ОТКРЫТАЯ ОБЛАЧНАЯ ПЛАТФОРМА ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИИ ВЫПОЛНЕНИЯ СОВМЕСТНЫХ РАБОТ ПАРКОМ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

Введение

Современный рынок машин-роботов и услуг для них постоянно растет. В будущем ожидается его стремительный рост $[1]$ - такой же, как наблюдался у рынка смартфонов - благодаря автоматизации работ в промышленной и гражданской сферах, появлению доступных пользователям по цене машин-роботов. Расширение области использования роботизированных систем неизбежно приведет к необходимости автоматизации процессов по их мониторингу, управлению, обслуживанию и ремонту. Потребность во внедрении систем, обеспечивающих диспетчеризацию различного рода роботизированных устройств $($например, беспилотных транспортных средств$)$ будет расти с каждым днем.

Беспилотные транспортные средства

Транспортные роботы - это беспилотные транспортные средства, обладающие элементами искусственного интеллекта $($ИИ$)$, способные перемещаться в сложной среде $[2]$. Для транспортного робота это означает, что система должна самостоятельно выбирать маршрут до намеченной цели, обходить препятствия, которые могут возникать на пути, выбирать оптимальные параметры перемещения - скорость, ускорение, положение корпуса в пространстве, а также предотвращать столкновения и аварийные ситуации. Особенно востребованными роботизированные комплексы являются в случаях, связанных со сложными условиями работ, условиями, сопряженными с повышенным риском для человеческой жизни.

Современные разработки беспилотных транспортных роботов затрагивают разные сферы деятельности человека:

• промышленную;
• военную;
• гражданскую;
• специальную.

В промышленности роботизированные системы применяются для выполнения широкого спектра задач. Транспортные перевозки являются одним из направлений применения роботизации $($рисунок 1$)$. При этом существуют разные концепции использования роботизированных систем предусматривающие, как доставку грузов полностью автономным транспортным средством, так и системой транспортных средств, работающих в режиме следования за лидером - ведущим. В этом случае в одном из грузовиков находится человек-водитель, а за его машиной следует группа из нескольких полуавтономных грузовиков. В минимальном случае такая колонна может состоять из двух грузовиков. Транспортные средства в колонне объединены "электронной сцепкой", которая обеспечивает связь между бортовыми системами управления. Ведущий автомобиль задает скорость и направление движения $[3]$.

Рисунок 1 — Aвтономный электрогрузовик Vera

Современные морские суда, предназначенные для транспортировки грузов, представляют собой сложные технические системы использующие минимальное количество экипажа $($рисунок 2$)$. Удаление с судна любых людских удобств позволяет вместить больше грузов, а также не тратить энергию на освещение, приготовление пищи и отопление. Дальнейшая автоматизация предусматривает создание автономных транспортных кораблей, автоматизацию коммуникаций с другими судами $($в том числе управляемыми людьми$)$, способность кораблей к самодиагностике, и, как следствие, к планированию ремонтных работ. При этом управление кораблями должно осуществляться из диспетчерского центра, содержащего от 7 до 14 человек $[4]$.

Рисунок 2 — Роботизированное судно $($USV$)$ Maxlimer

Складские роботы позволяют эффективно автоматизировать работы промышленных складов $[2]$. Роботизации складских помещений $($рисунок 3$)$ позволяет осуществить оптимизацию пространства, ускорение операций, частично или полностью исключить человека из операций на складе. Данные системы представляют собой робота или группу роботов с установленными системой автопилота, которые позволяют им работать автономно совместно с людьми в условиях склада или на автоматизированных складах в отсутствии человека. Роботы в данных системах могут иметь возможность следовать по заранее определенными путям, а так же в состоянии динамично реагировать на изменение окружающей среды. Данные постоянно передаются между роботами посредством Wi-Fi, что позволяет работать с другими автоматизированными техническими средствами в сети. Такие системы должны быть интегрированы с системой управления складом, чтобы распределять задачи роботов в зависимости от их положения, что позволяет сократить время поездки и повысить общую эффективность.

Рисунок 3 - Роботизация складских работ

Военная сфера является областью, в которой беспилотные роботизированные системы остаются наиболее востребованными. Боевые наземные робототехнические системы в настоящее время разрабатываются в виде дистанционно управляемых роботов. А вот транспортные задачи удобнее и дешевле решать с помощью беспилотных систем $[2]$$($рисунок 4$)$.

Рисунок 4 – Военный беспилотный автомобиль

Значительное развитие транспортные роботы получили в военной авиации, где они носят название - беспилотный летательный аппарат $($БПЛА$)$. На основе этих технологий строятся автономные и полуавтономные робототехнические системы для разведки, наблюдения, боевого применения и транспортировки грузов $[2]$. При этом активно развиваются направления исследований совместного действия БПЛА типа: ведущий – ведомые и концепции роя или звена роботов.

Долгое время роботизированные БПЛА находили только военное применение, однако в последние годы растет потребность и в БПЛА гражданского назначения, например, для мониторинга состояния нефте- и газопроводов, лесных массивов, водоёмов, сбора метеорологических данных и т.д. Также БПЛА находят применение в поисковых и спасательных операциях, доставке грузов. Таким образом, развитие БПЛА гражданского назначения имеет большие перспективы $[5]$.

