научная статья по теме СИСТЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ГРУППЫ МОБИЛЬНЫХ МИКРОРОБОТОВ НА ОСНОВЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ Кибернетика

Текст научной статьи на тему «СИСТЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ГРУППЫ МОБИЛЬНЫХ МИКРОРОБОТОВ НА ОСНОВЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2007, № 3, с. 163-173

^=РОБОТОТЕХНИКА

УДК 621.865.8;007:159.955

СИСТЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ГРУППЫ МОБИЛЬНЫХ МИКРОРОБОТОВ НА ОСНОВЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ*

© 2007 г. О. В. Даринцев, А. Б. Мигранов

Уфа, Институт механики Уфимского научного центра РАН Поступила в редакцию 20.05.06 г.

Рассматривается генетический алгоритм планирования оптимальных маршрутов для группы микророботов в среде с препятствиями, позволяющий решать поставленную задачу в соответствии с наиболее часто задаваемыми критериями: минимальная длина маршрута, минимизация времени движения и т.д. Высокое быстродействие предлагаемого алгоритма позволяет находить решение в режиме реального времени, используя ресурсы только бортовых вычислительных устройств микророботов. Представлены результаты моделирования и оптимальные значения параметров, при которых достигается наилучшая балансировка алгоритма.

Введение. В настоящее время широкое распространение получают автономные подвижные системы самых различных классов и функциональных назначений. К ним относятся всевозможные транспортные средства (наземные, воздушные, надводные), включая промышленные мобильные роботы, предназначенные для выполнения разнообразных функций в автономном режиме без участия человека. Наряду с мобильными роботами "классических" размеров существуют также мини- и микророботы, одной из перспективных областей применения которых может стать реализация сборочных, отладочных и тестовых операций над микроэлектронными изделиями. К примеру, использование мобильных микросборочных роботов (микророботов) в составе специализированных технологических комплексов может стать одним из эффективных подходов для автоматизации сборки гибридных микроэлектромеханических систем [1].

Вместе с тем одной из проблем применения робототехники является планирование оптимальных маршрутов движения мобильных роботов, одновременно оперирующих в пределах единого рабочего пространства. Если рассматривать группу микросборочных роботов, то планирование должно осуществляться с учетом наиболее предпочтительного варианта обхода всех встречающихся неподвижных препятствий в эоне проведения технологических операций, при этом необходимо исключить столкновения микророботов между собой, а также их выход за границы рабочего пространства. Наиболее

часто используемые в настоящее время аппарат

*

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант < 05-01-97906), Фонда содействия отечественной науке (грант "Кандидаты наук РАН") Фонда содействия отечественной науке, в рамках программы №16 фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН.

многопараметрической оптимизации и алгоритмы оптимального планирования мало пригодны для решения этой задачи в реальном времени бортовыми вычислительными устройствами микророботов, что объясняется их скромными вычислительными возможностями, а также высокой размерностью уравнений, описывающих группу микророботов как объект планирования и управления. Аналитическое решение задач оптимального управления в такой постановке задачи невозможно, а известные численные методы требуют непозволительно большого времени для получения приемлемого решения.

Другой причиной разработки быстросчетных алгоритмов планирования и управления микророботами служит одна из наиболее актуальных в последнее время задач - создание распределенной одноранговой системы управления большими коллективами роботов. Данная задача нетривиальна, так как наряду с требованиями компактности и быстродействия программных продуктов, реализуемых на бортовых вычислительных комплексах, накладываются существенно более жесткие требования к реализации режима реального времени и адаптивности алгоритмов к изменяющимся внешним условиям. Такие требования приводят к необходимости отказа от классических схем построения системы управления и планирования и перехода в интеллектуальный базис. Одним из подобных подходов, который позволяет достаточно эффективно управлять сложными техническими объектами в условиях дефицита машинных ресурсов и высокой размерности поискового пространства, являются генетические алгоритмы (ГА).

Впервые использовать ГА в задаче планирования оптимальных маршрутов было предложено в 90-х годах прошлого века [2-5]. Анализ этих работ показал, что они не могут быть впрямую использованы для планирования траекторий мик-

163

11*

ророботов. Общая черта известных методов планирования на основе ГА - двухмерное сеточное представление модели внешней среды путем разбиения рабочей области на конечное постоянное число прямоугольных элементарных участков. Главный недостаток этого подхода состоит в том, что поиск оптимального решения проводится не в пространственно-временном, а только в координатном базисе. Вместе с тем в условиях нестационарной внешней среды, когда наряду со статическими в пределах рабочей зоны имеются динамические препятствия, более предпочтительный вариант обеспечения бесконфликтного движения предполагает не только изменение маршрута движения, но и регулирование значения скорости движения каждого из роботов на определенных участках маршрута, что возможно только при пространственно-временном представлении модели рабочего пространства. Другим недостатком известных методов на базе ГА является слабая организация процессов управления разнообразием популяции, и как следствие, - низкая скорость сходимости ГА или же их преждевременная сходимость [4]. В предлагаемом алгоритме планирования в качестве модели внешней среды используется представление пространство-время, а высокая скорость сходимости ГА обеспечивается организацией процесса управления разнообразием популяции на базе операций скрещивания, мутации, спрямления и сглаживания.

