ВКР Исследование методов динамического планирования маршрута движения робототехнических систем

Оригинальность по АП.Вуз на 26 февраля 2023 года более 70%.

Оригинал документа в pdf, конвертация в Word автоматическая (в word могут быть недочеты, которые вы легко исправите самостоятельно).

Настоящее исследование затрагивает вопросы планирования траекторного

движения робототехнической системы в динамически изменяющейся среде.

Тема данной выпускной работы представляет собой исследование

методов динамического построения маршрута движения для

робототехнической системы.

Активное использование робототехнических систем для выполнения

сложных разведывательных, мониторинговых и поисково-спасательных задач

в труднодоступных, опасных или априори неизвестных средах порождает

актуальность развития методов и алгоритмов динамического планирования

движения. Особенно это становится актуальным в случае отсутствия заранее

заданной подробной карты местности и в условиях возникновения

динамических препятствий, различных внешних возмущений, мешающих

выполнению миссии, и вынуждающих корректировать маршрут движения в

реальном времени. [3]

Задачи планирования траектории движения привлекают внимание с

1970-х годов. Проблемы варьируются от простого пространственного

планирования маршрута до выбора конкретной последовательности действий,

необходимой для достижения поставленной цели. В настоящее время к данной

области активно растет интерес в связи с развитием средств компьютерного

моделирования и становлением связанных дисциплин, например,

роботизированная хирургия, навигация в динамическом окружении,

организация транспортных потоков в мегаполисах и т.д. [1, 4]

Цель работы

Данная дипломная работа посвящена решению современной задачи

планирования маршрута робототехнической системы. Целью работы является

исследование основных динамических методов планирования траектории

движения РС. Более подробный анализ метода потенциальных полей. И

моделирование ситуаций, в которых робототехническая система успешно

пройдет маршрут, избегая при этом динамические препятствия.

Методы исследования

В данной дипломной работе для решения задачи динамического

планирования маршрута движения робототехнических систем применяются методы потенциальных полей, методы, основанные на правилах,

интеллектуальные методы управления, а также методы моделирования с

применением среды MATLAB и Gazebo.

В качестве источников информации использовалась российская и

зарубежная научная периодика, а также ресурсы сети интернет. 

Структура работы

В первой главе дана математическая постановка задачи и обзор сфер ее

применения.

Во второй главе исследованы и формально описаны современные

методы решения задачи динамического планирования маршрута движения

робототехнических систем, методы сглаживания маршрута и параметры

оптимизации.

В третьей главе описываются алгоритмы и исследуются практические

вопросы решения задачи планирования и реализации траекторного движения

робототехнических систем, проводятся экспериментальные исследования.

Список сокращений ....................................................................................................................... 3

Введение ......................................................................................................................................... 4

1 Постановка задачи динамического планирования маршрута движения

робототехнических систем ........................................................................................................... 7

1.1 Математическая постановка задачи траекторного движения ......................................... 8

1.2 Математическая постановка задачи преследования-убегания ........................................ 9

1.3 Исследование прикладных задач управления робототехническими системами ......... 11

2 Современные методы решения задачи динамического планирования маршрута движения

робототехнических систем ......................................................................................................... 13

2.1 Исследование основных подходов к решению задачи ................................................... 14

2.2 Гладкий путь и методы сглаживания ............................................................................... 22

2.3 Параметры оптимизации маршрута ................................................................................. 27

3 Практическое исследование решения задачи динамического планирования маршрута

движения робототехнических систем ........................................................................................ 29

3.1 Описание среды моделирования Gazebo ......................................................................... 29

3.2 Описание методов решения общей задачи траекторного движения и

экспериментальных исследований ......................................................................................... 35

3.3 Описание методов решения задачи преследования-убегания и экспериментальных

исследований ............................................................................................................................ 43

Заключение ................................................................................................................................... 49

Список литературы ...................................................................................................................... 50

1. Казаков К.А., Семенов В.А. Обзор современных методов планирования

движения. Труды ИСП РАН, том 28, вып. 4, 2016, стр. 241-294

2. Пшихопов В. Х. Интеллектуальное планирование траекторий

подвижных объектов в средах с препятствиями // 2015.

3. Калинина К.С. Планирование траекторного движения

робототехнической системы в динамической среде // Конференция

ITTMM РУДН 18-22 апреля 2022 г.

4. Karur, K.; Sharma, N.; Dharmatti, C.; Siegel, J. A Survey of Path Planning

Algorithms for MobileRobots. // Vehicles 2021, 3, 448–468.

5. Лавренов Р. О. Математическое и программное обеспечение решения

задачи многокритериального поиска пути мобильного объекта // 2020.

6. Лю В. Методы планирования пути в среде с препятствиями. //

Математика и математическое моделирование. 2018. No. 01. С.15–58

7. Филимонов А.Б., Филимонов Н.Б. Новый подход к использованию

метода потенциальных полей в мобильной робототехнике. — 2021. —

стр. 314–317. 

8. Хачумов М.В. Задача преследования цели группой беспилотных

летательных аппаратов.– 2017. – стр. 714-716.

9. Применение роботов в современном мире. 2021. [Электронный ресурс]

– Режим доступа: https://r-ed.world/tpost/gf72k38ca1-primenenie-robotov-

v-sovremennom-mire - (дата обращения: 01.05.2022)

10. Woods, A. C. Dynamic target tracking and obstacle avoidance using a drone /

A. C. Woods, H. M. La // International Symposium on Visual Computing. —

Springer. 2015. — с. 857—866.

11. Филимонов А.Б., Филимонов Н.Б., Барашков А.А. Вопросы построения

потенциальных полей в задачах локальной навигации мобильных

роботов. Автометрия. 2019. Т. 55, № 4, стр. 65-70.

12. Khaled El-Metwally. An improved Tangent Bug method integrated with

artificial potential field for multi-robot path planning. 2011.

13. Koren, Y. Potential field methods and their inherent limitations for

mobilerobot navigation / Y. Koren, J. Borenstein // Robotics and

Automation,1991. Proceedings., 1991 IEEE International Conference on. —

IEEE. 1991. —с. 1398—1404.

14. Paul T., Krogstad T.R., Gravdahl J.T. Modelling of UAV formation flight

using 3D potential field // Simul. Model. Pract. Theory. 2008. Vol. 16. P. 1453-

1462.

15. Р. О. Лавренов [и др.]/ Разработка и имплементация сплайн-алгоритма

планирования пути в среде ROS Gazebo // Труды СПИИРАН. — 2019. —

т. 18, № 1. — с. 57—84.

16. Stentz A. The Focussed D* Algorithm for Real-Time Replanning // Proc. of

the Intern. Joint Conf. on Artificial Intelligence. August 1995.

17. Снисаренко С. В. Методы планирования траектории в неизвестной среде

// 2020. С.54–55

18. Wylie, M. P. The non-line of sight problem in mobile location estimation / M.

P. Wylie, J. Holtzman // Proceedings of ICUPC-5th International Conference

on Universal Personal Communications. т. 2. — IEEE. 1996. — с. 827—831.

19. Latest Version of Gazebo Simulator Makes It Easier Than Ever to Not Build

a Robot. 2016. [Электронный ресурс] – Режим доступа:

https://spectrum.ieee.org/latest-version-of-gazebo-simulator - (дата

обращения: 01.05.2022)

20. ROS - Robot Operating System. 2021. [Электронный ресурс] – Режим

доступа: https://www.ros.org/ - (дата обращения: 01.05.2022)

21. Zheng K. ROS Navigation Tuning Guide. arXiv preprint arXiv: 1706.09068.

2017.

22. Basic Concepts – PX4 User Guide. 2022. [Электронный ресурс] – Режим

доступа:

https://docs.px4.io/master/en/getting_started/px4_basic_concepts.html -

(дата обращения: 01.05.2022)

23. Driving a simulated PX4 Rover in the Sonoma Raceway. 2020.

[Электронный ресурс] – Режим доступа:

https://www.youtube.com/watch?v=-a2WWLni5do - (дата обращения:

01.05.2022)

24. Documentation ROS. 2021. [Электронный ресурс] – Режим доступа:

http://wiki.ros.org/Distributions - (дата обращения: 01.05.2022)

25. Husky unmanned ground vehicle. [Электронный ресурс] – Режим доступа:

https://clearpathrobotics.com/husky-unmanned-ground-vehicle-robot/ - (дата

обращения: 01.05.2022)

26. Khachumov M.V. The problem of target pursuit by a group of unmanned flight

vehicles in a perturbed environment // 2016 International Siberian Conference

on Control and Communications // 2016

27. Khachumov, M., Khachumov, V.: The model of UAV formation based on the

uniform allocation of points on the sphere. In: 13th International Scientific-

Technical Conference on Electromechanics and Robotics “Zavalishin’s

Readings”, pp. 1-4, MATEC Web Conf. 2018.

28. Khachumov M. A. Rule-based approach for controlling UAVs formation

flight // Proceedings of 14th International Conference on Electromechanics

and Robotics «Zavalishin's Readings». - Курск, 2020. - С. 319-330.

29. Singh S. Adaptive Formation Control and Semi-Physical Simulator for Multi-

Fixed Wing UAVs. Computer Science. 2019.

30. Хачумов М.В. Решение задачи группового преследования цели в

условиях возмущений (пространственный случай) // 2017.