Разработка нейроморфной системы управления подводного биоморфного робота

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-12-00246

НазваниеРазработка нейроморфной системы управления подводного биоморфного робота

Руководитель Лобов Сергей Анатольевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" , Калининградская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-402 - Нелинейные колебания и волны

Ключевые слова нелинейные колебания, синхронизация, нейронная сеть, нейроуправление, подводный робот, фазовая волна

Код ГРНТИ28.23.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен разработке колебательно-волновой нейроморфной системе управления и навигации подводных беспилотных аппаратов биоморфного типа – рыбоподобных роботов. Актуальность создания таких устройств обусловлена двумя основными моментами. Во-первых, биоморфные объекты не создают в подводной среде каких-либо возмущений (физических, персептивных и др.), неестественных для ее обитателей, что позволяет им обеспечивать не только глубокий мониторинг подводного биоразноорбразия, но и управлять им в естественных условиях (например, движение стаи “ведущим”, отпугивание появлением хищника и др.). Во-вторых, биоморфная форма корпуса, его колебания в водной среде позволяют обеспечивать «оптимизированную эволюцией» высокую энергоэффективность по сравнению с традиционными винтовыми движителями. По самым грубым оценкам (R. Du с соавторами, 2015; doi: 10.1007/978-3-662-46870-8) крейсерская скорость тунца под водой может составлять 110 км/ч при энергопотреблении порядка 10 Вт, а ускорение щуки при броске составляет 249 м/с2 или 25g. При этом биоморфные роботы подобно рыбам смогут обеспечить непревзойденные характеристики в маневренности по направлению перемещения и ускорениям. Разработка таких систем наиболее активно ведется в США и Китае (R. Du с соавторами, 2015; doi: 10.1007/978-3-662-46870-8). Основными фундаментальными задачами в создании таких устройств являются разработка гибкого биоморфного корпуса, являющегося частью движителя, адаптивное управление колебаниями движителя колебательного типа (“робот-тунец”), включая синхронизацию и поддержание фазовой волны в случае вытянутого корпуса (типа “робота-угря”), система связи для позиционирования под водой и группового управления. Предлагаемый проект предполагает разработку интегрированного платформенного решения – нейроморфной системы управления и навигации для биоморфных подводных роботов, включая многопараметрическую нейроноподобную систему управления приводами, обеспечивающими колебания корпуса с автоматической подстройкой частоты колебаний и ее смещения для компенсации внешних возмущений (течений и т.д.), систему связи для позиционирования с возможностью группового управления. Будут исследованы динамические режимы генерации колебаний в случае хвостового привода и синхронизации в случае волнообразного двигателя. Кроме этого, система управления будет иметь возможность интеграции с дополнительными датчиками различного действия (например, для анализа химико-биологических характеристик воды).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Жаринов А.И., Цыбина Ю.А., Гордлеева С.Ю. Review: CPG as a controller for biomimetic floating robots arxiv.org, arXiv:2112.07295 (год публикации - 2021)

2. Митин И.В, Коротаев В.А., Ермолаев А.А, Казанцев В.Б. Biomorphic propulsion system diving thunniform robotic fish arxiv.org, arXiv:2112.06991 (год публикации - 2021)

3. Лобов С.А., Михайлов А.Н., Бердникова Е.С., Макаров В.А., Казанцев В.Б. Spatial computing in structured spiking neural networks with a robotic embodiment arxiv.org, arXiv:2112.07150 (год публикации - 2021)

4. Макаров В.А., Лобов С.А. Щаников С.А., Михайлов А.Н., Казанцев В.Б. Toward Reflective Spiking Neural Networks Exploiting Memristive Devices Frontiers in Computational Neuroscience, 16:859874 (год публикации - 2022)
10.3389/fncom.2022.859874

5. Кастальский И.А. CPG-based control of robotic fish by setting macro-commands with transient parameters In Proceedings of the 2022 6th Scientific School Dynamics of Complex Networks and their Applications (DCNA), 2022, Pages 122-124 (год публикации - 2022)
10.1109/DCNA56428.2022.9923248

6. Митин И.В., Коротаев Р.А., Ермолаев А.А., Миронов В.И, Лобов С.А., Казанцев В.Б. Bioinspired Propulsion System for a Thunniform Robotic Fish Biomimetics, 7(4):215 (год публикации - 2022)
10.3390/biomimetics7040215

7. Митин И.В, Коротаев Р. А., Щур Н.А., Кастальский И.А., Гордлеева С.Ю., Лобов С.А., Казанцев В.Б. Modeling Biomorphic Robotic Fish Swimming: Simulations and Experiments In International Conference on Interactive Collaborative Robotics. Springer, Cham. (год публикации - 2022)

8. Лобов С.А., Михайлов А.Н., Бердникова Е.С., Макаров В.А., Казанцев В.Б. Spatial Computing in Modular Spiking Neural Networks with a Robotic Embodiment Mathematics, Mathematics 2023, 11(1), 234 (год публикации - 2023)
10.3390/math11010234

9. Потапов И.А., Жаринов А.И., Лобов С.А., Казанцев В.Б. Model of a central pattern generator using a spiking neural network, included different types of neurons IEEE Xplore, 7th Scientific School Dynamics of Complex Networks and their Applications (DCNA), 225–228 (год публикации - 2023)
10.1109/DCNA59899.2023.10290586

10. Гордлеева С.Ю., Кастальский И.А., Цыбина Ю.А., Храмов А.Е., Казанцев В.Б. Control of movement of underwater swimmers: animals, simulated animates and swimming robots Physics of Life Reviews, 47 (2023) 211–244 (год публикации - 2023)

11. Щур Н. А., Митин И. В., Коротаев Р. А., Миронов В. И., Казанцев В. Б. Экспериментальное исследование и численное моделирование гидродинамики рыбоподобного подводного робота Робототехника и техническая кибернетика, Т. 11., № 1., С. 40-44. (год публикации - 2023)
10.31776/RTCJ.11105

12. Цыбина Ю.А., Гордлеева С.Ю., Жаринов А.И., Кастальский И.А., Ермолаева А.В., Храмов А.Е., Казанцев В.Б. Toward biomorphic robotics: A review on swimming central pattern generators Chaos, Solitons and Fractals, Volume 165, Part 2, December 2022, 112864 (год публикации - 2022)
10.1016/j.chaos.2022.112864

13. Жаринов А.И., Курганов Д.П., Потапов И.А., Хоружко М.А., Казанцев В.Б., Лобов С.А. Self-organizing CPGs in the control loop of a biomorphic fish robot In Proceedings of the 2022 Fourth International Conference Neurotechnologies and Neurointerfaces (CNN), 2022, pp. 219-222 (год публикации - 2022)
10.1109/CNN56452.2022.9912568

Публикации