Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект посвящен разработке методов синтеза интеллектуальных систем автономного, супервизорного, диалогового и полуавтоматического управления мобильными роботами различного вида и назначения, которые оснащаются многозвенными манипуляторами (ММ) и имеют резервные каналы связи с операторами. В отчетном периоде были получены следующие новые научные результаты. - Разработаны подходы и методы синтеза комбинированного автономного и диалогового управления автономными необитаемыми подводными роботами (АНПР), использующего базу экспериментальных опытных данных, собранных подводными аппаратами в глубоководных экспедициях. Используя эти данные и учитывая особенности задания операций, функциональные возможности АНПР и его ММ, а также зону действия системы навигации и связи, созданная система позволяет вырабатывать предупреждения и рекомендации для операторов АНПР. Эта же система использует алгоритмы выявления предпосылок к аварийным ситуациям и предотвращения этих ситуаций, исключая незапланированные силовые контакты с объектами работ. - Разработаны методы обеспечения интеллектуальной и информационной поддержки деятельности операторов АНПР, позволяющие повысить эффективность и безопасность выполнения подводных работ с помощью роботов различных типов во время проведения особо ответственных и точных операций. Используя целеуказания операторов, передаваемые по гидроакустическим каналам связи, предложенные методы способны обеспечивать построение траекторий движения рабочих инструментов ММ по любым поверхностям объектов работ, идентифицируемым бортовыми системами технического зрения (СТЗ). С помощью графического интерфейса реализован диалоговый режим, позволяющий оператору проверять правильность наложения траекторий на поверхности объектов и давать команды для автоматической отработки рабочими инструментами ММ построенных траекторий. - Создан метод автоматического управления ММ на основе целеуказаний операторов, передаваемых по мало информационным гидроакустическим каналам связи. На основе этого метода синтезирована система автоматического управления скоростью движения схвата ММ, установленного на удерживающимся в режиме зависания АНПР. За счет использования дополнительного контура управления обеспечивается автоматическое снижение скорости движения схвата, когда робот из-за его конструктивных особенностей не может эффективно стабилизировать свое положение по некоторым степеням подвижности. При этом указанная скорость автоматически увеличивается на тех участках траекторий, при движении по которым и системы управления приводами ММ, и система стабилизации АНПР способны обеспечивать желаемую точность движения схвата ММ в абсолютной системе координат. Результаты проведенного моделирования подтвердили работоспособность разработанной системы управления и показали эффективность ее использования для повышения точности выполнения подводных манипуляционных операций. - Разработан метод синтеза и алгоритм работы системы полуавтоматического позиционного телеуправления ММ, установленным на одном из двух мобильных роботов (МР) в сложной и непрерывно изменяющейся окружающей обстановке. Причем СТЗ МР с манипулятором при наличии препятствий не имеет возможности наблюдать объект работ. Но этот объект с различных ракурсов может наблюдаться СТЗ второго малогабаритного и маневренного МР. Причем последняя СТЗ может непрерывно изменять пространственную ориентацию своей оптической оси, наблюдая за объектом работ с помощью различных ракурсов. Получаемые с помощью этой СТЗ координаты указанного объекта в связанной с основанием малогабаритного МР системе координат через абсолютную систему координат с неминуемыми ошибками, включая ошибки измерительных систем, передаются в связанную систему координат манипуляционного МР. После устранения указанных ошибок в этой системе координат специальными предложенными в проекте средствами предложенный метод телеуправления ММ, учитывая текущую пространственную ориентацию оптической оси используемой СТЗ позволяет оператору точно управлять ММ, перемещая вспомогательный робот в доступное для наблюдения место рабочего пространства. - Аналогично предыдущему в проекте разработаны новый подход и метод, позволяющие обеспечить согласованное взаимодействие двух указанных ранее МР в процессе выполнения манипуляционных операций в полностью автоматическом режиме, когда МР, оснащенный ММ, не видит за препятствиями объекты работ, а координаты текущего пространственного положения этих объектов и их ориентации вначале определяются в системе координат малогабаритного и маневренного вспомогательного МР с помощью его СТЗ. Затем указанные координаты с неминуемыми погрешностями также через абсолютную систему координат передаются в систему координат манипуляционного МР и корректируются (уточняются) там по изложенному в проекте методу и алгоритму. - Проведенные в проекте математические моделирования и экспериментальные исследования созданных систем и алгоритмов подтвердили их более высокую эффективность работы по сравнению с существующими системами. При этом была подтверждена и высокая эффективность использования стереокамер для получения требуемых облаков точек объектов работ в водной среде. Полунатурное моделирование процессов выполнения различных операций с отсканированными реальными объектами показало, что предложенный в проекте подход обеспечивает качественную идентификацию объектов и их параметров с последующей отработкой манипулятором АНПР построенных траекторий. При этом возможность передачи обработанных данных на пост оператора по гидроакустическому каналу связи с АНПР обеспечивает точный супервизорный контроль выполнения наиболее ответственных операций. Созданные теоретические методы построения указанных систем позволят резко увеличить сложность и расширить номенклатуру манипуляционных операций, выполняемых в полностью автономном или полуавтоматическом (супервизорном) режимах и, тем самым, удешевить (упростить) практическое использование мобильной наземной и подводной робототехники в непрерывно изменяющихся сложных производственных или подводных условиях за счет резкого повышения ее эффективности.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетном периоде были получены следующие новые научные результаты, позволяющие достичь указанных целей Проекта. - С использованием результатов выполнения первого этапа Проекта в отчетном периоде разработаны методы, обеспечивающие согласованную работу двух автономных необитаемых подводных роботов (АНПР), один из которых – основной оборудован многозвенным манипулятором (ММ) и системой технического зрения (СТЗ), а второй - вспомогательный – только СТЗ. Эти методы обеспечивают совместную работу двух АНПР как в режиме полуавтоматического позиционного телеуправления манипулятором, так и в режиме автоматического выполнения ими операций с различными объектами. При этом в обоих режимах рассматривается работа в ситуациях, когда видеокамера из-за возможных препятствий к перемещению основного АНПР не позволяет наблюдать объект работ, который тем не менее находится в рабочей зоне манипулятора. В этом случае для наблюдения за объектом используется вспомогательный осмотровый АНПР со своей СТЗ. В режиме полуавтоматического телеуправления манипулятором автоматически учитывается текущая пространственная ориентация оптической оси СТЗ осмотрового АНПР, а также пространственные ориентации обоих роботов по углам рыскания в абсолютной системе координат. А в автоматическом режиме дополнительно обеспечивается точная передача пространственного расположения и ориентации объекта, которые определяются с помощью СТЗ осмотрового АНПР в его системе координат, в связанную систему координат основного АНПР с использованием абсолютной системы координат. При этом удается определить и устранить погрешности, возникающие при работе СТЗ и навигационных систем обоих АНПР. Результаты экспериментальных исследований подтвердили работоспособность предложенных методов, техническая реализация которых не вызывает принципиальных затруднений. - Разработаны методы автоматического построения траекторий движения рабочих инструментов ММ в том числе и по поверхностям объектов работ, идентифицируемым бортовыми СТЗ АНПР. Предложенные методы предполагают обработку координат облаков точек, получаемых в реальном масштабе времени от СТЗ, лежащих на поверхности реального сканируемого объекта, с последующим наложением желаемой траектории движения инструмента на реальную поверхность объекта, которая может быть подвержена деформациям после воздействия окружающей среды. При этом желаемая пространственная ориентация рабочего инструмента ММ рассчитывается с учетом ориентации отдельных сегментов триангуляционной поверхности, по которым пролегает траектория этого инструмента. Также разработан метод, позволяющий рассчитывать пространственное положение и ориентацию АНПР относительно объекта работ, при которых установленный на роботе ММ способен отрабатывать своим рабочим инструментом сформированную траекторию с заданными углами сервиса. Для успешной автоматической отработки манипуляторами АНПР произвольных построенных траекторий в проекте предложен подход к синтезу систем автоматической стабилизации этих роботов в водной среде в режиме зависания над или вблизи объектов работ. Этот подход предполагает установку на АНПР дополнительного движителя, расположенного выше центра величины робота на выносном штоке таким образом, чтобы упор, формируемый движителем, был направлен вдоль его поперечной горизонтальной оси. В результате чего значительно расширяются функциональные возможности движительно-рулевого комплекса, обеспечивая компенсацию воздействий со стороны ММ, приводящих к смещениям АНПР по углу крена. - Разработаны методы построения и реализации диалогового режима, который с помощью графического интерфейса позволяет оператору проверять правильность наложения автоматически сформированных траекторий на поверхности объектов и давать целеуказания для точной автоматической отработки построенных траекторий движения рабочими инструментами ММ. При этом создан набор команд, позволяющих АНПР переключаться между этапами выполнения всей операции по команде оператора. Кроме того, поскольку успешное выполнение операций в супервизорном диалоговом режиме невозможно без обеспечения устойчивого канала связи с АНПР, в Проекте разработан алгоритм, который на основе прогноза движения АНПР с учетом динамически изменяемой зоны действия гидроакустической системы навигации и связи, а также информации, получаемой от сенсоров АНПР, позволяет формировать программные сигналы управления перемещениями этого робота и его судна-носителя, позволяющие АНПР все время находиться в зоне покрытия указанной системы навигации и связи. Предложенный алгоритм исследован с помощью полунатурных испытаний на основе данных, полученных в глубоководной научно-исследовательской экспедиции. - Выполнены разработка, апробация и тестирование программных средств, реализующих разработанные методы и алгоритм. При этом использовался разработанный и реализованный в Matlab/Simulink модуль цифрового двойника АНПР, оснащенного ММ, предназначенный для моделирования и визуализации в симуляторе CoppeliaSim процессов выполнения операций, а также предварительной апробации новых методик и моделей использования АНПР. Проведенные математическое моделирование и экспериментальные исследования созданных систем полностью подтвердили их более высокую эффективность работы по сравнению с существующими системами.