Активно развивается применение беспилотных транспортных средств для гражданской сферы. Беспилотный автомобиль - это автомобиль, который может двигаться без участия водителя, либо с частичным его участием. Есть несколько уровней автоматизации беспилотных автомобилей - от 0 до 5. Нулевой уровень означает обычную машину, которой полностью управляет водитель, 5 уровень - 100% беспилотный автомобиль: двигается из точки А в точку B и паркуется вообще без участия человека $[6]$. Одного из пионеров в данной области Tesla, в настоящий момент начинают догонять другие крупные производители автомобилей: Volkswagen, Honda, NIO и д.р. Современным направлением являются роботакси – беспилотные автомобили, имеющие 4 или 5 уровень автоматизации управления, обеспечивающий безопасное движение по заданному маршруту и парковку полностью без помощи водителя, за исключением ограниченных участков со сложным ландшафтом или больших пробок $($для 4 уровня$)$. Вызов с помощью мобильного приложения, отсутствие потребности в водителе $($снижение стоимости перевозки$)$, снижение количества нарушений правил дорожного движения, а также отсутствие затрат на парковку, топливо, страхование, обслуживание и ремонт по сравнению с собственным авто, должны сделать такие такси привлекательными для значительной части пассажиров. Примером такой роботизированной системы может быть такси, разрабатываемое компанией Яндекс $($рисунок 5$)$.

Рисунок 5 – Такси компании Яндекс с автопилотом

Роботизированные автомобили-самосвалы $($рисунок 6$)$, предназначенные для автономной работы или работы под контролем оператора на предприятиях по добыче природных ресурсов, относятся к специализированной технике. Использование роботизированных систем в данной отрасли призвано обеспечить безопасность и высокую производительность работ при сложных, вредных или опасных условиях разработки. В процессе совершенствования автопилотов для создания автономных транспортных средств, появляются все более совершенные решения роботизированных карьерных самосвалов и другой техники, которая может применяться при автономизации добычи полезных ископаемых $[7]$. Это позволяет повысить безопасность процессов, устранить ошибки эксплуатации самосвала и сократить число людей, работающих в районе активной добычи.

Рисунок 6 - Роботизированный автомобиль-самосвал

Облачная платформа

Анализ развития современных роботизированных систем $($в частности беспилотных транспортных средств$)$ позволяет утверждать, что они перестали быть научными разработками и становятся элементами повседневной жизни, как сотовая связь и мобильный интернет. Дальнейшее развитие таких систем приведет не только к их широкому распространению, но как и в случае с беспилотными автомобилями, к кардинальному изменению образа жизни многих людей. В процессе развития роботизированных систем, их взаимодействие друг с другом приведет к переходу от применения одиночных роботов к использованию групп роботов и роботизированных комплексов.

При этом одной из наиболее сложных задач, решаемых в процессе управления группой роботов являются:

• задачи траекторного управления группами роботов, осложнённые большой размерностью моделей состояния и нелинейным ростом размерности алгоритмов управления;
• задачи взаимодействия, формирования и поддержания требуемого пространственного положения роботов в группе, исключающей их столкновение с препятствиями и другими роботами.

Таким образом одной из основных проблем управления группами роботов $($например, беспилотных транспортных систем$)$ в случае их совместной работы является необходимость решения уравнения большой размерности. При увеличении количества роботов и росте сложности уравнения требуется больше вычислительных мощностей. При этом система должна быть легко масштабируемой.

Отдельным вопросом, являет сложность данной системы при необходимости оркестрации работы групп роботов, при совместной работе разнотипных роботов, выполняющих разные функции и имеющих разное API.

Решение данной задачи позволяет осуществить облачная платформа. Использование облачной платформы для диспетчеризации выполнения совместных работ парком роботов помимо обеспечения необходимой вычислительной мощности имеет следующие преимущества:

• возможность управления несколькими территориально расположенными роботизированными системами из одного центра;
• создание единой системы диспетчеризации вместо нескольких отдельных;
• экономия затрат на стоимость и эксплуатацию оборудования $($осуществляется поставщиком облачной платформы$)$;
• возможность рационального использования вычислительных мощностей $($при снятии робота с задания, вычислительные мощности высвобождаются$)$;
• возможность работы роботов с разными параметрами, характеристиками и API с перенаправления их на разные объекты при необходимости.

При этом возможно создание открытой облачной программной платформы управления группой мобильных роботов при выполнении совместных работ, которая осуществляла бы следующие функции:

• диспетчеризацию машин-роботов облачной программной технологией;
• доступ машин-роботов, которая приобретается владельцем, к центру доступа услугами машин-роботов;
• сервисы и подписки на обновления ПО для машин-роботов по аналогии магазином приложений для смартфонов.

Заключение

На текущий момент развития технологий, с учетом микропроцессорных вычислений, для диспетчеризации разумно использовать облачные технологии, обеспечивающие необходимые мощности и скорости. Считаем, что в дальнейшем, это может измениться и робототехнические системы смогут работать автономно, только в случае развития фотонных вычислителей $($оптических компьютеров и процессоров$)$.

Диспетчеризация на базе облачной платформы будет расти и расширяться, находя применение в других сферах деятельности человека, помимо описанных в настоящей статье.

Учитывая размеры облачной платформы, ее масштабируемость и увеличение доступности с развитием технологий высокоскоростной связи, она имеет потенциал развития и охвата большого количества рынков, что так же говорит в пользу необходимости ее разработки.

При работе комплексов машин и увеличении роботизации техники количество роботов и робототехнических систем в цепочках производства будет расти $($например, цепочка робоэкскаватор - робосамосвал, может расширится до робоэкскаватор – робосамосвал – робопоезд - робосклад$)$. Это неизбежно повлечет за собой увеличение сложности решаемых задач и выполняемых вычислений, а это так же говорит о необходимости проводить диспетчеризацию с помощью облачной платформы.

Список использованных источников