1. Модель нестационарной рабочей среды, описание в базисе пространство-время. Рассмотрим задачу планирования траектории движения мобильного микроробота в некоторой области со стационарными и подвижными препятствиями. В качестве подвижных препятствий выступают другие микророботы из группы, имеющие более высокий приоритет работы и перемещающиеся с определенными скоростью и ускорением по известным законам, которые удовлетворяют граничным условиям. Будем считать, что расположение неподвижных препятствий на момент планирования фиксировано и остается неизменным во времени. Оптимальное решение должно обеспечивать бесконфликтное движение микроробота с возможностью изменения его скорости вдоль найденного маршрута.

В интересах решения этой задачи с помощью ГА формируется модель внешней среды. Для ее описания используется N сеточных представлений рабочего пространства в виде матриц размерностью Бх х Бу (рис. 1), элементы которых принимают логические значения, в зависимости от того свободна или занята препятствием соответствующая ячейка сетки. Величина N выбирается в зависимости от шага квантования по времени и характеризует период, в течение которого движение препятствий в рабочей области задано, определяя

максимальную глубину планирования по времени. Квантование необходимо для дискретизации состояния неподвижных объектов, определения ячеек сетки, соответствующих стартовым и конечным положениям микроробота, а также для фиксирования моментов изменения состояния нестационарной рабочей среды.

В качестве индивидуумов рассматриваются маршруты движения по ячейкам сеток, и хромосома представляет собой последовательность Np узлов, образующих траекторию движения. При этом каждый 7-й узел содержит гены, представляющие собой координаты x7 и y7 соответствующей ячейки, а также индекс (период) времени 1, в течение которого микроробот находится в данной ячейке (рис. 2). Гены, отвечающие индексам времени и расположенные в последовательных узлах хромосомы, отличаются на единицу. Также вводится понятие сегмента хромосомы, под которым понимается несколько последовательных узлов (участок маршрута). Первый узел является стартовой точкой маршрута, а последний - конечной. Число генов в хромосоме динамически изменяется от итерации к итерации, однако общее число промежуточных узлов Np не превышает величину N.

Будем называть начальной популяцией те траектории, что соединяют точки старта и цели. Очевидно, что начальных популяций, переводящих микроробота к точке цели, может быть произвольное число. Потенциальные решения в виде начальной популяции могут и отсутствовать. Это свидетельствует о том, что не существует траектории, соединяющей начальную и конечную точки, или о том, что время движения по этой траектории больше, чем время N определенности рабочей области. Ясно, что множество начальных популяций представляет собой подмножество множества безопасных траекторий.

Главным требованием при выборе оптимального решения на каждом этапе эволюции является его соответствие следующему неравенству:

Smax 7 > Smax 7 - Ь где Smax 7 и Smax 7 - 1 - максимальные

значения критериев выживания на 7-м и (7 - 1)-м эволюционных этапах. В качестве функции пригодности используется следующая:

5 5

S = X®kSk' X® = 1

k=1 k=1

где ®k = const e [0, 1] - весовые коэффициенты, Sk -нормированные значения функций соответствия, характеризующих степень близости потенциального решения по заданному k-му критерию к оптимальному маршруту.

ХЫ - 1, УN - 1, Ы, - 1

Ж "'ЙЗВ

N.

Уo, .о

Я

Рис. 1. Модель внешней среды: ^ - свободные области рабочего пространства, - статические препятствия,

^^^ - другие микророботы, - текущее положение.

Первая из них 51 представляет критерий оптимальности по длине траектории

Гыр -1

Sl =

^ „Д X, + 1 - X,)2 + (у, + 1 - у, )2

V г =0

Гыр -1

^ С(X,, X, + !, у,, у, + ! )

,=0

где С(х, + ь у, у, + 1) = 1 при перемещении в соседнюю ячейку по горизонтали и вертикали и С(х,,

узел

Л

ген

сегмент

А

Л

■о Уо .0 ■1 У1 .1 ХЫ - 2 УЫ - 2 Ы - 2 ХЫ - 1 УЫ - 1 Ы - 1

V N.

Рис. 2. Кодировка маршрута движения в хромосоме. ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ < 3 2007

Х1 + 1, Уг, Уг + 1) = - по диагонали. Вторая £2 отражает условие оптимальности по времени, затраченному на движение по маршруту

£2 = .

Функция соответствия £3 позволяет найти маршрут, проходящий на безопасном расстоян

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком