on a virtual-leader- follower hierarchical structure for autonomous underwater vehicles // International Journal of Advancements in Computing Technology. 2012. Vol. 4, no. 2. P. 111–121.
14. Lewis M.A., Tan K. High precision formation control of mobile robots using virtual structures // Autonomous Robots. 1997. Vol. 4, no. 4. P. 387-403. DOI: 10.1023/A:1008814708459
15. Eren T., Morse A.S., Belhumeur P.N. Closing ranks in vehicle formations based on rigidity // Proc. of the 41st IEEE Conference on Decision and Control. Vol. 3. IEEE Publ., 2002. P. 2959–2964. DOI: 10.1109/CDC.2002.1184306
16. Xue D., Yao J., Wang J. H∞ Formation Control and Obstacle Avoidance for Hybrid Multi-Agent Systems // Journal of Applied Mathematics. 2013. Vol . 2013. Art . ID 123072 . DOI : 10.1155/2013/123072
17. Морозова Н.С. Виртуальные формации и виртуальные лидеры в задаче о движении строем группы роботов // Вестник Санкт-Петербургского ун-та. Сер . 10. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2015. № 1. С. 135–149.
18. Морозова Н.С. Управление движением строя для мультиагентной системы, моделирующей автономных роботов // Вестник Московского университета. Сер . 15. Вычислительная математика и кибернетика. 2015. № 4. С . 31–39.
19. Gazi V., Fidan B. Coordination and Control of Multi-agent Dynamic Systems: Models and Approaches // In: Swarm Robotics / ed. by E. Şahin, W.M. Spears, A.F.T. Winfield. Springer Berlin Heidelberg, 2007. P. 71–102. DOI: 10.1007/978-3-540-71541-2_6 (Ser. Lecture Notes in Computer Science; vol. 4433.).
20. Морозова Н.С. Огибание препятствий при децентрализованном управлении движением строя роботов // Устойчивость и процессы управления: матер. III международной конференции (Санкт-Петербург, 5-9 октября 2015 г.). СПб.: Изд. дом Фёдоровой Г.В., 2015. С. 537–538.